Bentley軟件在變電站三維數(shù)字化設計方面的應用與探討

1、Bentley軟件在變電站三維數(shù)字化設計方面的應用與探討摘要: 冉瑞江    國核電力規(guī)劃設計研究院，北京，100095 三維數(shù)字化設計是未來變電工程設計的趨勢，通過精細化協(xié)同工作，能夠大幅提高設計質(zhì)量和效率。通過工程應用中的實際經(jīng)驗，總結(jié)了三維精細化設計的特點。同時，Bentley軟件在變電站三維數(shù)字.冉瑞江    國核電力規(guī)劃設計研究院，北京，100095三維數(shù)字化設計是未來變電工程設計的趨勢，通過精細化協(xié)同工作，能夠大幅提高設計質(zhì)量和效率。通過工程應用中的實際經(jīng)驗，總結(jié)了三維精細化設計的特點。同時，Bentley軟件在變電站三維數(shù)字化設計中具備特有

2、的優(yōu)勢，隨著三維模型的積累以及軟件的不斷改進，將會引領未來變電工程設計、建造和管理等全壽命周期的數(shù)字化革命。關(guān)鍵詞：Bentley軟件；變電工程；三維數(shù)字化；協(xié)同設計；應用Discussion on the Application of Bentley Software in Substation 3D Numerical DesignRAN Rui-jiangState Nuclear Electric Power Planning Design & Research Institute，Beijing 100095，China）Abstract：3D Numerical Desig

3、n is the trend of the future substation design. Through elaborate and coordinated work, the quality and efficiency of design has been greatly improved. With the practical engineering experience, the characteristics of the 3D Numerical Design are summarized. Besides, the Bentley software has special

4、advantages in the 3D Numerical Design. With the accumulation of 3D models and improvement of the Bentley software, it will definitely guide the 3D Numerical revolution of design, construction and management in the substation whole-life cycle span.Key words：Bentley software; substation engineer; 3D N

5、umerical; coordinated design; application引言目前，變電工程的設計普遍采用的是二維設計手段，是依賴設計者的空間想象力和制圖技能完成空間設計的，對工程總體空間布置的經(jīng)濟技術(shù)比較和優(yōu)化缺乏控制，很難適應堅強智能電網(wǎng)的要求1。這種設計方法對設計質(zhì)量缺乏高效的控制，工作效率較低，難以適應精細化和信息化的需求。而當前電網(wǎng)業(yè)主已明確提出三維設計和數(shù)字化移交的要求。采用三維設計和數(shù)字化移交有著以下重要的意義。（1）可以做到精細化設計，方便地進行三維空間的安全距離校驗和材料統(tǒng)計，避免碰撞。（2）可適應專業(yè)間協(xié)同設計，各專業(yè)通過一個設計平臺進行設計，提高了不同專業(yè)配合的效

6、率，避免接口過程帶來的錯誤。（3）數(shù)字化移交，集方案、數(shù)據(jù)于一體的三維變電站模型可以為業(yè)主提供真實的展示效果，并形成完整的變電站數(shù)字化平臺，實現(xiàn)變電站的全壽命周期管理，為工程的后期維護和改造提供方便，也為設計服務的延伸增值提供可能。三維數(shù)字化1.1 概念三維設計是針對二維設計而言的，在三維設計中，所有變電站中的設備都是通過三維模型展現(xiàn)的，可以更直觀、精準地描述各類設備的空間關(guān)系。而數(shù)字化設計則要形成以數(shù)據(jù)庫為核心的設計成品的數(shù)字化體系，實現(xiàn)與設計評審、設備采購、工程建設招投標、現(xiàn)場施工管理、資產(chǎn)管理、生產(chǎn)管理等各個階段的高質(zhì)量數(shù)字化連接，并最終形成一個終生存儲工程信息的管理平臺，實現(xiàn)變電工程全

7、壽命周期的數(shù)字化。1.2 三維數(shù)字化設計的內(nèi)容三維數(shù)字化設計首先必須針對變電設計項目整體，涵蓋變電工程設計工作的全部專業(yè)內(nèi)容，對應于電氣、土建、結(jié)構(gòu)、水暖、場地等專業(yè)?；趶姶蟮臄?shù)據(jù)庫后臺，實現(xiàn)所有結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化設計數(shù)據(jù)的綜合管理。通過設計工具分別進行二維原理圖、三維設備布置、場地、建筑等的設計，完成電氣、土建等相關(guān)計算校驗和材料統(tǒng)計，出具施工圖紙。設計成果以數(shù)字化型式移交給施工、運行、管理等各部門，達到項目的全壽命周期管理2-4。2Bentley軟件的應用2.1 軟件介紹Bentley公司針對電力行業(yè)的設計工作擁有一套完整的解決方案。首先，其三維設計平臺Microstation是Bentl

8、ey公司面向全球基礎設施設計、建造和運營的旗艦產(chǎn)品，采用基于Parasolid的三維模型技術(shù)和Microsoft DirectX 3D游戲級的圖形驅(qū)動技術(shù)，具備高質(zhì)量的動畫漫游、施工進度模擬等仿真功能。Bentley Substation則是專門針對變電站的設計工具，具有專業(yè)的、成熟的智能輔助設計功能，能夠保證在整個項目設計過程中設計數(shù)據(jù)的共享及繼承，從而真正實現(xiàn)三維數(shù)字化協(xié)同設計。并且，設計數(shù)據(jù)可以傳遞到施工、采購、運維等各階段，是覆蓋工程項目各個階段的軟件系統(tǒng)5。圖1 Bentley Substation軟件界面Fig.1 Interface of Bentley Substation使用

9、Bentley變電站設計軟件Substation，可以快速完成二維原理圖設計，智能地進行三維設備布置，較為準確地在三維模型中表達帶有弧垂的導線、連接線，并進行導線受力分析，生成導線施工報表等設計工作。三維模型通過動態(tài)剖切可以自動生成二維平斷面圖紙，滿足施工要求。在三維設計中，二維原理圖、三維模型的布置和二維平斷面均可以實時、動態(tài)、高效地關(guān)聯(lián)，當發(fā)生設計修改時，只需要在三維布置中進行調(diào)整，所有二維圖紙都會自動刷新，而不再需要在平、斷面圖上進行手動調(diào)整，既避免了人為錯誤的發(fā)生，又大幅度地提高了設計效率。此外，Substation軟件還可以完成防雷、接地、照明、電纜敷設、端子接線圖等系統(tǒng)的設計，幫助

10、設計人員高質(zhì)高效地完成變電站有關(guān)電氣設計的部分。圖2 三維防雷計算示意圖Fig.2 Sketch of 3D lightning protection圖3 三維接地設計示意圖Fig.3 Sketch of 3D grounding designBentley建筑和結(jié)構(gòu)設計軟件Architecture，Structural和BBMS，可以快速完成主控樓及相關(guān)土木工程、建筑和水暖等專業(yè)的設計；借助STAAD軟件則可以進行鋼結(jié)構(gòu)的分析計算和設計。Bentley場地設計軟件GEOPAK可以幫助完成場地設計，并進行土方量的計算和坡度設計。ProjectWise是一款Bentley的協(xié)同設計管理平臺，貫穿

11、設計始終，全面管理工程設計的全部內(nèi)容，提資過程，權(quán)限分配以及版本控制等設計中必不可少的環(huán)節(jié)。AssetWise是一款全面對所有通過特定方式相關(guān)聯(lián)的信息進行統(tǒng)一管理的整體信息管理解決方案。通過這個平臺可以將全部設計圖紙及信息轉(zhuǎn)化為具有邏輯關(guān)聯(lián)的變電站數(shù)據(jù)模型，網(wǎng)狀關(guān)聯(lián)業(yè)主方的應用系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)字化移交?；谌S協(xié)同設計，在精細化的三維模型中，就能夠精準地計算帶電體之間的空間距離，有效地避免由于帶電距離無法滿足要求而造成的設計失誤。圖4 電氣安全距離校驗示意圖Fig.4 Sketch of safety clearance checking同時，電氣設備與土建基礎等設施的硬碰撞也能夠自動校核。2.2

12、 設計過程首先需建立變電工程的接線圖或原理圖，因為在Substation的軟件系統(tǒng)下，三維圖紙是以電氣主接線為原則設計的，同一個電氣設備在不同圖紙中都使用同一個設備編碼，具備同一個數(shù)據(jù)庫的源，這是基于數(shù)據(jù)庫管理三維模型的基礎，同時也是全壽命周期管理的關(guān)鍵點。電氣主接線的設計可以通過軟件提供的短路電流計算模塊輔助設計。然后，建立所有電氣及土建設備的三維模型，建模精度按照出圖的要求確定，一般在滿足精度要求的前提下避免過于復雜的模型。三維模型創(chuàng)建之后，要根據(jù)工程情況給每一個設備賦予特定的屬性值，這些屬性一般應涵蓋電氣設備的工程編碼及基本參數(shù)。其中，電氣主接線里同一個設備符號所對應的三維模型具有相同的

13、工程編碼；而設備參數(shù)則應至少包括設備型號、額定電壓、額定容量、額定電流、頻率、生產(chǎn)廠家等信息。為了便于標準化以及其他工程的調(diào)用，擴充設備屬性庫和設備模型庫是非常必要的。接著就是需要在三維空間布置所有電氣設備、場地、架構(gòu)、設備基礎、建筑物、電纜溝等實體，不同配電裝置的設備應分區(qū)域布置，這樣不僅符合設計習慣，也能夠避免單個文件容量過大的問題。所有區(qū)域的文件通過參考方式進行拼接。設備布置完畢后，可以使用自動掛導線工具進行三維導線掛接。電氣專業(yè)對全站進行防雷計算、接地計算、安全凈距校驗，與土建專業(yè)進行碰撞校驗等。工程應用情況3.1 項目背景第一個應用的項目是±660kV膠東換流站。寧東山東&

14、#177;660kV直流輸電示范工程是國家實施西電東送的重點項目之一，于2010年12月單極建成投運，2011年6月雙極建成投運。本工程作為我國±660kV直流電壓等級序列的第一回直流工程，在世界上尚無建設運行先例，工程的建設對于提升我國電網(wǎng)發(fā)展水平和設備裝備能力意義重大。設計是工程建設的“靈魂”，是工程建設的“龍頭”，為了保質(zhì)保量全面完成該項目勘測設計任務，創(chuàng)建精品工程，并配合業(yè)主數(shù)字化移交的要求，進行三維數(shù)字化設計是必不可少的。通過三家電力設計院的通力合作，±660kV膠東換流站工程最終圓滿完成了數(shù)字化移交工作，取得了顯著的成果。圖5 ±660kV膠東換流站三

15、維效果圖Fig.5 3D renderings of the ±660kV Jiaodong converter station第二個應用的項目是甘肅天水750kV變電站的投標及初步設計工作。該項目是處于西北高海拔地區(qū)的超高壓變電站，通過三維數(shù)字化設計，可以更直觀精準地進行高海拔空氣間隙的校驗，三維渲染效果圖以及漫游動畫均能為投標成果提供更高水準的展示，豐富了設計手段。圖6 天水750kV變電站三維效果圖Fig.6 3D renderings of the Tianshui 750kV substation3.2 項目總結(jié)通過以上項目的應用，我們獲得了一些經(jīng)驗：(1) 獲取詳盡的技術(shù)

16、資料是三維精細化設計的前提，只有輸入資料的絕對準確，才能保證三維設計的正確性。同時，這也是保證電氣距離校驗及碰撞校驗準確的依據(jù)。(2) 在Bentley的三維平臺下，所有專業(yè)人員可以共同高效工作，不再有繁瑣的提資和校核過程，提高了設計效率。(3) 三維模型宜按“專業(yè)組裝區(qū)域組裝總裝”的順序依次按照參考的方式組裝。(4) 設備屬性庫和設備模型庫的建立是三維設計最復雜繁瑣的工作過程。經(jīng)過工程的不斷積累，新建工程的工作可以更方便地進行典型化調(diào)用。(5)設備模型需要按一定的規(guī)則來編碼，這不僅可以適應Substation數(shù)據(jù)庫檢索的需要，同時也是進行數(shù)字化移交以及后期業(yè)主維護管理的關(guān)鍵。(6) 檢查電氣

17、設備的安全凈距以及與其他專業(yè)三維模型是否發(fā)生位置沖突（硬碰撞）需要一定的經(jīng)驗。分區(qū)域進行帶電距離校驗是保證檢查沒有遺漏的有效手段。而硬碰撞檢查應包括土建結(jié)構(gòu)或者建筑位置是否沖突；電纜橋架是否與鋼結(jié)構(gòu)、暖通管道沖突等。在檢查的過程中，可將設備的操作或者檢修空間實體化，并通過硬碰撞檢查確認其布置，如接地開關(guān)的動觸頭開合空間等。(7) 在項目使用過程中，各個設計終端的顏色和材質(zhì)庫需要統(tǒng)一，這會給三維彩色渲染效果圖的出具帶來極大便利。同時，Bentley Substation軟件還有一些需要適應設計需求進行完善改進的方面：(1) 多分裂導線的問題，目前Substation軟件還無法解決四分裂及以上導線

18、的掛接。另外，掛點具有不同高差及水平偏移的導線，軟件也無法完美解決。(2) 不具備全站自動帶電距離校驗功能，而只能通過關(guān)鍵點校驗。(3) 部分金具的建模及連接存在不完善的地方。4結(jié)論三維數(shù)字化設計具備高效、直觀、智能的特點，在適應變電工程日益復雜、設計周期短暫以及數(shù)字化移交等要求的同時，完善了設計師充分表達設計思想的手段，是促進項目更高質(zhì)量、更快速度完成的助推器，也是實現(xiàn)變電工程全壽命周期管理的有效工具。通過使用Bentley系列軟件進行三維數(shù)字化設計的嘗試，總結(jié)出該軟件在應用上的一些優(yōu)勢與不足，在變電設計數(shù)字化革命的浪潮中，設計師的水平與軟件本身都需要不斷的發(fā)展與提高，共同推動變電設計行業(yè)的技術(shù)進步。參考文獻：1 孫國凱，王亮，王劍委. 變電工程的三維化設計