文康
(四川电力设计咨询有限责任公司 四川 成都 610041)
摘要：随着计算机技术快速稳定发展，三维设计技术开始在变电站设计中得到应用。作为当前最先进的设计技术，相比传统的二维设计技术，三维设计技术在变电站设计中发挥中较为明显的优势，提高了变电站的设计质量。
三维设计不仅应停留在设计过程本身，对三维设计成果应用范围和深度更待挖掘。施工进度模拟和虚拟现实环境场景展示作为两种3D BIM模型的应用方向，其深化应用使设计过程体现了变电三维设计成果本身的包容性与多元化技术特性。随着变电工程项目中三维设计应用的广泛与完善，三维设计成果深化应用将有更广阔的空间。
关键词：三维设计；BIM；施工模拟；虚拟现实
引言
随着计算机技术快速稳定的发展，促进了越来越多的新兴技术在变电站设计中的应用。三维设计技术作为当前最为先进的设计技术，在变电站设计中发挥着较为明显的优势。尽管三维设计解决了传统二维设计存在的缺陷，提高了变电站设计的质量，但是三维设计成果应用范围和深度还有待拓展。
变电站三维模型作为建筑信息模型（Building Information Modeling, BIM），提升对BIM模型成果的应用深度，对其进行加载丰富的展示场景，不仅使专业人员更直接理解设计成果，更使非工程行业出身的业主单位人员、评标专家对施工方案的各种问题和情况一目了然，必将提升变电站三维设计的内在价值。
1 变电三维设计简述
1.1 变电三维设计定义
数字化三维变电站标准设计是以专家设计库为基础，以电网建设标准化设备为依托，结合实际工程需求特点，利用高性能计算机三维建模软件进行变电站整体规划设计，然后通过高端数学仿真计算软件结合专家库函数、电力系统规程规范要求校验核准设计结果，并提出修改、优化意见与方案，最终以三维直观模型、传统二维设计图纸、智能电网标准采购与管理接口文件等多种方式输出设计成果，满足各种工程成品输出要求，响应后续电网建设与运行管理的需求。
1.2 变电三维设计主要特点
开展多专业三维协同设计，搭建全站三维模型，进行智能主接线设计、三维智能布置、断面剖切提取、三维防雷接地、碰撞检查和电气距离校验、二次逻辑原理设计、智能建筑设计、全站漫游及施工进度模拟等，实现全站可视化、信息化、数字化。
建立数字化交付系统，集设计、施工、运行、维护为一体，具备向数字化系统移交数据和文档的条件，推动数字信息在项目全寿命周期中的顺畅流动，打破信息孤岛，并协助业主建立交付平台。
1.3 变电三维设计意义
通过变电工程数字化设计，将能够极大的提高变电站的设计质量、设计效率。可视化程度大大提高，检索难度大大降低。工程信息将由设计部门数字化移交给其他生产或管理部门。数据信息将贯穿设计、建设、运行、维护直到退役，多阶段、多环节、多部门共同维护和使用，支撑变电站全寿命周期的管理理念。
2 变电三维设计在4D施工进度模拟中的应用
2.1 4D施工模拟技术简述
在变电工程项目管理中，其施工进度管理一直是难点，因其受到内在因素诸如施工技术、施工工艺、人工、材料和机械等资源调配情况以及外在的因素如天气、管理水平和人员素质等的影响，使得建设工程经常出现工期拖延现象。
随着建筑施工动态管理日趋复杂，传统的进度管理方式已无法适应现代化建设的需要，基于BIM的施工进度模拟应运而生。4D施工模拟将进度相关的时间信息（如Project文件）和动态3D模型链接产生4D的施工进度模拟，即是用计算机软件建立3D模型并借助各种可视化的设备对项目进行虚拟描述，附加时间维度，通过WBS关联施工进度计划，将施工过程的每一个工作以可视化形象的建筑构件虚拟建造过程来显示。
与传统施工进度管理方法相比基于BIM的4D施工进度模拟具有以下特点：
（1）4D进度模拟能够直观地展示整个施工过程，从而为项目管理者提供三维可视化的平台，使施工过程可视管理化成为可能。
（2）实现了3D参数化模型与Project文件中数据的完全对接，从而保证了施工现场管理与施工进度在时间和空间上协调一致，有效地帮助项目管理者合理安排施工进度和施工场地布置，并且根据进度要求优化分配人、材、机等各种资源。
（3）4D进度模拟不但可以模拟整个项目的施工过程，还可以对复杂技术方案的施工过程和进度进行模拟，实现施工方案可视化交底，避免了由于语言文字和二维图纸交底引起的理解分歧和信息错漏等问题。
（4）通过这项技术的使用，提高了建筑信息的交流层次并且使参与各方沟通方便，降低了建设项目由于信息过载或信息流失所产生的影响，提升了建筑施工管理者的工作效率和管理能力，为大型建设项目的管理开创新途径和新方法提供了有力的支持。
基于4D施工模拟技术，模型化或动漫化施工方案，让非工程行业出身的业主领导、评标专家都对施工方案的各种问题和情况一目了然。
2.2 基于BIM软件的4D施工进度模拟
4D模拟是在制定的进度计划文件和3D BIM模型之间建立连接，并依据时间信息给定合理的装配次序使其在可视化环境中演示出来的过程。
BIM软件的4D施工模拟功能提供一系列高效的施工进度动画制作工具和逼真的施工机械，通过对施工进度最真实的动态模拟，达到优化施工进度计划，简化施工流程，最大限度节约工程成本的目的。其突出特点是具有常见不同格式接口，能实现同Revit软件实时同步交互，P6和Project等项目管理软件导出的进度计划文件能与3D BIM模型实现连接。
以国内某变电站3D BIM模型为例，将电气、土建等各专业的.rvt文件导入到BIM软件中加载显示。对不同构件分别设置施工进度计划甘特图。为了达到更好的效果，可以为构件的出现添加动画，设置任务类型以及播放时间等。至此，4D进度模拟创建完成。
图1 4D施工进度计划界面图
图2 4D施工进度模拟效果图
3 变电三维设计成果在虚拟现实场景中的应用
3.1 虚拟现实技术简述
虚拟现实技术（Virtual Reality, VR）是创设一种真实虚拟的环境，促使用户切实体会到模拟环境中的一些基本情况，为其创造一种辅助性的手段。虚拟现实技术能够实现比较良好的人际交互，从而能够运用到变电站的设计与运行管理过程中，达到理想的效果。
目前三维设计已经开始应用于变电站三维设计，对于变电站设备建模中出现的问题能够做到有效解决，从基础上为虚拟现实技术的运用提供了重要性基础。通过虚拟现实技术的建立与运用能够建立电力系统运行中所需要的虚拟化三维设备与建筑物模型技术，从而充分观察变电站的三维结构，对于电力系统设备运行过程中可能出现的一些问题进行及时分析，从而积极优化现有的结构设计。
3.2 基于BIMVR软件的三维设计成果虚拟现实场景展示
BIMVR软件能使用VR技术让BIM模型瞬间转化成包含模型数据的生动交互式三维动态场景，让所有项目参与方都能实现在虚拟现实系统中自由行走、任意观看、空间量测与属性查询等深度信息互动。
以国内某变电站3D BIM模型为例，将电气、土建等各专业的三维模型文件导入到BIM软件中加载显示，连接VR设备，使用操作手柄实现在虚拟现实环境中漫游。
图3 三维设计成果虚拟现实环境效果图
4 变电三维设计成果与三维测绘技术融合应用
4.1 倾斜摄影技术
倾斜摄影技术是国际摄影测量领域近十几年发展起来的一项高新技术，该技术通过从一个垂直、四个倾斜、五个不同的视角同步采集影像，获取到丰富的建筑物顶面及侧视的高分辨率纹理。它不仅能够真实地反映地物情况，高精度地获取物方纹理信息，还可通过先进的定位、融合、建模等技术，生成真实的三维模型。倾斜摄影模型与变电三维设计成果相叠加，有助于优化设计方案与提升三维设计展示效果。
图4 变电站三维模型与倾斜摄影模型叠加
4.2 三维激光点云技术
高精度三维激光点云数据为空间三维信息的获取与空间信息数字化发展提供了全新的技术手段。其工作原理是：首先由激光脉冲二极管发射激光脉冲信号，经过旋转棱镜射向目标，并同时通过步进电机改变激光束的角度；然后通过探测器，接收返回的激光脉冲信号，并由记录器记录，最后转换成能够直接识别处理的数据信息。
图5 激光雷达测量示意图
将变电站元数据与CCD相机采集的现场图片进行融合后得到彩色点云数据，其包含物体的尺寸、结构、材质等信息，使三维点云数据的场景具有较强真实感，为变电站点云数据的分类提供了有效依据，并可提高变电站三维建模的效率和准确性。理论分析和实验结果表明，利用基于机载激光雷达建立的变电站三维模型可实现变电设备的模拟测量和三维实景重构。
图6 变电站三维激光点云
5 结语
本文对变电三维设计成果的应用进行了探讨，介绍了三维设计成果在施工进度模拟和虚拟现实环境两种场景下的深化应用效果，体现了变电三维设计成果本身的包容性与多元化技术特性，三维设计成果的深化应用于成果本身相得益彰。
随着变电工程项目中三维设计应用的广泛与完善，三维设计成果深化应用在未来工程中的优越性、可行性和预见性不言而喻，三维设计成果深化应用将有更广阔的空间。
参考文献
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