【案例研究】BIM 在電力工程中的管理應用

如果你跟別人提起 BIM，他們腦袋裡跳出來的可能是房屋的 3D 電腦模型和藏在牆內複雜的機電管線。但 BIM 的使用帶來了一個全新的視角：用於計畫各種改建、翻新和保護專案，或者計畫與既有建築關聯的新建專案。長期以來，變電站工程的電纜從設計、施工、運行直到改建和擴建的管理一直存在著相關資訊不完備和不正確的問題。

用 BIM 實現變電站工程電纜全生命週期管理：以國家電網上海電力公司青浦平朝樓 110KV 智慧變電站的電纜管理模型為原型
設計階段由於電氣和土建專業分別出圖，造成了圖紙不具備纜線走向資訊和正確敷設的要求，而施工單位在安裝時的安裝資訊在交接時由於沒有相關記錄又被流失。運行期間這些線纜由於種種原因不可避免地會發生變動，且大部分沒有記錄，即使有也很難被找到和相信，以致於在變電站擴建或者改造時不論是設計還是施工人員都為此而困擾，造成了不少停電事故。
概述
用 BIM 管理變電站電纜的優勢在於為設計提供一個平台，可以方便地將變電站的建築設計和電氣控制設備的電纜佈線方案在這個平台上對接，預先發現可能會發生的碰撞，等於在虛擬空間模擬預先安裝，就可以避免變電站電纜在現實安裝時經常出現的邊施工邊修改設計的狀況。
在施工階段，施工單位根據從 BIM 獲取的安裝資訊，對電纜材料從採購到施工實施精確的管理和控制。應用 RFID 技術將電纜吊牌數位化，可以就地將安裝資訊記錄在吊牌內，數位化後的吊牌不但記錄了線纜自身的資訊，而且 BIM 還預置了吊牌與吊牌相互之間的關聯資訊。在驗收階段，可以通過群讀吊牌，檢查關聯資訊，發現安裝錯誤。同樣，在變電站投運後，如果發生隨意改變吊牌位置的情況，關聯資訊就會發生衝突，從而被發現。這就是 BIM 定義的動態全生命週期管理的技術保證。實現了對線纜投運後資訊變化的控制。BIM 還可以通過 RFID 技術將觸角延伸到現場的每個角落，變電站電纜工程的所有利益相關方可以每時每刻依靠和相信它，可以說這是個完整的符合 BIM 標準的解決方案。

如何用 BIM 的概念和方法建模
開始設計階段
要解決問題，第一歩是設計模型，模型反映的資訊包括：線纜的起始和終點、長度、規格、走向和接入資訊，而這些資訊分別由電氣和土建設計者輸入。從一開始設計就遵循智慧化中資訊數位化的原則。將它的雛型建成一個 3D 數位資料庫模型，即為 BIM。
設計線纜數位模型
新的軟體摒棄了傳統 CAD 用點、線、符號等簡單元素表示某元件的理念，而採用物件導向的資料表達形式來描述變電站的每一個組成部分。例如，不再用平行的線段表示電纜，而是在設計工具中創建一個電纜類的實例，每個實例都有它的屬性，包括位置、尺寸、組成和型號等。這樣的模型承載的資訊比平面圖加電纜清冊要豐富得多得多，更適合用類似像 RFID 技術將模型向外延伸到現場使其更方便被識別與處理。同樣建築內的電氣設備、橋架溝槽和電纜豎井不同軟體處理的資訊都可以按 IFC 標準在 BIM 伺服器中整合。線纜的物理資訊模型一旦創建完成，其資料不但可以得到重複利用和更新，而且在變電站生命週期內工程建設參與者不但可以方便快捷地讀取需要的資訊，而且當任何一方將部分資訊修改後，其他各方將自動更新修改內容。
碰撞檢查
由於用了 BIM 就可以將電氣安裝和土建圖紙在伺服器中進行預裝，從而通過模型預先安裝獲取電纜敷設的碰撞報告，主要消除線纜之間交叉敷設的問題。接著，優化線纜走向和路徑，以避免井口擁堵，這兩種碰撞都屬於間隙碰撞。再與電纜橋架整合，消除橋架標高不准引起的硬碰撞。
定義路徑
當我們用 3D 模型優化完了電纜設計後，接下來就要對優化好的路徑來命名。所謂路徑它包括：起點、終點、橋架、豎井和地溝，其中起點和終點可以直接用所在的電氣設備來命名，比如：1# 電容器櫃等。但是，對於橋架這樣有跨度的走廊設備，我們需要分段命名，它同房屋的命名原則是相似的，除了路名還得有門牌。一個門牌這裡叫一個位置，那麼怎樣的一段路徑算一個位置呢？一個位置要俱備兩個要素：首先它那裡要有電纜經過；其次經過的電纜從頭到尾是一樣的。因為「位置」是為了用電纜資訊建模而定義的，電纜路徑中的位置屬性是按照其所通過的電纜資訊的捆綁方式來的。
換句話說，電纜路徑是指電纜的通道及其支撐物包括起點和終點。然而，對於電纜模型而言，必需要區分出同一個橋架上其中某兩段上面承載的電纜在數量和電纜編號不同，數量或者編號不同對我們來說它們的屬性就不同，所以就需要分別命名。事實上，這個名稱的地理意義就是變電站內的不同的位置。如果我們將位置資訊和它對應的電纜資訊建立一個固定關聯，就叫做資訊綁定。就好比我們用帶子將這一組電纜在這個位置綁定起來一樣。
藉著設計模型用位置資訊描述電纜的走向資訊和敷設要求，即清晰又簡單，對於一條電纜而言可以用 RFID 資訊吊牌記錄電纜經過的所有位置資訊，其在關鍵位置上的吊牌不但記錄了本位置資訊而還有前後兩個位置的指向。一則提高了資訊的雍餘度，再則又起到了敷設或拆除電纜時的引導作用。這個位置的概念對進一步用 RFID 技術現場建模非常重要，它不但是規定敷設要求的重要資訊，而且是反映電纜走向發生變化的重要手段。在設計階段通過用 BIM 就可以獲取或生成位置資訊了。
獲得電纜清冊
現在 BIM 通過數位物理模型可以向 RFID 現場資料庫提供電纜清冊，這裡把這個叫 BIM 清冊，與傳統清冊形式相同，也是一個 Excel 檔，而不同的是其中的內容，比如電纜長度，傳統清冊中是估算值，與實際發生值的誤差在 30% 到50%。而 BIM 清冊可以精確到 5% 到 10%。再有，傳統清冊中加入了諸如位置這樣的走向資訊，這些資訊對安裝施工是很有幫助的，可以大量節省電纜和人工，使得整個採購和敷設過程更加精細可控。
獲得由 BIM 提供的電纜清冊是一個重要的里程碑，它是 BIM 在現場建模的最重要的依據。首先，相對傳統的電纜清冊它提供的資訊相當豐富，RFID 現場資料庫就是根據清冊計算出線纜吊牌和位置標籤數量和相互間的資訊關聯，再生成「吊牌資訊清單」和製作吊牌的任務單。
進入施工階段
現場的電纜資訊模型的核心是建立在電纜清冊基礎上的，線纜吊牌和位置標籤管理資料庫是根據吊牌資訊清單來驅動寫卡器和印表機生成吊牌和標籤的，為了現場掛裝方便，要按照位置標籤和對應的線纜吊牌來分別包裝。施工現場數量最多的東西可能就是是 RFID 標籤和吊牌了。
當第一批卡開始製作前，伺服器上的頁面就要可供訪問，定期發佈任務佈置和完成的情況，同時開放的讓施工人員可以即時地與相關各方溝通，這種溝通是全方位的。
RFID 吊牌標籤系統
RFID 是一種將電纜吊牌資訊數位化的方法，從外表看和傳統吊牌是一模一樣，但是帶有晶片，晶片中除了原來的資訊外還寫入了位置、路徑和排列資訊。位置是該標籤的安裝地點，路徑是指線纜途經的位置的集合，而排列資訊是安裝時該電纜與其它電纜的相對位置。
安裝人員被要求帶著讀寫系統作業，當一個位置相應的吊牌安裝完後，系統提示作業者用讀卡器自檢，並錄入排列資訊，同時自動地記錄了作業者的 ID。這些將在收工時上載到現場服務器，可供日後使用，例如改建設計者可以不到現場就瞭解某根線纜在某屏櫃的情況，又例如發現安裝品質問題時，可以追溯到具體的安裝人員和時間等相關資訊。
RFID 標籤與傳統吊牌相比最大的優點就在於可以不接觸地識別與讀寫，這不單單是效率問題，更重要的是可以立刻讀到這群吊牌它們相互之間的關係，而這些關係的正當性可以用終端軟體判別，承載的資訊也可以反覆修改和更新，也就是它可以隨著變化而變化。

圖片來源 | Hellermann Tyton 網站現場資訊資料庫
BIM 通過現場資訊資料庫與 RFID 標籤資訊建立了一個鏡像關係，而現場資料庫則通過 RFID 系統來實現 BIM 在現場的延伸。現場根據設計的電纜清冊建立的資料庫是一個關聯式管理資料庫，按照線纜和位置這兩個維度將相關資訊相互關聯。然而，工作流程則根據從施工運行一直到退役等不同階段內各參與方可能對線纜資訊的影響，變更或者控制來設計的。
前面講的大多是對於資訊的管理，下列介紹現場資料庫參與變電站運行和檢修管理的流程。首先它可以用於巡檢，不言而喻，沒有增加工作量巡視過程便已經將電纜是否發生異常檢查了一遍，可謂一箭雙雕。這種週期性滾動式的檢查對 BIM 來講是一種有效率的資訊維護手段。其次，變電站設備檢修時，運行人員可以從資料庫下載相應設備的線纜向其它設備的延伸情況，比如和母差保護或自切裝置是否有聯繫，從而許可作業範圍，做好安全措施。