基于BIM的变电站工程图形算量系统研究_屠庆波
第29卷第2期工程管理学报V ol. 29 No. 2 2015年04月Journal of Engineering Management Apr. 2015 基于BIM的变电站工程图形算量系统研究
屠庆波1，王霄燕2，曾大林3，4，纪凡荣4，刘宏志1
（1. 国网山东省电力公司经济技术研究院，山东济南 250021，E-mail：feiyuezhi@https://www.wendangku.net/doc/fb4289440.html,；
2. 山东送变电工程公司，山东济南 250001；
3. 同济大学经济与管理学院，上海 200092；
4. 山东建筑大学管理工程学院，山东济南 250101）
摘要：BIM技术在建筑行业的工程造价管理中逐渐发挥其作用，基于BIM技术的多方优势，利用其可视化、精确性特点可为电网工程技经方面提升工作效率。变电站工程造价存在二次算量及建筑、钢筋、安装造价无法集成等问题。利用MVC 模式的三维建模平台和同步算量技术支撑，提出了基于BIM的变电站工程图形算量系统。以变电站站区工程中常见的电缆沟及盖板和基础土方工程量计算为例阐述了主要技术的实现方式。
关键词：变电站工程；建筑信息模型；三维算量模型
中图分类号：TU17 文献标识码：A 文章编号：1674-8859（2015）02-111-05 DOI:10.13991/https://www.wendangku.net/doc/fb4289440.html,ki.jem.2015.02.022 Development and Research of Substation Engineering BIM Cost Software TU Qing-bo1，WANG Xiao-yan2，ZENG Da-lin3，4，JI Fan-rong4，LIU Hong-zhi1（1. State Grid Shandong Electric Power Company Economic & Technology Research Institute，Jinan 250021，China，E-mail：feiyuezhi@https://www.wendangku.net/doc/fb4289440.html,；2. Shandong Electrical Power Supply & Transformation Engineering Company，
Jinan 250001，China；3. School of Economics & Management，Tongji University，Shanghai 200092，China；
4. School of Management，Shandong Jianzhu University，Jinan 250101，China）
Abstract：BIM plays an important role in the project cost management of construction industry. Based on BIM technology，it is beneficial that using BIM technology will enhance the working efficiency of grid technology. At present substation project cost has problems in the aspects of quadratic computation and construction，reinforced，and small installation cost integration. Based on three-dimensional MVC modeling platform and synchronous support，BIM cost software and modular structure were put forward. The quantities calculation of cable channel and earthwork in substation project were selected for case study to illustrate the implementation of the proposed method.
Keywords：substation engineering；building information modeling；dimensional calculation model
变电站的建设在我国电力发展中占有重要地位，是促进国民经济发展、保障可靠电力供应的重要基础设施。根据某省调查分析，在变电站工程造价管理中，建安工程费的造价控制工作量占据着总工程造价工作量的50%左右。近年电网工程项目不断增多，建安工程费的造价工作模式始终制约着变电站工程的造价控制。在这种情形下，提高单位产能（工作效率）更易于业务瓶颈的解决，又利于人力及资源的节约，避免了单纯依靠增加人员来解决工作量繁多的问题。因此，变电站工程造价工作急需全方位引入信息化的手段打破业务瓶颈以提升电网技经工作的整体工作效率，迎合“精益、高效”电网工程造价管理的新目标。
BIM是近年来发展起来的新技术，它具有可视化、协调性、模拟性、优化性等特点，已经应用到建筑业的各个环节。其在工程造价管理中的应用得到了较广泛的研究和探讨[1，2]，BIM在变电工程设计、施工及移交等环节已经得到应用，如500kV静
收稿日期：2015-02-17．
基金项目：国家自然科学基金项目（71472139）．
?112?工程管理学报第29卷
安（世博）地下变电站项目[3]、沙洲750kV项目[4]、永定河220kV[5]等项目都采用了BIM技术。在一般的民用建筑工程的造价管理中，BIM技术已经得到了全面应用。但在变电站工程造价工作中，还没有全面应用BIM技术，现有BIM技术通过分建筑物或构筑物单独显示与计算、分建筑、钢筋、小安装专业单独运用及各专业形成结果后通过手工汇总形成整体计算文件的方式实现计算，不能有效的整体体现变电站项目的全貌，通过零散的运用间接完成实际运用，效果不够明显，无法形成符合《电网工程建设预算编制与计算规定》的成果。同时，根据国家电网基建技经〔2011〕188号）关于印发《国家电网公司输变电工程工程量管理规定》通知的要求，开展变电站工程在招投标、施工图预算、施工、竣工结算、工程审计全生命期等方面的造价研究，将图形算量优势与变电站工程的特点相结合，开发电网工程电算化应用体系有望满足不断扩充的电力工程造价市场需求。
基于BIM的变电站工程图形算量系统将借助民用建筑图形算量的核心技术，结合电网工程的特点、管理流程、标准化要求等开发适用于电网工程的图形算量辅助系统，通过推广使用，实现从手工算量或半电子算量到电子算量的过渡，提高电网工程项目的算量精度和速度，配合电网工程日常业务管理流程，提升电网工程算量的工作效率。
1 输变电工程算量的现状分析
随着国家投资力度的不断加大，电网工程投资规模的逐年扩大，与之相对应的则是基建技经管理难度的不断增大。“精益、高效”已成为电网工程技经管理工作的重点，追求精确化、电算化的工作目标也成为电网工程技经工作模式变革突破点[6，7]。从工程算量的角度分析，当前输变电工程算量主要存在以下问题：
（1）工程二次算量问题。输变电清单计价规范的推行存在难度。为使定额计价向清单计价平稳过渡，满足不同设计深度下招标工作的组织，2011版的输变电工程量清单计价规范变电部分（Q/GDW593.1-2011）提出了两级招标工程量的概念：一级工程量的计算规则为清单规则，二级工程量的计算规则为2010版定额计算规则。因此，针对一项输变电工程，业主需要组织初设、施工、竣工三次算量，施工方需要组织投标、分包工程算量，不同参与方在工程算量与价格套用方面存在工作重复问题。
（2）造价算量模式问题。目前绝大部分人员仍采用手工计算或使用Excel和CAD辅助手工算量，并没有将BIM方面的工程造价软件大规模应用于电力工程。因而，工程造价算量模式没有改变，工作效率得不到有效提高。然而，随着输变电工程投资逐步增加，项目数量及规模不断扩充，使得工程量计算量不断增大，概预算编制人员、结算审核人员的工作方式越来越难适应新的环境，造价控制难以明晰执行等问题。
2 建立基于BIM的三维算量模型
采用二维CAD设计图纸转换输出三维BIM模型的建模技术，结合电网工程站区多体模型专业项目划分的特点，形成以专业划分为系统架构的电网工程变电站仿真模拟BIM模型，并以BIM为载体采用真三维解图计算创新技术，精确计算并规范输出电网工程基建技经基础数据，形成以BIM为基础的电网工程基建技经工作管理平台，方便各环节技经人员之间的沟通、交流、协作，从而提高电网工程基建技经工作的效率及质量。
2.1构建变电站工程算量整体模型
以变电建筑工程项目划分表为系统架构，建立变电站工程算量整体模型。突破单一单位工程为建模对象的思路，以变电站场区工程为整体建模对象，将预规和清单计价规范的项目划分概念引入算量软件，明确项目划分，清晰工程算量思路。通过对变电站站区工程特点的分析，将预规和清单计价规范的结构划分内置软件，根据实际工程情况选择单位工程设置，通过大小轴网的定义来完成建筑物或构筑物的定位和建模的准备。
2.2变电工程三维算量模型
以多专业、多样化的融合建模方式，实现设计二维图纸向三维算量模型转换[8]。系统采用土建、钢筋、小安装整合建模，专业模块在系统中采用插件式调用的方式。建筑物采用CAD图纸识别功能直接导入到算量系统中形成三维算量模型，专业构件采用参数化设置、点线面绘制的方式快速建模，整体提升变电工程建模效率。
开发检索复杂度为Sqrt（n）的三维Box索引算法，计算精度高，同时提供构件的详细计算公式并实现手算辅助对比，同时与三维扣减的模型计算图直接对应对比，做到计算过程与传统计算业务相符，很好地辅助业务人员由传统模式向电算模式过
第2期屠庆波，等：基于BIM的变电站工程图形算量系统研究?113?
渡，提高模型相交检测的速度与精度，解决曲面求
交算量扣减问题。相交扣减效果如图1所示。
图1 曲面求交
2.3融合多种工程量计算规则
现有技术实现了一、二级清单工程量的分别计
算，但没有实现同步计算，同时一、二级清单结果
不能分级对应只能通过人为对应的结果，工作效率
没有得到有效提升。为解决二级算量问题，基于
BIM的变电站工程图形算量系统采用了一图多算
模式。可以从根本上解决这一问题，只需一次建模，
形成的图形可在不同的计算规则之间、在不同的专
业之间重复使用，最终形成电网工程需要的工程量
文件。
将与电网工程造价相关的电力建设工程概算定
额计算规则、电力建设工程预算定额计算规则、输
变电工程工程量清单计价规范（Q/GDW593.1-
2011）计算规则、民用建筑消耗量计算规则通过编
辑内置软件，系统用户根据不同的业务需求对规则
进行调用，还可利用已完成的算量模型进行规则的
灵活转换，获取不同需求的预算成果文件，充分满
足施工、设计、咨询单位一模多算的业务需求，极
大地减轻从业人员的劳动强度，提高工效。
2.4电力工程BIM算量模型架构
该系统采用电力概、预算定额2006计算规则、
国网输变电2010清单计算规则、03G101、11G平
法图集等、预留电力新清单计算规则，对电压等级
35kV-500kV新建、扩建工程的工程量计算业务，
其功能模块包括站区管理模块、协作模块、建模模
块、模型模块、显示模块和基础技术模块。如图2
所示。
（1）站区管理模块。用于建立变电站工程项
目三维算量模型文件，利用项目划分将变电站工程
分为不同单位工程，利用专业划分将单位工程分为
不同专业工程，通过协作模块将所有专业工程中三
维算量模型整合到站区总模型中。
（2）协作模块。用于在所述专业工程和站区
管理模块之间建立进程通信，相互配合协作共同完
图2 算量模型
成变电站工程站区总模型的构造。该模块实现了不
同人员协同工作。
（3）建模模块。用于提供交互式建模机制及
建模手段，通过CAD建模方式或者绘制建模方式
构造和显示电网工程三维算量模型。
（4）模型模块。用于封装常见的构件模型对
象，存储模型相关数据，构造几何算量模型。
（5）显示模块。用于采用二维方式或三维方
式显示算量模型。二维显示模块用于从俯视的角度
进行观察，以平面的方式显示算量模型，方便绘制
模型及修改模型。三维显示模块用于从不同的角度
（系统提供西南、东南、西北、东北等轴侧）动态
观察，以立体的方式显示算量模型。
（6）基础技术模块。用于为构造三维算量模
型，显示三维算量模型提供技术支撑。
2.5模型的业务应用流程
结合电网工程初步设计图纸的特点、电力建设
工程清单计价规范（2011）、《电网工程建设预算编
制与计算标准》（2013年版）、电力工程概、预算定
额，同时配合电网工程典型设计及典型方案，提出
变电站工程图形算量模型的业务应用实现流程（见
图3）。
同时考虑电网工程施工图设计深度的特点，预
算、清单工程量的整合计算，一模多算，数据有效
传递；建筑、钢筋、小安装工程量计算的整体考虑，
整体实现；打通辅助设计数据流，能导入设计文件
辅助建模，施工图工程量数据积累后指导初设指标
量的形成。
3应用案例
针对变电站建设工程业务特性通过三维建模
算量技术解决工程量计算问题，以站区工程中常见
的电缆沟及盖板和基础土方工程量计算为例阐述
主要技术的实现方式、算量个点及该系统优越性。
?114? 工 程 管 理 学 报 第29卷
图3 模型的业务应用流程
3.1 三维建模和扣减算法的实现
通过分析变电站工程电缆沟的业务特点，总结出常见电缆沟大约包含5种类型，每种电缆沟相交形式分L 型、十型、T 型，该系统能通过增加参数图的形式实现构建电缆沟模型，并且结合施工图纸设计要求，仿真施工现场的造型。
软件的操作流程为：新建构件；绘制图元；汇总计算。
建成的模型包含电缆沟组成的构件及盖板，如图4所示。
图4 站区电缆沟及盖板算量模型
从技术实现上，电缆沟建模技术主要采用了多种计算几何和三维造型算法。电缆沟是一种有宽度、有高度的线性图元，并且有多种相交形式，一般情况下在相交处会有重叠和缺口，线型拉通算法能够以角平分的方式消除重叠，自动补齐缺口。电缆沟由底板、侧壁、压顶等构件组合而成，在业务上还有拐角、末端堵头等情况，因此三维造型非常复杂。系统几何算法库提供了拉伸体，扫掠体，旋转体等多种造型建模算法，结合三维布尔运算能构造出任何复杂三维体，建成的模型使用B-Rep 或者多面体的方式保存三维数据。
该系统能实现电缆沟盖板智能布置算法。在T 型、十字型和拐角等相交处，能自动计算出异型盖板的尺寸，确定每块盖板的插入点和旋转角度，在相交处精确布置。当选择多个电缆沟按照中心线布置时，可以根据线的长度自动裁剪盖板尺寸，然后逐块精确地布置到电缆沟上。
以此技术路线进行拓展，逐步实现了具有电网特色的设备基础、场区道路、场区给排水等类似构件算量模型的建立，最终全面解决了变电站构筑物及建筑物的建模问题。如图5所示。
图5 特色构件算量模型
3.2 一图多算的实现
电网工程的土方工程量计算在电力概算、预算、清单计价中均有不同的计算规则，且规则差异相对较大。以主变压器基础土方工程量计算为例，一级清单计算规则计算挖方体积不考虑放坡情况下挖土方的工程量，二级清单计算规则计算挖方体积时则考虑放坡和工作面的土方工程量，针对不同的计算规则，其他造价软件很难实现一图多算。该系统则解决了此类问题，通过一图多算的方式满足了电网工程一、二级清单的不同计算要求，通过快速切换规则就能输出不同的算量数据，极大提升了电网技经人员的工作效率。
软件的操作流程为：新建设备基础构件；绘制设备基础图元；自动生成土方；汇总计算。
第2期 屠庆波，等：基于BIM 的变电站工程图形算量系统研究 ?115?
通过软件计算一、二级清单工程量，如图6、图7所示。
图6 一级清单计算工程量
图7 二级清单计算工程量
软件的计算结果可以通过手工计算得到验证，如表1所示。
表1 两级清单工程量手工计算验证
项目
计算规则
计算公式及结果
坑槽 土方 施工 一级 清单 按照挖掘线自然密实体积计算工程量。按基础垫层底面积乘以挖去深度。开挖面积为基础
（坑、槽）垫层底面积（无垫层者为基础（坑、槽）底面积），挖土深度为室外设计标高至基础垫层底标高，基础无垫层至基础底标高
长*宽*挖土深度长
1.8*1.8*0.3=0.972 二级 清单 需放坡时按表1-3系数计算，工作面施组无设计时按表1-4
计算，需支挡土板时，需加工作面
（工作面暂定0.3、放坡系数暂定1：0.33）
（底面积+顶面积+中截面积*4）*挖土深度/6
（2.4*2.4+2.598*2.598+2.499*2.499*4）*0.3/6=1.8745
以此技术路线进行延伸，算量模型的唯一、计算规则的多样，并且灵活的转换，满足了不同类型用户的需求。工程量计算结果可以在定额计价和清单计价间选择，也可以在概算和预算中切换展现，还可以跨行业实现民用建筑计算规则结果的呈现。
4 结语
本分析了变电站工程造价的行业特点及算量计价中存在的问题，提出了解决方式，通过变电站工程BIM 算量模型系统，实现了工程算量的可视化分析，提高了变电工程概算、预算、结算及审核数据的精确性，并通过实际工程案例验证所提方法的合理性。同时，该模型的提出将有助于推动电网工程造价管理的电算化进程，服务于电网工程造价的高效化、精细化、标准化管理。然而，针对BIM 模式下的变电站工程图形算量问题，还需不断进行拓展研究，如实现变电工程的量价联合计算，如何实现2D 图纸到三维算量模型的自动计算，如何拓展到输变电工程甚至电网工程全面造价管理等问题，以及如何基于三维模型进行数字化的工程管理，仍需要后续开发研究。
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屠庆波（1980-），男，学士，高级经济师，研究方向：电网工程技术经济；
王霄燕（1981-），女，学士，经济师，研究方向：电网工程技术经济；
曾大林（1981-），男，博士，研究方向：工程管理； 纪凡荣（1979-），男，博士，副教授，研究方向：工程管理；
刘宏志（1986-），男，硕士，研究方向：电力工程经济。