■张倩

中铁工程设计咨询集团有限公司建筑院

传统的建筑电气设计从“甩开图板”到“电子绘图”经历了设计时代的一个巨大变迁，CAD辅助设计的应用比手动纸板绘图极大的提高了设计质量和设计效率，但随着对工程质量的要求不断提高，二维图纸已经无法满足当前工程设计的要求，三维设计的重要性日益凸现：在空间设计中时时看到设计效果，与其他专业相配合，及时对碰撞设计进行修改。BIM技术的应运而生，能够不断的完善建筑各系统的模型，直观的从3D角度实现工程设计的可视化，协同化，模拟性、优化性、可出图性。

1 BIM的概念及在电气设计中的应用

1.1 BIM的概念

BIM(Building Information Modeling)中文直译为“建筑信息模型”，是结合工程实际参数，在计算机环境中，构建三维仿真数字模拟建筑模型，模型内容包含工程建设的规划、设计、建造和运营等阶段，模型有效使用期间可覆盖工程建设的整个生命周期。微观角度来看，BIM技术可集成并可视化工程的各专业(建筑、结构、给排水、暖通、电气)，并仿真模拟各专业协同工作机制，宏观上，在铁路设计领域，BIM技术可以保证全线各专业均基于统一的线路里程进行工作，后期可以在总装模型中直观的查看全线任意建筑的里程点，确保全线各专业的可视化，协同性，给后期的运营带来极大的便利。

1.2 BIM技术在电气设计中的应用

BIM技术在电气设计中的应用主要体现在以下几个方面：变电所设计、动力配电系统、照明系统、火灾自动报警系统、建筑设备监控系统及其他弱电系统的设计。电气设计中，常用BIM技术的协同功能进行正向设计，设计资料向下序专业提资，并向上序专业传递，提资条件不同，配电系统各项参数将自动发生变化，避免二维设计中的手动修改带来的修改不全，或者漏提资带来的错误，此协同功能，大大的提高的设计的效率及图纸的准确率。在照明系统中，可以预先根据规范要求，合理布置效用达标的灯具，该模型下，具备照度检验功能，同时可以选定相应区域生成照度计算曲线，伪色图等。在火灾自动报警系统中，软件可以根据探测器的保护范围自动确定每个区域的探头数量，同时还可以反向根据探头布置来计算是否满足保护范围的要求。在碰撞检查中，首先可以先在电气专业内部将强电、弱电、消防桥架进行碰撞检查，根据三围模型，对碰撞点进行调整，这些碰撞检查，都是传统二维绘图中无法实现的。下面，结合实际项目详细分析验证BIM技术在电气设计应用中的优越性及不足。

2 京张站房BIM电气设计

2.1 项目概况

京张城际铁路(京张高铁)的道床材料为散粒碎石，抗高冷缩和抗大风沙能力较强，是世界上第一条有砟抗高寒和抗大风沙，且设计时速达到350km/h的铁路。该工程正线共设10个车站，全线长约174公里，该项目预计2019年通车，设计目标:连接北京、延庆、张家口三地的交通网络，缩短三地往来时间，完善以北京为枢纽的轨道交通网，并为2022年冬奥会的举行提供有轨铁路客货运载保障，缩短北京到张家口时间，此外还可以将首都人力和资产资源的影响力向张家口方向延伸发挥地理枢纽对周边地区经济、科研、社会等的带动性作用。

本文结合京张高铁清河站，具体讲述BIM技术在铁路站房电气设计中的实际应用。清河站包含铁路站房、铁路配套及地铁换乘等，属于交通枢纽，建筑规模14.5W平米。本次设计的最终成果，不仅需要建立包括建筑、结构、设备、电气在内的全专业三维模型，还需要生成满足施工需要深度的二维图纸。三维模型需要满足铁总400的绘图精度要求，在本次设计中，涉及电气专业的工程活动主要是有变电所、照明、动力配线、弱电、消防等系统配置，以及对典型空间加载照度计算、渲染等，在管线排布设计方面，要根据建筑结构的情况，进行具体的综合排布，展现出实际施工完成后的状态，完成最终电气设计模型

2.2 BIM设计的前期准备工作

BIM核心软件主要是包括:①Revit系列软件(Autodesk公司)；②Bentley系列软件(Bentley公司)；③ArchiCAD软件(Graphisoft公司);④DigitalProject软件(Dassault公司)。本文以Bentley公司的Bentley系列软件为例，研究了BIM技术在应用于京张站房电气设计的程序、特点、优缺点，由分析该技术设计的前期准备工作、设计技巧与要点、管线碰撞等来实现。

2.2.1 工作方式的选择

本项目各专业单独建立设计模型，通过互相参照的方式来达到协同设计，此种方式，要比为各专业分别独立建立相关模型，最后统协比照，对计算机配置和网络环境的要求较低，本次模型设计的工作模式采用本专业中心文件+参照其它专业中心文件来进行。由于现阶段铁总的结构拆分标准中，对站房的电力专业没有明确的拆分标准，本次设计按电气系统进行工作结构的拆分，电气专业划分为变电所、动力配电、照明、火灾自动报警、建筑设备监控等几部分。结构相当于工作集，作为Bentley软件中的一个新生的权限概念，他可以实现多个具备资格的人共同在同一模型内工作，设定一人为管理员，对整个电力系统进行管理和设定，其他人仅可以对自己有权限的工作进行操作，避免随意操作对项目产生破坏的影响，当有必要更改指令或调校参数时，可借用管理员权限，或是模拟建立新的结构单元。电气专业的工作集协同示意图如图1所示。

2.2.2 统一命名规则

设计前应统一命名规则、统一建模规则。电气元素参数规则应满足分类编码标准。

设计前，编制统一的IFD编码，约束电气元素的参数、编码，几何属性、非集合属性等，不同的设计人均应使用统一的编码，便于模型的输出。

2.2.3 构件库的准备

构件库的准备工作作为项目构成的基础，是Bentley软件运行的基础活动之一，但Bentley软件中的电气构件的标准参数为美标，与国内制图所用的标准参数存在差异，再加上该软件构件库式样种类较少，无法全面支持本项目所需，因而在项目开始前，要先制作符合本次项目要求的电气构件库文件。电气构建库构件有电气设备、电气桥架、电管、导线、标注等，各构件表征在平面图中要符合我国制图标准，应用于三维模型中，要紧贴实际工程样貌，且具备尺寸、性能、负荷类型、光源参数等参数设定。本次模型搭建中所需使用的构件类型数量较多，参数设定贯彻到模型搭建和应用的整个生命周期，例如电气计算、系统创建、模型效果的渲染等，因而应做好充分的准备工作。站房中使用到的部分异形灯具的曲面，还需要运用编程来实现3D建模。

2.3 京张铁路站房BIM设计

京张铁路清河站中的电气专业应用:①变电所;②动力配电系统;③照明系统;④火灾自动报警系统;⑤建筑设备监控系统等。

图1 工作集示意图

2.3.1 变电所

应用Substation变电所软件进行变电所设备的布置，绘制供电简图，运用软件进行短路电流计算，快速创建主接线原理接线图，创建3D变电所设备布置图。二维原理图上的设备参数和三维布置图的参数实时共享，并可以相互导航。如果二维原理图的设计发生了更改，则可以刷新数据库信息，三维布置图自动进行更改。变电所布置图如图2所示。

图2 变电所设备布置图

在项目的应用中发现软件自带的电缆工程量统计，只包含电缆的接头损耗，并不含电缆在桥架中的弯曲度，实际应用中还应该考虑此问题。

2.3.2 动力及照明系统

应用Bentley Building Electrical Systems（简称ABD Electrical）进行照明等系统的设计工作。

系统可快速布置灯具。可导入建筑房间信息进行照度计算，并根据计算结果自动布置灯具；也可手动布置灯具，可以根据房间的尺寸、形状选择利用点布置方式、阵列方式、沿门开关等多种方式布置灯具。在一些设备用房，根据设备的位置、高度，可以设定灯具吊杆的长度。

ABD ELECTRICAL可将房间信息导入到主流的照度计算软件Dialux ，Relux 中进行逐点照度计算，可计算眩光值，可统计材料，可输出计算结果，并返回到ABD ELECTRICAL进行灯具布置。同事可以进行照度计算、生成照度曲线图，伪色图等，可对灯具布置进行反验算。

2.3.3 火灾自动报警系统

应用上述软件可方便快捷的进行火灾、报警布置，可计算烟感、温感探测范围；也可根据烟感、温感探测范围自动布置；可自动生成火灾、报警系统图，也可进行材料统计。但生成的报警系统图不符合标准的出图深度，需要增加标注等内容。

其他系统的设计与上述系统类似，再此不一一赘述。

2.3.4 系统图

强弱电干线系统图、配电箱系统图等的绘制，使用二维平面绘制相较于Benley软件构建的三维立体模型，更具示意性，Benley软件暂时不支持该类示意性图纸绘制。Benley软件的配电箱系统（包括强电和弱电）是用配电盘明细表来表示的。虽然配电盘明细表，可以进行三相平衡计等，可以描述配电盘的个体信息、进行复核计算等，但配电盘明细表不符合二维图纸的出图要求，不方便现场施工，故电气设计的系统图仍需要人工手动深化调整。

2.3.5 碰撞检查

碰撞检查是BIM技术中关于各组成单元协同工作的冲突性检查，能有效的检验各专业或不同专业间的协同性。在电气专业中的管线冲突检查中，可以凭依该系统的碰撞检查功能，对两个设备间的管线进行测试检查，以期对管线冲突位置进行发现和显示，最终解决问题。碰撞检查的覆盖范围可分为两种，即模型内检查和多模型综合检查，前者可使用Benley软件自带的碰撞检查功能，而多模型综合检查较为复杂，一般是针对工程较大，且计算机配置较低，需要多模建立来反应工程实际的情况，如清河站，因为建筑体量很大，将整个建筑拆分为三部分进行建模，检查方式可使用Project wise Navigator软件(BIM碰撞检查专用软件)。碰撞检查调整前如图3所示，碰撞检测调整后如图4所示。

图 3 碰撞检查调整前

图 4 碰撞检查调整后

3 BIM技术在铁路站房电气设计中的优势

通过结合京张站房清河站的设计实例，BIM技术与传统二维电气设计相比，有以下的优势。

3.1 BIM技术与传统二维电气设计在铁路站房项目中应用流程的区别

3.1.1 铁路站房项目传统电气设计流程

铁路站房项目的传统电气设计流程图，如图5所示。电气设计需要依托于建筑提资，按照计表逐步开展设计，建筑方案评审阶段，电气专业将本专业所需设备用房，管线路径提资给建筑建筑；建筑专业开放平面后，设备、通信、信息、广告、商业等各专业给电专业提资，电气专业开始进行二维图纸的设计，在设计的过程中，电气专业还会给建筑、结构等专业进行预埋，开洞等反提资。二维图纸设计完成后，进行复核，审定，图纸送审等相关工作。

从上述设计流程图可以看出，传统电气设计大致包括设计准备、设计、审核、交付、归档等几个大的阶段。电气专业与其他专业的配合主要在设计准备、设计两个主要阶段，这两个阶段主要通过互相提资的方式来将相关信息传递给下序专业，保障模型搭建的逻辑过程中，信息的全面、可靠、详实。

资料互提方式是定期按照计表节点，通过互提资料单，完成数据、参数等信息的传递，这种传统的提资方式不具备实时性，容易造成各专业图纸表达不一致的问题。

图5 铁路站房项目传统电气设计流程

通过对传统电气设计设计流程的分析，可以看出传统电气设计存在以下不足：

（1）二维图纸在表征各专业时，存在数据关联性不强的特点，因而在平面设计时，易出现数据、参数等信息不对称现象，这会导致各专业之间的图纸不一致，甚至彼此之间的建筑平面也有不一致的可能性，施工过程中，需要与施工方不断的进行施工配合。

（2）各专业在互提资料后，进行独立的专业设计，各专业之间缺乏联系，及容易造成各专业之间的碰撞冲突问题。

3.1.2 基于BIM的铁路站房电气设计流程

在应用BIM的设计模式下，工作流程和数据传递方面会有明显的变化，从工作流程上看，电气设计流程分为六个环节，如图6所示。

与传统站房电气设计相比，BIM的设计从流程上有以下优势：

（1）电气专业与各专业的协调工作贯穿了整个设计过程，而不仅仅是在特定的某一个阶段，各专业可以实现实时协调，避免了各专业单独作业，彼此之间缺乏协调性的问题。

（2）增加了二维图纸生成和调整的过程。在建模的结束后，可以由模型生成二维视图，但现阶段由模型直接生成的二维图纸，与建设部要求的二维图纸设计深度不符，还需要将生成的二维图纸进行深化调整。

（3）从数据传递的角度看，BIM设计实现了各专业之间数据的随时传递与更新，避免了上序专业数据、参数调整没有及时反馈给下序专业的问题。减少了设计中的差、错、碰、漏等问题。

图6 铁路站房项目传统电气设计流程

3.2 基于BIM的电气设计在协同性方面的优势

在传统电气设计中，各专业的协同是一个费事繁琐的工作，协同性的问题往往会在施工过程中带来诸多问题，后期施配需要耗费大量的时间与经历。依托于BIM技术的电气设计，其电气专业与其他专业的统协合作周期覆盖整个设计活动，甚至于全生命周期。整个项目的全专业设计均采用统一共享的建筑信息模型，因而，可借助BIM技术中的碰撞检查软件准确发现各专业统协工作中的问题，之后电气设计师可以准确的查找到存在的问题并进行修改。

在设计过程中，电气专业的设备布置、沟槽孔洞可以实时的传递给建筑、结构专业，专业之间相互配合，减少各专业间信息互通时间，同样降低了各专业协同合作的故障率。

4 小结

经过一段时间的使用，笔者对BIM这一技术中有了更加深入的认识。

4.1 Bentley电气软件与CAD的比较

相对于CAD，Bentley能绘制除防雷接地平面图以外的其他平面，但不能绘制强弱电干线系统图及配电箱系统图，在绘制过程中生成的如变电所接线图，火灾自动报警系统图等，不完全满足施工图的出图要求，还需要后期进行标注等调整工作。

在作图时间方面的比较，Bentley前期电气族库的建立是一个比较费时的过程，这个过程将导致BIM的工作周期相对于传统的CAD来说较长。

4.2 存在问题

4.2.1 对硬件设备的要求

Bentley软件对计算机的硬件配置及网络环境的要求高于传统的CAD，特别是在清河站房的应用中，非常明显，随着模型的不断完善，电脑设备已出现明显的延迟现象。

4.2.2 软件不足

Bentley软件目前在国内的建筑BIM设计中，没有Revit软件应用的广泛，但随着项目的进程，笔者发现，不管是Bentley还是Revit，其涉及电气专业的部分，均存在一些不足，主要有:

（1）关于电气构件库，依托Bentley软件设计的模型中的图像，是以各个构件为设计基础，而整个最终模型也是由各个构件以某种方式组合而来，目前电气构件库存在种类少和标准不统一的缺陷。使用该类软件时，要在准备工作中，制作适宜工程需要的构件，部分设备也缺少精准尺寸，不同的厂家尺寸规格又不尽相同，导致BIM中部分设备仅为占位符号，不具备绝对的可视化。电气构建库的统一和标准化，可促进更加标准和更加规范的BIM模型的设计。

（2）关于电气桥架、电管，模型中的电气桥架、电管无系统连接功能，仅导线有此功能，这也就是说模型内电气设备要具有自动化创建功能，就需要将各个设备用导线连接，在综合主要区域内的机电管线时，需要复制该区域的电气桥架和电管布置，重新构建该区域电气线路，无法原模进行。

（3）关于防雷和接地平面，设计不支持，由于该类构件制作复杂，且有一些均为逻辑性示意性，尚处于软件开发的范畴。

（4）关于强弱电干线系统图的绘制软件尚不支持。

4.2.3 精度提高，时间增加

在BIM设计中，所有末端和管线放置的绘图和构建精度较高，可降低各单元合作的冲突率，但与此同时，由于较高精度要求，在设计阶段，就要不断的考虑到施工时可能存在的问题，因而在参照和调整自身模型时，任务量增加，相应付出的时间也有所增加。

4.2.4 缺少BIM标准

我国BIM标准尚不统一，需待完善，与之相反的欧美国家的BIM标准较为统一规范。

5 结论

BIM技术作为新时代信息技术的产物，不仅仅是工程类仿真模拟工具的升级，同时，也颠覆了传统设计模式理念。将BIM技术应用于京张站房电气专业中，优点是，在设计完成度、全专业协同、建筑整体分析等方面较具先进性;缺点是BIM标准不统一，电气构件种类少，对模型搭建产生工作质量和工作时间上的阻碍。就BIM技术中存在的有关问题，仍需要改进和完善，若能得到解决和升级，其将对不同规模和不同结构类型的工程具备高效应对性，工程仿真模型的搭建效率将大幅度提高。

[1]中国建筑标准设计研究院，16SX012-1，BIM建筑电气常用构件参数，北京，中国计划出版社，2016.

[2]住房城乡建设部，GB/T51269-2017，建筑信息模型分类和编码标准，北京，中国建筑工业出版社，2018.

[3]于红亮，王楠，BIM技术在建筑电气设计中的应用研究，智能建筑，2015，34（14）：30-35.

[4]逯宗田，铁路设计应用BIM的思考，铁道标准设计，2013, (06)140-143

[5]赵乐，基于BIM建模的站房大空间照明设计节能研究，铁道标准设计，2014, v.58;No.634(10) 109-113