基于BIM的接地网系统设计与电气仿真
林奔;桂宁;董彦松;裘智峰
【摘 要】作为电气安全的重要手段之一,接地网在建筑中扮演了重要且必不可少的角.在现实建筑设计中,接地网的设计和建筑本身的设计被分割为两个独立和割裂的设计过程.割裂的设计过程使得接地网的设计常常无法充分考虑建筑的特殊需求,特别是新能源建筑如一体化光伏建筑带来的新的需求.提出一个基于建筑信息模型(building information model,BIM)的建筑接地网统一设计平台,在BIM平台实现了对接地网的设计、计算的一体化服务.构建了基于BIM模型的接地网相关的设备模型,充分利用基于BIM的建筑3D模型、电气设备信息、线路模型来精确地计算系统最大短路电流.在此基础上,通过获取的建筑接地网的信息和土壤模型,实现了基于有限元算法的接地网计算,计算结果直接以3D形式呈现在建筑信息模型中.该平台已经应用在一个光伏建筑的接地网设计中,获得了较好的效果.
【期刊名称】《浙江理工大学学报》
【年(卷),期】2016(035)002
【总页数】8页(P257-264)
【关键词】电气;建筑;安全;接地网;BIM
【作 者】林奔;桂宁;董彦松;裘智峰
【作者单位】浙江理工大学信息电子学院,杭州310018;浙江理工大学信息电子学院,杭州310018;浙江理工大学信息电子学院,杭州310018;鲁汶大学ELECTA/ESAT研究组,比利时鲁汶市3001
【正文语种】中 文
【中图分类】TS195.644
为了保障人员的人身安全，建筑中的电器设备在运行、使用中都必须通过各类接地装置来获得良好的接地。通过将电气设备的某些部位、电力系统的某点与大地连接，提供故障电流及雷电流的泄流通道，稳定电位，以确保电力系统、电气设备的安全运行[1]。建筑的接地系统的合理与否直接关系到人身和设备安全[2]。已经有一系列的规范对接地网的接地电阻、跨步电压、接触电压的计算有着较为严格的要求[3]。
随着建筑的规模不断发展，建筑的电力规模不断扩展，特别是光伏等新能源的引入，建筑的短路电流也不断增大。然而，成本和土地资源的约束却要求接地网的面积小型化,这相互矛盾的需求对建筑的接地设计提出了较高的要求：必须在保证安全的前提下，对接地网的设计进行精确化设计。精确化的接地网设计必须充分地考虑建筑本身的外形，电气布局等模型信息。而这些模型信息在目前的设计中都未予重视。
然而，目前电气安全设计与建筑设计这两个设计通常被划分为独立不相关的两个设计过程，两个过程中人员割裂、数据割裂、模型不统一。电气设计主要由电力设计人员来完成，主要倾向于电气系统的电气系统设备建模，拓扑结构设计等。在通过将电气系统数字化的前提下，进行相关的电气仿真[4-5]，如潮流计算、短路计算等等，在计算的过程中，电力设计人员需要根据这些设计软件的需求，输入相关数据和模型信息。由于建筑内部的电气系统繁杂，需要大量建模和手动输入数据工作。电力系统分析软件如PTW的GroundMat和ETAP的Ground Grid Design Assessment，需要设计人员手动对于建筑电气模型进行建模，工作量大。专业的接地网软件可以生成复杂高效的接地网，但是对于短路电流的计算，通常严重依赖于专家经验进行简化后的预估。建筑设计人员在建筑设计的过程中，通常使用BIM(building information model)对于建筑进行三维数字化建模[6-8]。BIM
模型使得在建筑设计的不同周期的模型信息可以重复、一致地使用，避免了模型不一致的问题[9-11]。特别是现在BIM系统中的建筑机电设备MEP(mechanical, electrical and plumbing, MEP)支持已经较为完善[12]，在工程实际中已经广泛地应用于电力设备的部署、线缆连接、新能源设备等建模，以便更好地指导施工。然而，这些模型在现有的接地网设计中并未得到充分应用。隔离的设计模式导致电气系统模型和建筑BIM模型构件有着大量的重复且非共享工作，工程成本高，周期长，常常出现由于模型不一致导致的问题纠纷。
本文设计了一个基于BIM的接地网设计软件，充分利用现有的BIM软件对于建筑内部电力设备、线路、接地网和土壤等信息进行建模。根据这些信息对建筑电力系统进行短路电流计算，通过IEC60909标准得到准确的短路电流，并结合在BIM模型中构建的接地网和土壤等模型，利用有限元方法计算的地表电位升，接触电压和跨步电压，以指导接地网的进一步的修改。本系统的基于Autodesk的Revit软件开发，实现了接地网的可视化设计和计算结果三维可视化的展示。
按照美国国家标准技术研究院给出的定义：“BIM 是设施物理和功能特性的数字表达；BIM
是一个共享的知识资源，是一个分享有关这个设施的信息，为该设施从概念到拆除的全寿命周期中的所有决策提供可靠依据的过程；在项目不同阶段，不同利益相关方通过在 BIM 中插入、提取、更新和修改信息，以支持和反映各自职责的协同工作。”[13]BIM提供了公共接口，允许项目的不同参与方对模型进行扩展。这就意味着现有的BIM模型可以进行扩展，添加接地网设计所需的模型支持。按照接地网的IEEE-80th-2000计算标准，接地网的设计需要以下三大模型的支持：建筑电气模型、接地网模型和土壤模型。
1.1　基于BIM的建筑电气模型构建
电气系统建模是目前建筑的一个重要组成部分，现有的BIM软件通常提供了丰富的电气系统模型，如Autodesk Revit的MEP模块，提供了大量建筑电力系统设计支持。在一定的第三方扩展的支持下，可以满足基本的电气系统设计。如常见的线缆、接线盘、办公电气等。
由于需要对于带光伏板的光伏建筑进行接地网设计，为了有效地支持光伏设备的建模，进行了以下扩展：
a)光伏电气设备的三维模型构建，为了实现可视化的建筑电气设计，构建了基于光伏设备的电气模型；
b)电气属性设计：为了为后期的电气计算提供支持，目前的Revit族内置属性比较有效，这里对于不同的电气设备的BIM模型进行扩展：包括设备额定电压，额定电流，等效阻抗等。
通过构建集成物理属性和电气属性的电气设备模型，设计人员可以在现有的建筑模型上对电气系统进行详细设计。根据设计方案将电气设备模型通过线路模型进行电气连接，构成所需的建筑电气系统，如图1所示。一般来说，建筑电气系统建模包括负载设备、配电设备、供电设备以及设备间的正确连接。由于BIM模型的开放性，建筑电气系统所有的相关属性可以通过一定的编程接口从BIM模型中读取。这就为基于BIM模型的电气计算提供了数据基础。
1.2　土壤及接地网模型构建
为了有效地设计接地网，必须充分考虑建筑构建环境土壤的特性：土壤的材质的不同意味
着土壤电阻率的不同，土壤的厚度的不同意味着电阻的不同。这就需要对BIM模型中的土壤模型进行扩展，扩展参数包括土壤电阻率、表层材料电阻率和表层材料的厚度等。
参数化接地网设计，在接地网设计的过程中，由于不同的建筑存在，接地网的设计必须适应不同的需求。设计了参数化的接地网族，如图2所示。
a) 参数化的接地网结构：通过族的参数化控制接地网的大小，x/mm为水平直角坐标轴的x方向的导体长度，y/mm为水平直角坐标轴的y方向上的导体长度，决定了接地网的面积。Vlength/mm为垂直接地体的长度，dy/mm为y方向的间隔，dx/mm为x方向的间隔，nx为x方向的导体数目，ny为y方向的导体数目，决定了接地网的密集程度。参数化的结果直接反应在接地网模型中。
b) 接地网电气特性：包括材质，接地网的尺寸，接地网所埋的深度，导体的横截面积和数目。作为电气仿真的输入参数直接读取到后台引擎计算出地面电位，接触电压和跨步电压。计算结果直接反应在接地网模型中。
接地网模型构建后，可以直接集成在建筑BIM模型中。由于BIM模型的全生命周期支持，可以直接导出为施工图纸，为接地网的施工提供支持。
建筑、电气和接地网模型构建于一个统一的BIM模型后，必须对接地网设计的正确性进行仿真计算并对结果进行可视化输出。设计了建筑接地网仿真设计平台，该平台由三大主要模块组成：数据获取模块，接地网相关的电气系统的计算分析模块和结果显示输出模块，如图3所示。