变电站工程3D打印技术效益分析

变电站工程3D打印技术效益分析

孙炜,杨磊,侯强,霍翔,敖敏

内蒙古电力（集团）有限责任公司 内蒙古超高压供电公司 内蒙呼和浩特010010

摘要：3D 打印技术是现代化科学技术手段中较为新型的一类，以数字模型文件为基础，运用可粘合性材料，逐层打印，构造物体的基本形态。3D 打印技术是通过数字技术材料打印机实现的，常被运用于变电站工程行业。作为衔接发电、输电、配电、用电和调度的关键环节，变电站工程在实现电力传递、转换和控制中扮演着重要角色。同时，随着社会经济的不断发展，各种新材料、新设备、新工艺、新技术被更广泛地应用到电力工程建设领域，在建设工期、工程质量、建设成本、环境效益等多重要求下，如何运用对变电站技术经济指标产生的影响，也是新时期变电站工程建设及成本管理的一项重要课题。

关键词：变电站；3D打印；技术  

3D 打印技术通过计算机建模软件进行模型的建立，再将建立的三维模型分区，在不同区域中进行逐层截面，后在打印机中行逐层打印。这是 3D 打印技术在现代化科学技术手段中被作为新型加工技术的原因，也是 3D 打印技术从 20 世纪 90 年代中期就得到许多研究者青睐的原因。某变电站工程为例，变电站设计中采用3D 打印技术，变电站 BIM 数字模型结合新型施工技术在变电站工程建设中的应用，分析混凝土现浇、预制装配式及3D打印技术；进而探讨变电站工程新型施工技术。

一、3D 打印技术的原理

3D 打印技术的学术名称为“快速原型制造”，从学术名称上可以准确的理解 3D 打印技术的目的。3D 打印技开发于美国，在 80 年代末 90 年代初兴起，其运用了现代 CAD 技术、激光技术、计算机数字控制技术与新材料技术等，在这些现代化的技术手段中集成发展，采用了材料累加的新成型原理由 CAD 数据打印制成三维实体的模型结构。3D 打印技术就像是利用一台能够打印立体物件的打印机，快速精密的制造出设计前的物体。实际上 3D 打印技术的原理十分简单， 其将三维实体分为不同的层次，每一层的打印都由两步构成，首先在成型区域喷洒特殊的、不易扩散的胶水液滴，后在均匀的喷洒一层粉末，粉末与浇水触碰后迅速固化粘结，未触碰到浇水的粉末依旧保持松散的状态。在这种模式下，不同分层的相互交替使得实体模型被逐渐打印成型，只需要在打印完成后处理松散状态的粉末即可得到三维实体模型。3D 打印技术与传统的打印技术在打印机耗材上的不同在于传统的打印机利用的是墨粉，而 3D 打印机中使用的是能够快速发生固化反应的树脂、石膏等材料组成的粉末。

二、变电站3D 打印 BIM 模型

1、建立BIM三维数字模型。设计各专业利用博超三维设计软件进行本专业的模型建立工作，再通过协同平台实现全站模型的总装。各专业模型符合国家电网公司《输变电工程三维设计建模规范》要求。电气一次专业建模内容 ：变压器、电容器、组合电器 HGIS 设备、避雷器、导线及设备连线等内容。电气二次专业内容 ：屏柜及安防系统模型。土建专业建模内容 ：架构及设备支架，各建 ( 构 ) 筑物、喷淋管道、围墙、道路、电缆沟及硬化模型。为了保证模型的准确性，在完成模型总装后需对三维模型进行碰撞校验，对于发生碰撞的模型要重新调整方案，直至消除所有碰撞，得到最合理的布置方案。

2、对BIM三维数字模型的处理。考虑到 3D 打印成本和成品展示尺寸的要求，最终确定的打印比例为 1∶100，预估成品平面尺寸为 1.7 m×1.4 m。设计人员建立的BIM 模型还不能直接用于 3D 打印，必须经过一定的处理方可使用，主要的模型处理包括以下内容：1) 对 BIM 模型消模处理。本次展示的是变电站的总体布置，即变电站建成后地上可见部分，对于隐蔽工程不需要打印出来，所以进行消模处理，如建筑物基础、电缆沟地下部分和其他地下设施的模型予以消除。消除的过程需要细致操作逐一处理，既要保留外露部分，还要保证方便打印输出。2) 对 BIM 模型镂空处理。3D 打印费用一般按材料用量收费，为了降低成本，对于一些大体积的实体模型没必要全部输出打印，比如建筑物等进行镂空处理，在保证成品模型的强度、稳定性的前提下，使模型内部空心化，减少打印材料用量。3) 对 BIM 模型修模。小型构件按比例缩小后，尺寸微小， 3D 打印受材料性能的限制，细长的形体比如直径小于1 ～ 2 mm 的构件难于打印成型，或理论上虽能打印成型，却在强度、稳定性上难以保持外观形态。这也是 3D 打印变电站最大的难点之一。例如变电架构梁柱结构中含有φ133 mm×8 mm的钢管，对于这些构件为了保证打印后模型的稳固只能进行修模处理，主要是不改变长度尺寸及端部定位的前提下加粗模型的直径，一般要达到 2 mm 以上。

三、变电站工程3D打印技术

某变电站工程为例，分析不同施工技术下的建设成本变化情况，进而探讨应用3D打印技术对变电站综合效益的影响，以促进新型施工技术在传统电力工程领域的应用及推广。选取的变电站工程其户内包含两座主变基础及油坑，设计时考虑采用框架结构挂板形式，户内地面考虑采用混凝土面层，外墙采用彩钢夹芯板外墙，外墙装饰采用铝塑板饰面，内墙采用石膏板墙，屋面板采用压型钢板钢筋混凝土屋面板。在比选方案中，混凝土现浇方案中的基础、墙体、屋面工程均采用混凝土现浇技术；预制装配式方案中，筏板基础部分采用混凝土现浇技术，墙体和屋面工程均采用预制装配式技术；3D打印技术方案中，筏板基础和构造柱部分采用混凝土现浇技术，其余工程主体结构均由3D打印技术一体化完成。

1、预算编制依据

（1）根据《电网工程建设预算编制与计算标准》进行项目划分和编制；定额指标套用《电力建设工程概算定额估计表-建筑工程》，取费根据电力工程造价与定额总站《关于发布电力工程计价依据营业税改增值税估计表的通知》（定额201645号）；社保及住房公积金根据省市计取，社会保险费缴费费率25.5%，住房公积金缴费费率12%。

（2）工程取费按照110kV新建工程、Ⅰ类取费；定额人工费、施工机械费价差调整执行电力工程造价与定额管理总站《关于电力建设工程概预算定额调整的通知》，并列入编制基准期价差；混凝土采用商品混凝土；轴流风机按照4500元/台考虑；预制混凝土构件按照预制装配式构件税前综合价格考虑，其中：预制梁为3799元/m³，预制柱为3729元/m³，预制外墙板为3135元/m³，预制叠合板为3192元/m³。

（3）采用的3D打印设备为LZ-4型，设备价格为120万元，根据专家意见，该打印设备折旧年限取10年；另据统计，该打印设备每年工作约200天，则该设备每个工作日摊销成本为600元。

2、综合效益分析。通过方案的预算分析可以看出，3D打印技术在建设成本方面的优势十分明显，以下进行具体分析。

（1）建设成本。在建设成本中，给排水，采暖、通风及空调，照明工程费用一致，不做重点分析，预制装配式建设成本最高，比混凝土现浇技术与3D打印技术分别高出34.06%与54%，而混凝土现浇技术比3D打印技术建设成本高出14.88%，且在预制装配式建设成本中，墙体部分占比最高，为56.91%，比混凝土现浇技术与3D打印技术中墙体部分成本分别高出103.1%与122.38%，此为预制装配式成本较高原因之所在。3D打印技术材料来源十分广泛，如采用纤维混凝土、轻骨料混凝土、聚合物混凝土、再生混凝土等，随着材料技术的突破，其建设成本还可大大降低。

（2）人工成本。由于施工技术不同，土建工程建设难度不同，耗费人力成本也有所区别，混凝土现浇技术耗费人工成本最高，装配式人工成本多集中于墙体、屋面工程预制上，施工现场人力成本有所降低，故其人工成本比3D打印技术略有下降。相比施工技术，3D打印技术施工过程所需人工数量大幅降低，仅1名工程师，1名3D打印操作员，5名普通工人就完成了本项目的全部施工，与混凝土现浇技术方式相比，施工人员数量减少约50%。随着3D打印技术的普及，人力成本也会进一步降低。

综上所述，3D打印技术能节省大量建筑材料，减轻劳动强度和劳动成本，具有很好的示范效应及广阔的应用前景，是一种极具潜力的清洁、环保、绿色、高效的施工技术，符合国家电力工程可持续发展的整体方向。在未来电力工程3D打印技术研发及应用的过程中，还应注重制定电力工程3D打印相关技术及工程标准，进而从整体上提高我国电力工程的建设水平，为新时代我国电力工程的高质量建设及发展提供有力支撑。

参考文献：

[1] 王运华,李克义,张彬.3D 打印技术在电力领域中的应用研究进展[J].中国材料进展,2018,(05):35.

[2] 刘天宇,周惠兴,刘焕宝,吴小艳.构建数字化设计体系，引领电网建设发展方向[J]. 电力建设，2018，33(12)：1-5.

[3] 李青芯，贺瑞，程翀 . 电网三维数字化设计技术探讨及展望 [J]. 电力勘测设计， 2019(01)： 1-6.

[4] 钱越,黄颖,郭颖,孙甘露. 3D打印技术在电力的应用及产业化发展[J]. 机械设计与制造工程，2018，45(2)：11-16.