BIM技术在风电场建设中的开发应用

2018-05-05肖剑丛欧郝华庚王鸿田

风能 2018年2期

文 | 肖剑，丛欧，郝华庚，王鸿田

近年来，我国风电事业快速推进，装机量大幅度提升。随着国内风电的快速开发，市场竞争日趋激烈。为此，各业主、厂商纷纷采取措施控制风电场建设各环节成本，一定程度上降低了风电场开发费用，但风电场总体建设投资成本仍处于较高水平。风电场建设主要成本包括：整机设备、输变电工程、基础设施建设费用等。基础设施建设中以风电机组基础、场区道路、升压站及场区输变电工程为主要成本。

BIM是以三维数字技术为基础，建筑全生命周期为主线，将建筑产业链各个环节关联起来并集成项目相关信息的数据模型。在工程实施全生命周期中，建筑物的所有信息以数字形式保存在数据库中，以便于更新和共享，该模型由若干建筑构件组成，构件的相关属性如几何尺寸、位置、材质、构造、成本等被赋予其中，其设计过程为参数化输入，这也是其区别于传统的CAD等设计软件的关键，交付物由二维图纸变成三维数字化模型载体。

BIM技术广泛应用于建筑行业，目前风电场建设BIM技术应用尚属于初级阶段。本文通过在设计施工等方面的探索应用，梳理针对风电场建设中各环节的难点、痛点问题，制定符合风电场建设特点的BIM技术解决方案，实现基础设施设计、施工、运维过程的合理优化和降低成本目的，推进BIM技术在风电行业展开，为降低风电场建设成本提供技术保障。

风电场项目特点

风电场建设项目涉及的地域、时间、空间跨度大，快速、准确地进行数据交换非常重要，要求对整个项目进行方案制定、结构设计、构件监造、精度算量、施工设计及运维管理等。风电场建设项目多，协同工作数据量大，本专业、专业间协同都亟待解决。目前，基础设计主要有三种形式：基础环式基础、锚栓式基础、混塔基础，这几类均是经过较多项目验证、得到优化和较为成熟的基础形式。升压站的设计区别于大型工业建筑，建筑占地相对较小，楼宇及附属设施功能区域明确，生产区、生活区功能划分配置固定。结构设计基于场区功能需求，与传统民用建筑结构设计标准一致。风电场建设集中在风能资源好的偏远地区，如山地、戈壁、潮间带、海上和岛屿等，地势复杂多变，按照道路设计要求，传统测绘工作量巨大且周期较长。道路设计专业之间，如路线、路基、路面、桥梁专业；基础、升压站设计专业之间，如电气、水暖电、设备等，存在上下游之间数据交换不畅通、信息不对称等问题，统一协调管理难度大。

图1 风电场集成平台架构

BIM技术在风电场建设中的应用

根据各业务领域特点，分别进行BIM技术研发应用，逐步推进，并形成统一的标准，采用由点及面的方式，实现了从单个项目到同类专业，形成全面覆盖数字化风电场的集成。

（1）风电场数字化规划平台：分析业务流程，借鉴行业成功经验和优秀实践，结合自身业务领域的特点，开发引入适合自身需要的应用方法及软硬件平台；

（2）设计阶段：采用BIM技术辅助进行相关专业设计、管理工作，以解决传统二维设计阶段测绘时间长、专业协调性差、设计周期长等问题；

（3）施工阶段：制定符合风电场建设的BIM技术解决方案，扩展信息模型后应用水准，通过三维工艺展示，提高风电场各专业沟通效率和管理水平。

一、风电场数字化规划平台

风电场工程复杂，工期紧张，专业多，项目彼此间独立进行，信息之间存在传递壁垒，数据共享困难，导致图纸问题多、管理难度大，造成工期延误。风电场建设集成平台基于现有研发软件基础，赋予适用于专业的标准规范，具有自检以及共检模型冲突和修改功能，面向风电场全生命周期，建立融合多类型模型，实现多专业、多精度数据互通的可执行数据库（如图1）。平台能有效实现在建设前期、施工中期和维护后期重要阶段中风电场景真实感可视化（如图2）和施工方案的自适应、评估、管理，统一模型数据实现设计前端、施工过程、运营维护管理等一体化操作。

图2 风电场集成模型

二、风电机组基础设计模块

经过发展与项目实践，风电机组基础设计趋于定制化、标准化。基础结构定型后，绘制施工图阶段，应用传统CAD软件会耗费大量人力，且基础钢筋排布形式密集复杂，与电气、塔架工作设计密切相关，协同工作需要准确同步及时。以混合塔架为例，混凝土段内含有大量预埋件、开孔等构造与钢筋交错。分段、分缝处的构造形式、连接方式等都需要合理设计，才能保证构件制作、安装过程中的质量控制。施工难度大，现浇及预制构件制作质量严格，附件安装精度要求高，工期紧，如果现场质量控制精度不够，将造成返工。

BIM技术主要应用在基础三维设计、参数化建模、快速出图等（如图3），借助计算分析所得数据，利用二次开发软件进行参数化模型快速搭建，创建风电场内风电机组基础整体三维模型，实现协同设计和工程量、图纸一键输出等（如图4）。基于建筑信息模型进行方案可视化、三维交底等，可以降低基础设计过程中的人力和时间成本，提高风电建设的工作效率和施工预算精度，增强项目现场施工沟通效率，降低返工率等。

图3 参数设计界面

对于混塔混凝土段设计，运用三维模型进行相关专业的协同设计、碰撞检查（如图5），利用动画模拟构件制作、装配工艺获得较好的实践验证效果。

图4 风电机组基础设计功能部署

图5 碰撞检查

三、升压站设计模块

通过分析计算约束条件，并结合地形信息系统生成风电场升压站选址区域，计算分析该区域内填挖量最小的升压站选址区域，从而确定升压站位置。风电场升压站设计基于电气一次、二次等生产区设备功能配置，结合建筑楼宇结构区、附属结构区形成集成化模块（如图6），具有建筑信息及设备信息属性，并进行参数化设置，可修改调整模块内参数设置。模块族嵌入实际设计项目，具有快速生成二维图纸的功能，实现由三维转二维过程。不同项目升压站设计过程中，合理调取相应功能区建筑模块族，根据场址及容量配置的具体情况进行定制化的配备，减少重复绘图工作，缩短设计周期，提高设计效率，采用预制装配式快速施工组装，降低风电场升压站设计费用。

图6 升压站模块族标准化设计

四、道路和集电线路自动设计

BIM结合地形信息系统，对拟建场地和建筑物进行三维建模，可以快速得出分析结果，帮助在规划阶段评估场地的使用条件，从而规划出最合适的场地位置、合理的交通路线等。根据风电机组规划点位、升压站面积、场址高程差、送出线路方向等参数进行变电站自动选址；基于无人机三维实景建模实现道路自动选线（如图7）和集电线路自动规划设计（如图8）。

五、施工阶段

三维可视化不仅可以让施工人员清晰了解到建筑物本身的形式特点、空间组成、操作环境、施工工艺等，还可以充分验证施工方案的合理性，及时优化方式方法。一般的施工及管理人员对施工要求、方法工艺了解不够，技术水平不足，采用常规的技术交底沟通效率较低，不利于工程质量的控制，也不利于建立专业化施工队伍。三维技术交底内容明确直观，方便施工现场对分包工程质量的控制，如模型可直观地表达出配筋的三维布筋情况，降低了布筋技术交底难度，帮助工人更好地理解设计意图。在设计模型的基础上，结合现场的施工环境以及相关的施工工艺流程，提取施工阶段需要的信息，通过对模型剖切、漫游以及制作工艺动画等（如图9），制定出高效合理的施工组织设计。