大连市庄河Ⅲ海上风电场BIM开发设计与应用

朱峰林

上海勘测设计研究院有限公司

0 引言

风力发电是目前世界新能源市场应用最广、技术最成熟的主流新能源发电形式之一。随着信息化的不断推进，BIM技术在建筑工程领域应用越来越广泛。以大连市庄河Ⅲ海上风电场为例，运用BIM技术，在三维模型的基础上，进行了碰撞检测、三维切图等应用，提高了设计和出图效率，解决了项目实施过程中的多项技术难点，使用参数化建模的方法，建立了升压站钢结构节点库，极大地提高了节点出图效率；使用二次开发的工具箱，实现了BIM模型在SACS和ANSYS中的转换和应用，提高了设计效率。

1 工程概况

三峡新能源大连市庄河Ⅲ（300MW）海上风电场位于辽宁省大连市庄河海域，是东北地区首个已核准的海上风电项目及作为全国首个“智慧能源城市”的清洁能源供给侧项目，对促进庄河地方经济发展及清洁能源建设具有重要意义。风场安装2台单机容量为3MW、49台3.3MW、21台6.45MW风电机组。风机基础包括单桩和高桩承台形式基础类型。风电场南北长度8.6km，东西长度7.7km，场址中心距离岸线约22.2km，面积约63.3km2。场内新建一座220kV海上升压站，装设2台240MVA主变，风电机组通过13回35kV海底电缆汇集送至海上升压站。海上升压站通过2回220kV海缆送至登陆点，再通过架空线路送至陆上集控中心。

2 项目难点分析

海上风电场设计涉及众多专业，水工、舾装、电气、金结、施工、规划、暖通、给排水、建筑等，在设计与建模中内容多协同难度大，主要有以下两个典型的技术难点：

2.1 海上升压站结构部分

海上升压站的设计面临设计难度大、设计周期短、经验缺乏，人员不足等多重挑战。相比传统混凝土结构陆上工程，海上钢结构工程在设计深度和工程量统计方面有着更高的要求，具体表现在需要绘制大量的连接节点详图，如果采用传统二维工作方法，需要耗费大量工时，且极为容易出现错漏。

2.2 风机基础设计

海上风电基础结构设计过程中，各专业需要使用SACS和ANSYS进行风机基础、附属构件等的建模和仿真计算，存在重复建模的问题，在使用基础计算软件SACS和ANSYS时存在建模困难等问题。由于项目时间短任务重，需要快速进行建模和计算，由此增加了技术难点。三维模型通常采用实体结构进行建模，而SACS为杆件体系，承台波浪力无法在软件中直接计算，无法直接进行模型转换；ANSYS中钢管桩需要采用薄壁面单元，且网格划分繁琐，三维模型也无法直接进行转化。

3 技术方案与应用

依托上海勘测设计研究院搭建的三维协同设计平台，使用ProjectWise进行各专业间的三维协同管理。通过对新能源、金属结构、施工、地质等专业系统的有机整合，构建了海上风电场数字化整体解决方案。

3.1 模型构建

根据模型构建的原则及方法，使用Tekla软件，完成了海上升压站模型的建模。使用Microstation软件，完成风机基础模型、线路塔架、桥架等；使用ABD软件完成海上升压站舾装模型；使用Solidworks软件完成金属结构模型；使用Geostation软件完成地质模型。最终所有模型在Bentley平台下进行总装和协同，形成海上风电场全专业数字化模型，风电场全景见图1。风机整体模型及升压站整体模型见图2～图4。

图1 大连庄河III海上风电场全景

图2 单桩风机整体模型

图3 高桩承台风机整体模型

图4 海上升压站整体模型

3.2 三维应用

3.2.1 碰撞检测

各专业模型在Bentley平台下组装完成后在Bentley Navigator中进行碰撞检测，发现问题并反馈设计人员进行优化调整，减少后期设计变更，避免后续大量施工返工工作。针对本工程升压站设计模型，进行了电气VS舾装、结构VS消防、电气VS消防、电气VS暖通等各专业间碰撞检测，提高了设计精度与效率。碰撞检测效果示意图见图5。

图5 碰撞检测效果示意图

3.2.2 三维出图及工程量统计

通过Tekla Structures和Microstation实现三维切图得到结构局部详图，如图6所示，同时进行自动工程量统计，如图7所示，提高三维出图率，为钢结构施工备料提供了准确的依据，并提高了设计效率。

图6 节点三维切图

图7 工程量统计

3.2.3虚拟施工模拟

使用Bentley Navigator软件进行施工进度模拟，对于升压站建造、安装的各个过程形成一个基于时间进度模拟的4D施工方案，通过三维动画模拟安装工艺可以帮助设计人员提前发现施工中可能出现的问题，优化设计方案。同时，三维动画也可以更直观地向施工单位传递设计意图，指导施工单位的海上安装方案，更系统和直观地了解各阶段施工内容，如图8所示。

图8 施工三维动画模拟演示

3.2.4 多平台交互

Tekla模型可以通过IFC格式导入Bentley平台下的三维软件，便于与其他专业进行协同。同时支持与计算软件SAP2000的数据交互，可以减少建模工作量。施工模拟演示见图9。

图9 施工模拟演示

3.3 扩展创新

3.3.1 钢结构节点参数化建模与切图

针对海上升压站的钢结构节点，使用Tekla软件进行参数化建模。Tekla可以将三维模型快速转换成二维图纸，支持二维图纸与三维模型联动，提高了出图效率；支持快速工程量统计，为钢结构施工备料提供了准确的依据，减轻了工作量。

针对海上升压站结构部分遇到的技术难点，创新性的利用钢结构详图设计软件Tekla的自定义节点单元模块，使用参数化建模方法，将海上升压站结构中的常用节点类型通过参数化编程的方式制作成节点库，如图10所示，可以在不同项目中快速调用，实现快速建模与出图的目的，达到钢结构节点的正向设计，提高建模效率。与传统的二维节点出图相比，可以提高设计效率约90%。同时参数化的节点单元支持快速自定义修改，减轻了设计过程中方案变动带来的不便。

图10 钢结构自定义节点库

3.3.2 BIM在SACS与ANSYS中的应用

使用Matlab编程实现了将三维实体模型自动转换成ANSYS有限元模型文件；同时可自动剖分网格，并生成APDL命令流文件，提高了计算效率。使用Matlab编程实现了将三维实体模型自动转换成SACS杆件体系模型文件。通过二次开发BIM模型工具箱，如图11所示，实现风机基础高桩承台结构的参数化建模、与SACS杆件体系模型互通、与ANSYS有限元模型互通的功能，解决了SACS和ANYSY中模型参数输入耗时、繁琐的问题，提高SACS与ANSYS中的建模计算效率。基于AutoCAD的Visual Lisp语言二次开发了multiPileGen函数，可以通过设定模型尺寸参数，直接生成对应的高桩承台水工结构三维模型。同时针对高桩承台荷载特点，工具箱集成了SACS中无法自动计算的部分荷载计算程序，可以计算出承台所受的波浪力并生成荷载文件，大幅提高了计算效率。

3.3.3 电气桥架参数化建模与应用

建立电气支吊架参数化模型，采用边建模、边碰撞、边优化的形式，确保电气桥架设计的合理性，实现其正向设计。

4 结语与展望

大连市庄河Ⅲ海上风电场BIM开发设计与应用项目建立了全专业的海上风电场三维模型，通过碰撞检测、三维切图、工程量自动统计、虚拟施工模拟等应用，提高了设计效率；通过参数化建模，形成了钢结构节点库，提高了设计和出图效率；通过二次开发，实现了BIM模型在SACS和ANSYS中的转换和应用，提高了设计效率。

庄河III三维设计成果广泛应用于项目的施工图阶段，极大地提高了设计和出图效率。在大连庄河III海上风电项目中首次实现了三维切图及自动工程量统计，海上升压站的钢结构节点图达到了正向设计水平，成果还应用到了福建兴化湾项目。此成果可以广泛应用于其他类似的海上风电项目。项目组还将继续实现电气设备属性数字化，为后续全生命周期管理服务，最终形成设计、施工、运营为一体的全生命周期海上风电场BIM解决方案。