价值工程在山区风电场风机基础选型中的应用

段 波 桂 重

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 价值工程原理

1.1 价值工程理论概述

价值工程是指在满足产品可靠度的前提下，分析必要功能所需的成本，提高产品效益的科学方法[1]。价值工程理论具有广阔的应用领域，凡是付出成本费用以实现必要功能的产品，均可以利用价值理论进行比选或优化。

1.2 价值工程的基本概念

1)功能(F)。功能指产品所具备的功能或用途。功能是一种属性，产品是功能的载体，功能相同的不同产品可以相互替代。

2)成本(C)。成本是指品寿命周期内的总成本，包含产品的建造成本以及维护成本，是指产达成产品必要功能所需耗费资源的货币表现形式。

3)价值(V)。价值是产品所具有的功能与成本之比，代表产品经济效益的高低，其概念公式为：

价值=功能/成本。

数学公式表达如下：V=F/C。

1.3 价值工程的意义

价值工程并不是单纯要求成本降低多少，也不是单纯的要求功能提高多少，而是能够恰当的处理好功能成本的比值关系，寻求功能产品的最优配比。因此，价值工程要兼顾价值、功能、成本三要素，不是单方面的去解决问题，而是在满足功能要求的基础上考虑工程生产和工程维护的综合成本，考虑各参与方的利益需求，生产出价值最优的高质量产品。

2 风机基础方案的价值工程

风机基础作为风电场建设的一种产品，是保证风力发电机组正常安全运行的关键因素，对风电场的安全起到至关重要的作用。与一般的高耸结构不同，由于风力发电机组轮毂高度大、顶部质量大、对倾斜要求严格，并且在极端风速条件下承受较大的水平荷载，从而使得风机基础具有承受360°重复偏心随机荷载的受力特点[2]。随着近些年风电建设的快速发展，我国风机基础设计、分析水平也大幅提高，山区风电场风机基础形式也由传统的扩展式基础发展到梁板式基础、岩石锚杆基础等多种基础形式。相同地质条件下，往往有多种基础形式可以满足可靠度要求，然而不同的基础形式往往有不同的功能特征，不同的成本，因此，可以采用价值工程的方法进行分析评价，综合考虑技术合理性、施工便利性、工期合理性、环境影响等功能因素，以及全寿命周期内的成本因素，选择价值最优的基础形式，实现风机基础的效益最大化。

3 某山区风电场风机基础选型

3.1 项目概况及基础方案拟定

某山区风电场设计安装2.0 MW风电机组，风机荷载如表1所示，风电场地震烈度为7度(0.10g)，建设场地地基持力层为中风化～弱风化花岗岩。

本项目适用的天然地基基础包括扩展式基础、梁板式基础、岩石锚杆基础，经计算满足可靠度要求[2-4]的基础方案分别为A方案、B方案和C方案。

表1 风机基础荷载

A方案：采用C35钢筋混凝土圆形扩展基础，基础直径18.5 m，端部高度1.0 m，根部高2.3 m；台柱高度0.8 m，直径7 m，基础埋深2.95 m，基础体型如图1所示。

B方案：采用C35钢筋混凝土圆形梁板式基础。基础底板直径为18.5 m，基础底板厚度0.6 m；中心台柱高度3.3 m，直径7 m；台柱中心为向外呈辐射状的8根主梁，主梁根部(与中心台柱连接处)高度3.1，端部高度1.2 m，梁宽1.0 m；主梁端部设置连系梁，连系梁高度1.2 m，宽0.7 m；基础埋深3.15 m，基础体型如图2所示。

C方案：采用岩石锚杆基础，承台采用C35钢筋混凝土圆形扩展式，承台直径15.4 m，端部高度1 m，根部高 1.8 m；台柱高度0.8 m，直径7 m。沿承台边缘布置两圈共计124根锚杆，锚杆采用d=32 mm材质为HRB400的带肋钢筋，锚杆伸入基础1 m，锚入地基4 m，锚杆孔直径为110 mm，采用C40细石混凝土灌孔，基础埋深2.45 m，基础体型如图3所示。

3.2 功能指数

由于本项目属于电价补贴项目，按时完工是保证电价的必要条件，而施工便利性是保证施工质量的重要条件，因此工期合理性和施工便利性应当具有较大权重；另一方面，由于风电场属于清洁能源，环境友好，不同风机基础形式对环境的影响都很小，此外，各方案均通过了可靠性计算，技术合理性差异也很小，因此环境影响和技术合理性权重相对较小。技术合理性方面，扩展式基础和梁板式基础都属于常规重力式基础，对天然地基具有较好的适应性；岩石锚杆基础利用岩石锚杆将地承台与地基连接在一起，但承台内存在局部拉应力偏大，有导致基础开裂的风险。施工便利性方面，扩展式基础和梁板式基础具有相似的施工工序，但梁板式基础体型相对复杂，需要较多的模板，基础钢筋分布不均匀，梁交叉节点钢筋较密，不易绑扎，施工相对困难；岩石锚杆基础分为锚杆和承台施工，工序稍多，但承台施工与扩展时基础施工方法类似，较为便利。工期合理性方面，在充分利用工作面的情况下，扩展式基础从基坑开挖到基础浇筑完成，需要约7 d时间；梁板式基础需要约8 d时间；岩石锚杆基础需要约6 d时间。环境影响方面，风机基础施工主要涉及地表扰动，扩展式基础与梁板式基础的底面积一致，但扩展式基础的埋深稍浅，相同地质条件下，基坑开口面积比梁板式小，对环境影响也相对较小；而岩石锚杆基础的承台面积最小、基础埋深最小，基坑开挖地表扰动最小，对环境影响也最小。方案各功能的权重及方案的功能得分见表2。

表2 各方案功能的权重及得分表

根据功能权重以及功能得分，计算各方案的功能指数如表3所示。

表3 功能指数计算表

3.3 成本指数

根据各方案列出单台基础主要工程量及造价见表4，由此计算各方案成本指数如表5所示。

表4 主要工程量表

表5 成本指数计算表

3.4 价值指数

根据功能指数和成本指数计算各方案价值指数如表6所示。

表6 价值指数计算表

根据表6的计算结果可知，本项目方案C的价值指数最高，岩石锚杆基础为最优方案。此外，虽然梁板式基础的造价比扩展式基础优，但综合考虑功能因素后，其价值指数比扩展式基础更低，在本项目三种方案中综合效益最差。

4 结论及建议

本文结合项目的地质条件，拟定扩展式基础、梁板式基础、岩石锚杆基础三种基础形式，经CFD软件验算，得到三个满足可靠性要求的基础方案。采用价值工程理论，从技术合理性、施工便利性、工期合理性和环境影响四个方面分析各方案的功能指标，并根据各方案的估算成本分析成本指标，进而计算各基础方案的价值指标，选择价值指标最高的岩石锚杆基础作为最优的基础方案。

价值工程可对风机基础选型进行量化评价，该方法可为类似工程决策提供参考。应说明的是，山区风电场风机基础选型是全方位、多要素的，基础选型的功能权重应根据项目的实际情况进行确定，功能评分应综合考虑参建各方的利益需求，才能对基础方案的选择作出科学决策。