风力发电BIM智能化设计技术在某90MW风电项目中的应用

黄河勘测规划设计研究院有限公司 闫 新 中冶焦耐（大连）工程技术有限公司 张小粟

1 国电投长垣恼里90MW风电场项目概况

1.1 项目概况

国电投长垣恼里90MW风电场工程场址位于河南省长垣县恼里镇黄河倒灌区内，距离长垣县15.0km，海拔高程为60～80m。本工程总装机容量为90MW，设计安装28台单机容量为3000kW风电机组，另选4台机位点作为备选机位，通过4条架空线路（总长约28km）接至新建的110kV升压变电站。项目拟建设一座110kV升压站，单回架空线送出。本风电场工程年上网电量19793.22万kWh，年等效满负荷小时数2199h，平均容量系数为0.251。

该项目建设场区范围约40万km²，位于封丘倒灌区内。封丘倒灌区东起贯孟堤，西至红旗总干渠，南依黄河大堤，北靠太行堤，面积约575km2。封丘倒灌区的地势为西南高，东北低，东北面依靠太行堤和黄河大堤约束，东面有长21.12km的贯孟堤，贯孟堤末端姜堂至长垣孟岗有长约8km的缺口，形成封丘倒灌区的倒灌口门，历史上曾发生多次大洪水的倒灌。本次项目设计实施过程中，项目场区的防洪影响评价成为本项目的设计先置文件。

本项目设计装机容量90MW，按照《风电场工程等级划分及设计安全标准（试行）》（FD002-2007），风电场建设规模等级划分为中型。电站需根据风电场场址的地形、交通运输情况、风资源条件和风况特征，结合国内外商品化风电机组的制造水平、技术成熟程度以及风电机组本地化率的要求，进行风电场机组型式选择。本工程全场共28台3MW风机，采用一机一变单元接线方式，每台风电机组配置1座箱式变压器，风机电缆经过风机基础引至附近箱式变压器低压侧，通过箱式变压器就地升压至35kV，通过35kV集电线路接入110kV风电场升压站的35kV母线。风电场升压站35kV母线侧采用单母线接线形式，设置1回出线，通过共箱母线与主变压器相连。

1.2 项目特点

综合分析，国电投长垣恼里90MW风电场工程具有以下工程特点：一是该项目为黄河下游首座滩区风力发电工程，工程建设和运维对黄河行洪的影响是项目的一项重要因素，需要在设计工作中进行充分的考虑与模拟。二是本项目占地近40km²，单位工程分散，建设周期短，涉及专业多，普通的软件手段实现大范围场区的数字化设计存在困难。三是风力发电项目具有短平快、可变因素多的特点，因此项目需要进行数字化手段进行精细化设计、快速化反馈，加强专业协同，提升设计效率。四是本工程要实现对整体工程的全生命周期信息化、智能化。针对这些特点，国电投长垣恼里90MW风电场工程采用了风力发电BIM智能化设计技术。

2 风力发电BIM智能化设计技术方案探索

2.1 场区数字化地形分析

风力发电BIM智能化设计技术方案，可根据相关专业提供的测绘资料对项目场区进行数字化地形分析，主要有数字化地形高程图谱分析、数字化地形等高线分析和精细化地形体生成，并可以对地形资料中的细微错误进行软件自动修复。项目经过反复研究，采用CATIA 3DE平台Digitized Shape Editor（DSE）、Shape Sculptor、Quick Surface Reconstruction（QSR）模 块 进 行CAD点 云 数据的处理及地形重构、地形变形、分割修改、地形mesh面转换成曲面等建立场区实际地形模型。多种分析手段的融合既满足直观形象的三维地形分析需求，又有传统的等高线作为辅助，对于平坦的大场区设计十分方便[1]。

图1 数字化地形等高线分析

2.2 风力发电场标准化BIM模型

本项目采用标准化的BIM模型进行建模。BIM建模采用UDF模块进行参数化建模，如风电场设计采用的架空线路模型，采用线路悬链线模型，线路导线的应力、荷载、风速、导线直径等参数均可以由设计人员结合项目情况自主设置。线路方程如下：

相关架空线路的杆塔布置采用参数化表格自动控制，通过Office数据导入，杆塔布置可以实现5s内生成整个风电场的所有架空线路的生成。项目采用经过验证的仿真算法，所建模型的参数可以依据不同的工作环境进行修改，实现对于其他相关自动化设计手段的复核性校验。

项目建模通过采用标准化的模板，配合设计业务流程的设计规则，就可以形成标准的设计流程。根据实际操作经验对比，这种方法可以提高2倍以上的速度。

图2 标准化的BIM仿真模型

2.3 黄河行洪对于风电场影响的动态化分析

由于本项目位于黄河下游滩区，项目工程建设及运维中需要考虑黄河行洪对场区的影响。

根据《黄河河道管理范围内建设项目技术审查标准》第十条规定，设计洪水除满足建设项目自身防洪标准外，还应与建设项目所在河段的防洪及水电工程标准相协调，水位流量关系应与建设项目所在河段的防洪及水电工程标准相协调。风电场工程洪水设计标准及洪水位确定时，考虑与所在河段的防洪要求相协调。

风电场工程上端距离上游夹河滩水文站27.8km，下端距离下游石头庄水位站12.4km。工程河段的设防流量为21500～21200m3/s，50年一遇洪水流量为11700～11200m3/s，30年一遇洪水流量为11200～11100m3/s。根据本项目防洪影响评价报告，长垣恼里风电项目工程首尾端设防流向下水位见表1。

壅水分析采用平面二维数学模型的控制方程进行分析：

表1 长垣恼里风电项目工程首尾端设防流向下水位表(单位：m)

水流连续方程：

水流动量方程：

利用CATIA 3DE设计平台，结合规划专业提供的防洪影响评价报告，通过自主开发的功能模块，可以仿真的是不同高度的洪水水位在场区的淹没情况。设计人员也可选取任意一台风机进行了放大显示，可以看到水位的上升。在这种数字化手段下，场区的受影响程度可以一目了然，也为风机的机位选择、项目建设及运行决策提供辅助性支撑。

图3 66.9m洪水位对于场区的影响

图4 67.9m洪水位对于场区的影响

2.4 BIM智能化风力发电升压站设计

风力发电场的升压变电站设计，通过使用REVIT BIM智能化设计平台，可实现生产建筑三维配筋，二维三维联动的建筑结构出图，自动核算混凝土、钢筋工程量。REVIT还可以动态化实现以供电回路为单位的建筑照明计算，采用三维模型模拟照度计算，统计电气元件、电缆工程量，实现综合楼内电气设备埋管碰撞检测。本项目相关材料清单也可以一键生成。

图5 风电场升压站BIM设计效果

3 风力发电BIM智能化设计技术创新及优势

国电投长垣恼里90MW风电场BIM智能化设计具有如下创新：

一是利用CAITA 3DE平台进行大尺度风电场地形处理。本项目场区范围近40km²，利用CATIA 3DE平台进行大尺度地形体处理，并利用其中最新的地形处理模块，实现了场区的精细化处理，为地形的开挖工程量核算提供了基础。

二是结合相关公式、数据，首次实现相关BIM参数化模型的建立及应用。架空线路、风机机组、户外变配电设备等设备全部实现参数化建模，相关BIM参数化模型成果亦可应用于后续其他风力发电相关项目。

三是实现了通过BIM手段实现风电场区受黄河行洪影响的动态分析。通过BIM设计手段，可以实现仿真不同洪水位高度对于场区的淹没影响。

四是实现了基于Revit与CATIA 3DE软件融合方式下的联合BIM设计。通过中间IFC文件接口，实现了Revit与CATIA软件的融合，联合实施升压变电站设计，实现了升压变电站的照明智能化设计、建筑智能化设计、管线智能化设计、景观智能化设计[2]。

风力发电BIM智能化设计的优点在于利用数字化设计手段，针对国电投长垣恼里90MW风电场工程的众多特点、难点，采用精细化、快速化、标准化的设计，在提升生产效率的同时，大幅提高设计感。同时，利用动态化的手段，突破了以往二维平面设计不够直观形象的特点，针对风力发电场全建设生命周期内的每个阶段都进行设计。经过实践比较，本次利用风力发电BIM智能化设计方式，可节约设计周期30%左右，同时提高相关设计准确度10%以上。与此同时，本方案也可以有效降低施工交底难度和提高施工效率。

4 结语

在国电投长垣恼里90MW风电场工程项目中，通过详细分析和反复探索，采用风力发电BIM智能化设计。本成果的优点在于采用精细化、快速化、标准化的设计，在提升生产效率的同时，大幅提高设计感。同时，可利用动态化的手段，突破了以往二维平面设计不够直观形象的特点，针对风力发电场全建设生命周期内的每个阶段都进行设计。风力发电BIM智能化设计手段了保证国电投长垣恼里90MW风电场工程项目设计工作的可靠性、安全性及经济性，该成果的成功运行可为其他工程设计借鉴。