BIM 技术在海上风机基础工程的应用

2022-07-08晁娈娈CHAOLuanluan吕村LVCun

价值工程 2022年21期

晁娈娈CHAO Luan-luan；吕村LV Cun

（①菏泽城建工程发展集团有限公司，菏泽274000；②青岛工学院建筑工程学院，青岛266300）

0 引言

我国海上风电发展潜力巨大，截止2022 年，海上风电装机容量已达30GW，成为了仅次于英国和德国的全球海上风电装机容量的第三大国[1]。发展海上风电是我国“十四五”新能源开发的重要方向，符合国家的重大发展战略目标和方向，同时可缓解环境污染、能源紧缺等问题，尤其可以缓解沿海发达地区长期的用电紧张局面[2]。海上环境复杂多样，如海床地质结构及海床表面地形的多样性，风荷载、洋流荷载和波浪荷载的联合作用，以及洋流冲刷导致的海床表面地形变化等，从而影响海上风电场风机基础的承载性能与稳定性。海上风机基础的稳定性又是海上风机正常运行至关重要的组成部分。目前，海上风机基础形式主要大直径单桩基础、群桩基金、重力式基础以及吸力基础。大直径单桩及群桩基础的安装需要重型的打桩设备，使其只能适用于浅海区域，而重力式基础由钢筋混凝土浇筑而成，依靠其自身的重力来承载，需要由大型拖船托运至预定的海域海床现场吊装，基础吊装前还需要平整海床地基，因此施工造价较高，且基础只能适用于浅水区[3-4]。此外，大直径桩基础、群桩基金及重力式基础在服役期满（一般为25 年）后无法移除或回收，造成风电风机服役接受后风场弃置现象，造成资源浪费。吸力基础是一种新型的海上风场风机基础形式，因其钢材用量及工程造价低、施工安装简单、服役期满可回收利用等优点备受关注，当前已投入工程实践使用。吸力基础最早应用于海洋油气平台的基础和锚固漂浮结构物[5]，近年来被用作海上风电塔架、测风塔以、升压站基础等，尤其适合应用于深海海域。

随着新一轮科技创新和产业变革进程的推进，建筑信息模型技术（building information model，简称BIM）在风电场基础工程的应用开始被发掘。如Chao[6]介绍了BIM 在绿色能源风能和地热能等工程开发上的应用；刘占省[7]将BIM 技术应用于风电塔的结构设计和施工过程中，尹硕[8]则探讨了BIM 技术在桶式基础结构配筋设计中的应用，完善了钢筋混凝土桶式基础的钢筋配筋设计。BIM 技术最早用于建筑行业中，致力于建筑结构的设计优化、工程量与造价计算、施工方案交底与变更、虚拟施工及碰撞检测，被称为建筑行业的第二次革命，倍受政府推崇。例如BIM技术在香港港岛东中心项目、上海国际金融中心项目、国家游泳中心（水立方）、港珠澳大桥、深水航道、山体边坡支护及隧道工程项目中得到较好的应用[9]。工程实践表明，在建筑行业中应用BIM 技术具有许多的优势，为工程项目的方案优化及科学施工提供了参考依据，还便于工程项目各方的协调管理。

本文为拓展BIM 技术在海上风电工程中的应用，主要探讨了BIM 在海上风电吸力基础建模、施工模拟、运营维护及全生命周期数据共享和信息化管理等方面的优势，并对海上风电工程的协同管理与信息共享提出了一些设想，使海上风电工程逐步从“粗放型”转变为“质量和效益”并重的发展模式。此研究结构可提升海上风电风机吸力基础的建模效率、施工质量及施工过程中施工进度安排，以及预测服役期间基础的承载性能、稳定性、沉降量等，进而为海上风电场防灾减灾措施的建立提供参考依据。

1 BIM 在海上风电工程的应用意义

1.1 BIM 在地质模拟中的优势

与其他建筑工程相比，海上风电工程及风电场建设具有体量大、建造复杂、设计专业多及受环境因素影响较大的特点，困扰施工进度安排及施工质量。复杂的海洋环境条件（如不良的地质条件、复杂的海床地形及恶劣的自然环境），会增加风机基础的工程造价，延缓施工进度，甚至会影响基础工程的施工质量。然而，常规的地质报告及配合查阅资料能够大概的了解海床地质分布情况，若想详细的掌握海上地质特征、地质岩土层的走向，仅靠查阅图纸是难以实现的。而且采用模型试验和数值模拟研究方法时，其地质、地形模型不能很好地的模拟现场海床地形、海上环境实际。

BIM 具有强大的建模能力，通过建立三维地质模型，将大量的岩土工程参数及地质信息整合在同一模型中，可以完整地展示海床地质、地形分布情况，还能任意的选择某层地质进行剖切、查看及标注，实现了地质勘测最可能的接近工程实际。由此，本文根据江苏龙源蒋家沙海上风电工程的勘测数据，由BIM 软件Civil 3D 建立地质模型，再由Revit 软件将其转变为数字化、形象化的三维可视化地质模型（图1），用于分析海床地质岩土层类型、土层走向、海床地形分布规律等，为后续开展吸力基础循环承载有限元分析提供依据。其中，Revit 软件由欧泰克公司开发的，是面向建造行业的BIM 三维设计与建模软件。主要功能含有：专业设计模型创建、结构管线设计、碰撞检查及监测、绘制施工图纸、模拟施工现场日照采光和降雨降雪分析等等，此外Revit 软件还可以进行二次开发，实现建筑施工过程模拟。因此，可采用Revit 软件的二次开发功能，进行吸力基础贯入预定海床地基的过程，指导工程实践中吸力大小及贯入量的计算。

图1 风电场地土层类型及分布

1.2 BIM 在吸力基础模型建立中的优势

BIM 便于建立不同结构型式的吸力基础模型，即通过建立“专用族库”的方式进行基础建模。模型参数类型包括：①几何参数；②材料参数；③成本参数。由此，在基础建模时，可直接从族库中选取不同结构型式的吸力基础，并任意调整几何尺寸、材料属性，其对应的基础成本会自动输出。而且，利用BIM 的三维可视化功能，可将吸力基础立体实物全方位、多角度及可视化的展现。图2 给出了不同结构形式吸力基础的三维模型。

图2 BIM 建立的基础模型

同时，对地质模型与吸力基础模型设置相同的项目基点及原点坐标，以进行模型整合与装配。注：在地基模型和吸力基础模型建立时，需精确定位模型的参考点，即确保地质模型与吸力基础模型的坐标系一致。由此，若将BIM创建的地质模型、吸力基础模型引入有限元分析软件（Abaqus、Ansys、Plaxis）中[10]，可克服有限元软件建立的地质模型不够精确、改变基础尺寸必须重新建模的不足，既能节省建模时间，还能提升数值模拟精度。

1.3 BIM 在吸力基础施工动态模拟的优势

海上风电吸力基础施工时，面临着诸多困难：①受海上气候、洋流和风速的影响，有效施工工期较短。②复杂的海床地形及分散的施工位置，使机械设备移动频繁。③吸力基础采用负压沉贯方法将其贯入海床，使其施工技术与传统海上风机基础的施工技术不同。为克服这些困难，可将吸力基础施工及进度计划与BIM 结合起来，并引入时间维度（即时间参数），可对吸力基础安装、基础上部风机结构（塔筒、轮毂、叶片等）吊装等施工过程进行动态模拟，直观地展现施工进度在各个时间节点上的分布，从而控制施工进度。此外，考虑海上气候、地质条件等复杂环境，通过施工动态模拟完善施工工序安排，便于规划施工机械设备布置及碰撞检测，从而提前将吸力基础施工过程中可能存在的问题充分暴露出来，以确保吸力基础安装至指定的海床位置，以及保证上部风机结构的顺利安装，避免工程返工，造成经济损失。

有限元数值模拟时，建模的精度会对模拟结果产生影响，同样BIM 模型的精度决定了具体实施应用过程中的深度。一般来说，模型参量信息越全，模拟精度及模拟结果的参考性越高，但相应的时间成本越高。因此，由BIM 建立桶型基础、地质模型模型时，可依据其应用的深度来区分模型精度，模型精度要求（在模型创建初期就应确定）见表1。

表1 模型精度要求

1.4 BIM 在海上风电运营维护中的优势

海上风电场的建设工程，需要有大量的专业施工及设计人员参与其中，各项工作交叉互联，而且牵一发动全身，需要各个分部项目的协同合作。BIM 技术的优势体现在建模和设计方面，便于各个行业专业设计人员之间更多的合作，但海上风电场的运维的阶段也至关重要。因此，在BIM的虚拟模型中，对施工建造过程、服役期间风机基础及风机结构使用模拟的细节进行充分的讨论，使得施工建设过程中的冲突大大减少、效率显著提高。

由此，BIM 不仅能模拟吸力基础的安装过程，还能在风机基础及风机结构服役期内的运营、维护方面发挥作用，即通过BIM 技术整合整个风电场的气象信息、风机结构工作信息及结构自身的建筑结构信息，对整个风电场的运营进行综合管控，体现了全生命周期内海上风电场的运营情况，并为其维护、维修及防灾减灾措施的建立提供依据。一般来说，BIM 施工建模及后期运营维护过程规划越高效，业主方、设计方、施工承包方、监理方及监测单位消耗的经历越少，从而可以更优化的配置管理人员。因此，通过BIM 技术的辅助工作，可以指定最佳的施工方案、风电机组设备维护方案，并通过风机服役期间运行模拟及数据的采集，及时预测和进行设备维护与更换，做好防灾减灾的工作。

由于海上风电工程常处于复杂的地质、地形条件及多变的海洋环境中，所涉及的数据信息量巨大，而且针对这些数据信息的管理也缺乏一个统一的协调管理平台，而BIM 技术为建立协同管理平台提供了可能。因此，针对海上风电工程，可建立覆盖其工程建设及服役过程中的全生命周期（规划、设计、施工及后期运维）的BIM 协同管理平台框架（图3）。进而，通过此平台实现多方协同作业、避免时间冲突和空间冲突，并在风电工程施工进度、造价、质量、安全及运营维护等方面得到实时反馈的数据信息，从而对风电场建设及运营进行有效的管理，既能节约成本，还能显著提高海上风电场运营产生的经济效益。