BIM技术在海上风电项目施工技术中的应用分析

李春雷，崔浩然

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300461）

由于BIM 技术在工程应用中具有可视化、协调性、模拟性、优化性等方面的优势，近年来在工程应用领域得到了大力推广及普及。在国家“3060”节能减排目标的引导下，海上风电施工作为近年来较热门施工领域，具有较好的发展前景。在海上风电施工技术管理过程中，通过系统地应用BIM 技术，对施工技术工艺的复核及执行起到了较好的促进作用，利于工程实施的工效提升及节能降耗。

本文以江苏大丰、启东海上风电项目为应用背景，此两个项目均为外海无掩护海域海上风电项目，其中江苏大丰海上风电项目为在建时离距离最远的海上风电项目，离岸距离约70km，江苏大丰海上风电项目一期工程总装机容量300MW，江苏启东H1/H2 海上风电项目总装机容量500MW，海上风电施工基础为大直径单桩（钢管桩直径在6m 及以上）及四桩导管架基础，完成沉桩施工后安装集成式附属构件，最后分体式装配安装海上风力发电机组。

在上述海上风电施工技术管理过程中，通过对BIM相关软件及技术的不断应用，确保了施工工艺计算校核的准确性，同时通过BIM 模型的建立，实现结构件的碰撞分析，避免材料浪费及保证工程量计算的准确。通过三维建模进行可视化交底，确保工艺落实形象直观。

1 应用实践分析

在江苏大丰及启东海上风电施工过程中，BIM 技术的应用基础工作为BIM 模型的建立，达到一次建模，多方面应用的目的，通过采用多种BIM 软件围绕BIM 模型，充分发挥BIM 技术的优势，实现施工工艺组织及落实工作。应用范围包括工程可视化、模拟性、结构碰撞分析、结构受力分析、工程量计算。其中涉及的相关软件应用有Revit、Inventor、Midas 等。

1.1 工程可视化

可视化即“所见所得”，在海上风电施工工艺准备时，根据所配置的施工船舶，采用软件建立可视化模型（图1），将二维平面分析转换为三维效果展示，根据实施方案确定主吊船、辅吊船、运输船的位置，并将以下吊装过程展示应用于方案工艺讨论现场实施可视化交底中，起到了直观、高效的效果。海上风电施工应用的关键部位为：大直径立桩过程、风机叶轮组拼及起吊对接过程。

图1 吊装工程可视化模型

1.2 结构碰撞分析

在复杂钢结构制造方面，在施工前，根据设计图纸建立模型，模拟建造过程，并能发现构件碰撞问题，在开工前与设计单位沟通解决，避免材料浪费及过程中工期的损失。在依托海上项目施工中，对集成式附属构件及导管架结构进行建模，在模拟建造过程中发现类似图2中结构尺寸不准确、结构细节需特别注意的问题。

图2 集成式附属构件模型分析

在沉桩吊装过程中，通过软件分析模拟，将吊机吊钩中心与钢管桩重心约束在一条垂线上，来模拟钢管桩的翻桩过程，重点核实钢管桩在翻转的过程中与起重机大臂是否有碰撞。在风机安装过程中，通过建立船体模型及叶轮模型，分析在组拼过程中及整体叶轮吊装过程中是否有干涉。

图3 施工过程模拟分析

1.3 结构受力分析

1．3．1 钢管桩整体受力分析

钢管桩参数如下表1所示。

表1 典型钢管桩参数统计表

由于钢管桩结构尺寸较大，管节焊缝较多，手算难度较大，计算采用Inventor 软件进行单桩结构进行桩体分析，主吊耳位置及桩底进行固定约束。现场吊桩时，吊点位置：主吊耳为设计双面主吊耳，辅助吊点位于桩下部。以18#桩为例进行平吊及立吊状态受力分析。

1．3．1．1 平吊

桩身应力云图及形变图如下所示。

图4 平吊状态桩身应力云图及形变图

由计算可知，桩身在平吊时，主吊耳位置等效应力最大（靠近桩顶侧），等效应力最大值为143.4MPa，DH36 钢材屈服强度为355MPa，强度满足要求。主吊耳及翻身吊耳约束后，位移最大位置位于桩顶，最大值为6mm，满足要求。

1．3．1．2 立吊

桩身应力云图及形变图如下所示。由计算可知，桩身在立吊时，主吊耳位置等效应力最大，等效应力最大值为245.6MPa，DH36 钢材屈服强度为355MPa，满足要求。主吊耳约束后，位移最大位置位于桩顶，最大值为1.42mm，满足要求。

图5 立吊状态桩身应力云图及形变图

1．3．2 吊耳板结构受力分析

在本项目施工过程中，对于施工用吊耳板的设计，通过传统手算无法准确分析整体吊耳板受力情况，但通过BIM 软件建模后，可通过对模型施加相符的约束状态及受力大小及方向，对整体结构进行应力和应变的分析。

1．3．2．1 吊装工装结构形式

工装采用Q345B 材质钢板进行制作，所有焊接位置采用全熔透坡口焊，制作尺寸如下图所示。

图6 吊装工装结构形式

绘制吊耳板结构件BIM 模型，如下图所示。

图7 吊耳示意图

1．3．2．2 应力及变形分析

对吊装工装进行受力模拟分析，受力分析思路为：工装底部固定约束，荷载考虑在吊耳孔的荷载，荷载值垂直向上575KN，水平方向332KN，分析重点为工装应力及变形，主要分析结果如下所示。

应力云图如下图8所示，工装最大应力为110.4MPa，工装材质为Q345B，应力远小于材料应力，满足要求。变形图如下图9所示，最大变形0.12mm，满足要求。由于建模的局限性，受力点位置应在斜向上60°位置。

图8 吊耳应力云图及变形图

图9 复杂结构工程量计算图例

1.4 工程量计算

对于海上风电施工，大部分结构为钢结构，在工程量计算时，按照净量计算的原则，在计算异形结构时，采用手算耗时长，易出错，尤其导管架基础形式，通过BIM 建模，能够实现异形结构的快速出量，且较为准确。本项目对异形导管架、钢管桩及集成式附属构件均建立了BIM 模型，实现快速算量及工程量的校核工作。

2 应用效益

将BIM 技术应用于海上风电项目施工，在可视化方面，使项目施工工艺管理更直观，指令传达更清晰，更利于工艺的传达与执行，有效的确保了工程的施工质量及提升施工效率。

通过结构碰撞分析，避免施工过程中产生材料等资源的浪费，减少返工率及窝工率，且海上风电施工均为特定形式（大直径管桩、塔筒、机舱、叶片、叶轮等）大部件吊装作业，受船体甲板空间影响，船舶起重机吊装存在局限性，通过结构碰撞分析，避免了大部件吊装过程磕碰及超负荷作业，有效地保证了现场安全施工。

通过结构受力计算，针对无法手算的异形结构可快速分析结构的受力状态，保证了施工安全。

通过BIM 软件建模后工程量计算，有效避免了复杂结构工程量少算、漏算的情况，避免企业亏损，具有计算效率高，计算结果准确的特点。

3 结语

本文系统地总结了BIM 技术在海上风电施工中的具体应用，利于BIM 相关技术及相关软件的推广。BIM技术应用的核心与基础为软件模型的建立，即一次建模后，在多个方面展开应用，融入项目整个管理过程，大大减少重复工作，同时，在项目的应用实施中，也存在相应的不足，一款软件无法实现所有功能，需依托相应功能的插件，且会出现不同软件中模型导入兼容性的问题，在后续施工中还应继续总结与归纳，思路提升，实现不同软件系统性的应用，同时，应将BIM 技术与项目管理深度融合，做到项目的全过程控制。