大連市莊河Ⅲ海上風電場BIM開發(fā)設計與應用

朱峰林

上海勘測設計研究院有限公司

0 引言

風力發(fā)電是目前世界新能源市場應用最廣、技術最成熟的主流新能源發(fā)電形式之一。隨著信息化的不斷推進，BIM技術在建筑工程領域應用越來越廣泛。以大連市莊河Ⅲ海上風電場為例，運用BIM技術，在三維模型的基礎上，進行了碰撞檢測、三維切圖等應用，提高了設計和出圖效率，解決了項目實施過程中的多項技術難點，使用參數(shù)化建模的方法，建立了升壓站鋼結構節(jié)點庫，極大地提高了節(jié)點出圖效率；使用二次開發(fā)的工具箱，實現(xiàn)了BIM模型在SACS和ANSYS中的轉換和應用，提高了設計效率。

1 工程概況

三峽新能源大連市莊河Ⅲ（300MW）海上風電場位于遼寧省大連市莊河海域，是東北地區(qū)首個已核準的海上風電項目及作為全國首個“智慧能源城市”的清潔能源供給側項目，對促進莊河地方經(jīng)濟發(fā)展及清潔能源建設具有重要意義。風場安裝2臺單機容量為3MW、49臺3.3MW、21臺6.45MW風電機組。風機基礎包括單樁和高樁承臺形式基礎類型。風電場南北長度8.6km，東西長度7.7km，場址中心距離岸線約22.2km，面積約63.3km2。場內(nèi)新建一座220kV海上升壓站，裝設2臺240MVA主變，風電機組通過13回35kV海底電纜匯集送至海上升壓站。海上升壓站通過2回220kV海纜送至登陸點，再通過架空線路送至陸上集控中心。

2 項目難點分析

海上風電場設計涉及眾多專業(yè)，水工、舾裝、電氣、金結、施工、規(guī)劃、暖通、給排水、建筑等，在設計與建模中內(nèi)容多協(xié)同難度大，主要有以下兩個典型的技術難點：

2.1 海上升壓站結構部分

海上升壓站的設計面臨設計難度大、設計周期短、經(jīng)驗缺乏，人員不足等多重挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)混凝土結構陸上工程，海上鋼結構工程在設計深度和工程量統(tǒng)計方面有著更高的要求，具體表現(xiàn)在需要繪制大量的連接節(jié)點詳圖，如果采用傳統(tǒng)二維工作方法，需要耗費大量工時，且極為容易出現(xiàn)錯漏。

2.2 風機基礎設計

海上風電基礎結構設計過程中，各專業(yè)需要使用SACS和ANSYS進行風機基礎、附屬構件等的建模和仿真計算，存在重復建模的問題，在使用基礎計算軟件SACS和ANSYS時存在建模困難等問題。由于項目時間短任務重，需要快速進行建模和計算，由此增加了技術難點。三維模型通常采用實體結構進行建模，而SACS為桿件體系，承臺波浪力無法在軟件中直接計算，無法直接進行模型轉換；ANSYS中鋼管樁需要采用薄壁面單元，且網(wǎng)格劃分繁瑣，三維模型也無法直接進行轉化。

3 技術方案與應用

依托上海勘測設計研究院搭建的三維協(xié)同設計平臺，使用ProjectWise進行各專業(yè)間的三維協(xié)同管理。通過對新能源、金屬結構、施工、地質等專業(yè)系統(tǒng)的有機整合，構建了海上風電場數(shù)字化整體解決方案。

3.1 模型構建

根據(jù)模型構建的原則及方法，使用Tekla軟件，完成了海上升壓站模型的建模。使用Microstation軟件，完成風機基礎模型、線路塔架、橋架等；使用ABD軟件完成海上升壓站舾裝模型；使用Solidworks軟件完成金屬結構模型；使用Geostation軟件完成地質模型。最終所有模型在Bentley平臺下進行總裝和協(xié)同，形成海上風電場全專業(yè)數(shù)字化模型，風電場全景見圖1。風機整體模型及升壓站整體模型見圖2～圖4。

圖1 大連莊河III海上風電場全景

圖2 單樁風機整體模型

圖3 高樁承臺風機整體模型

圖4 海上升壓站整體模型

3.2 三維應用

3.2.1 碰撞檢測

各專業(yè)模型在Bentley平臺下組裝完成后在Bentley Navigator中進行碰撞檢測，發(fā)現(xiàn)問題并反饋設計人員進行優(yōu)化調整，減少后期設計變更，避免后續(xù)大量施工返工工作。針對本工程升壓站設計模型，進行了電氣VS舾裝、結構VS消防、電氣VS消防、電氣VS暖通等各專業(yè)間碰撞檢測，提高了設計精度與效率。碰撞檢測效果示意圖見圖5。

圖5 碰撞檢測效果示意圖

3.2.2 三維出圖及工程量統(tǒng)計

通過Tekla Structures和Microstation實現(xiàn)三維切圖得到結構局部詳圖，如圖6所示，同時進行自動工程量統(tǒng)計，如圖7所示，提高三維出圖率，為鋼結構施工備料提供了準確的依據(jù)，并提高了設計效率。

圖6 節(jié)點三維切圖

圖7 工程量統(tǒng)計

3.2.3虛擬施工模擬

使用Bentley Navigator軟件進行施工進度模擬，對于升壓站建造、安裝的各個過程形成一個基于時間進度模擬的4D施工方案，通過三維動畫模擬安裝工藝可以幫助設計人員提前發(fā)現(xiàn)施工中可能出現(xiàn)的問題，優(yōu)化設計方案。同時，三維動畫也可以更直觀地向施工單位傳遞設計意圖，指導施工單位的海上安裝方案，更系統(tǒng)和直觀地了解各階段施工內(nèi)容，如圖8所示。

圖8 施工三維動畫模擬演示

3.2.4 多平臺交互

Tekla模型可以通過IFC格式導入Bentley平臺下的三維軟件，便于與其他專業(yè)進行協(xié)同。同時支持與計算軟件SAP2000的數(shù)據(jù)交互，可以減少建模工作量。施工模擬演示見圖9。

圖9 施工模擬演示

3.3 擴展創(chuàng)新

3.3.1 鋼結構節(jié)點參數(shù)化建模與切圖

針對海上升壓站的鋼結構節(jié)點，使用Tekla軟件進行參數(shù)化建模。Tekla可以將三維模型快速轉換成二維圖紙，支持二維圖紙與三維模型聯(lián)動，提高了出圖效率；支持快速工程量統(tǒng)計，為鋼結構施工備料提供了準確的依據(jù)，減輕了工作量。

針對海上升壓站結構部分遇到的技術難點，創(chuàng)新性的利用鋼結構詳圖設計軟件Tekla的自定義節(jié)點單元模塊，使用參數(shù)化建模方法，將海上升壓站結構中的常用節(jié)點類型通過參數(shù)化編程的方式制作成節(jié)點庫，如圖10所示，可以在不同項目中快速調用，實現(xiàn)快速建模與出圖的目的，達到鋼結構節(jié)點的正向設計，提高建模效率。與傳統(tǒng)的二維節(jié)點出圖相比，可以提高設計效率約90%。同時參數(shù)化的節(jié)點單元支持快速自定義修改，減輕了設計過程中方案變動帶來的不便。

圖10 鋼結構自定義節(jié)點庫

3.3.2 BIM在SACS與ANSYS中的應用

使用Matlab編程實現(xiàn)了將三維實體模型自動轉換成ANSYS有限元模型文件；同時可自動剖分網(wǎng)格，并生成APDL命令流文件，提高了計算效率。使用Matlab編程實現(xiàn)了將三維實體模型自動轉換成SACS桿件體系模型文件。通過二次開發(fā)BIM模型工具箱，如圖11所示，實現(xiàn)風機基礎高樁承臺結構的參數(shù)化建模、與SACS桿件體系模型互通、與ANSYS有限元模型互通的功能，解決了SACS和ANYSY中模型參數(shù)輸入耗時、繁瑣的問題，提高SACS與ANSYS中的建模計算效率。基于AutoCAD的Visual Lisp語言二次開發(fā)了multiPileGen函數(shù)，可以通過設定模型尺寸參數(shù)，直接生成對應的高樁承臺水工結構三維模型。同時針對高樁承臺荷載特點，工具箱集成了SACS中無法自動計算的部分荷載計算程序，可以計算出承臺所受的波浪力并生成荷載文件，大幅提高了計算效率。

3.3.3 電氣橋架參數(shù)化建模與應用

建立電氣支吊架參數(shù)化模型，采用邊建模、邊碰撞、邊優(yōu)化的形式，確保電氣橋架設計的合理性，實現(xiàn)其正向設計。

4 結語與展望

大連市莊河Ⅲ海上風電場BIM開發(fā)設計與應用項目建立了全專業(yè)的海上風電場三維模型，通過碰撞檢測、三維切圖、工程量自動統(tǒng)計、虛擬施工模擬等應用，提高了設計效率；通過參數(shù)化建模，形成了鋼結構節(jié)點庫，提高了設計和出圖效率；通過二次開發(fā)，實現(xiàn)了BIM模型在SACS和ANSYS中的轉換和應用，提高了設計效率。

莊河III三維設計成果廣泛應用于項目的施工圖階段，極大地提高了設計和出圖效率。在大連莊河III海上風電項目中首次實現(xiàn)了三維切圖及自動工程量統(tǒng)計，海上升壓站的鋼結構節(jié)點圖達到了正向設計水平，成果還應用到了福建興化灣項目。此成果可以廣泛應用于其他類似的海上風電項目。項目組還將繼續(xù)實現(xiàn)電氣設備屬性數(shù)字化，為后續(xù)全生命周期管理服務，最終形成設計、施工、運營為一體的全生命周期海上風電場BIM解決方案。