BIM技術(shù)在風(fēng)電場建設(shè)中的開發(fā)應(yīng)用

文 | 肖劍，叢歐，郝華庚，王鴻田

近年來，我國風(fēng)電事業(yè)快速推進(jìn)，裝機(jī)量大幅度提升。隨著國內(nèi)風(fēng)電的快速開發(fā)，市場競爭日趨激烈。為此，各業(yè)主、廠商紛紛采取措施控制風(fēng)電場建設(shè)各環(huán)節(jié)成本，一定程度上降低了風(fēng)電場開發(fā)費(fèi)用，但風(fēng)電場總體建設(shè)投資成本仍處于較高水平。風(fēng)電場建設(shè)主要成本包括：整機(jī)設(shè)備、輸變電工程、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)費(fèi)用等。基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中以風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)、場區(qū)道路、升壓站及場區(qū)輸變電工程為主要成本。

BIM是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，建筑全生命周期為主線，將建筑產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)關(guān)聯(lián)起來并集成項(xiàng)目相關(guān)信息的數(shù)據(jù)模型。在工程實(shí)施全生命周期中，建筑物的所有信息以數(shù)字形式保存在數(shù)據(jù)庫中，以便于更新和共享，該模型由若干建筑構(gòu)件組成，構(gòu)件的相關(guān)屬性如幾何尺寸、位置、材質(zhì)、構(gòu)造、成本等被賦予其中，其設(shè)計(jì)過程為參數(shù)化輸入，這也是其區(qū)別于傳統(tǒng)的CAD等設(shè)計(jì)軟件的關(guān)鍵，交付物由二維圖紙變成三維數(shù)字化模型載體。

BIM技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑行業(yè)，目前風(fēng)電場建設(shè)BIM技術(shù)應(yīng)用尚屬于初級(jí)階段。本文通過在設(shè)計(jì)施工等方面的探索應(yīng)用，梳理針對(duì)風(fēng)電場建設(shè)中各環(huán)節(jié)的難點(diǎn)、痛點(diǎn)問題，制定符合風(fēng)電場建設(shè)特點(diǎn)的BIM技術(shù)解決方案，實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維過程的合理優(yōu)化和降低成本目的，推進(jìn)BIM技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)展開，為降低風(fēng)電場建設(shè)成本提供技術(shù)保障。

風(fēng)電場項(xiàng)目特點(diǎn)

風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目涉及的地域、時(shí)間、空間跨度大，快速、準(zhǔn)確地進(jìn)行數(shù)據(jù)交換非常重要，要求對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行方案制定、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、構(gòu)件監(jiān)造、精度算量、施工設(shè)計(jì)及運(yùn)維管理等。風(fēng)電場建設(shè)項(xiàng)目多，協(xié)同工作數(shù)據(jù)量大，本專業(yè)、專業(yè)間協(xié)同都亟待解決。目前，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)主要有三種形式：基礎(chǔ)環(huán)式基礎(chǔ)、錨栓式基礎(chǔ)、混塔基礎(chǔ)，這幾類均是經(jīng)過較多項(xiàng)目驗(yàn)證、得到優(yōu)化和較為成熟的基礎(chǔ)形式。升壓站的設(shè)計(jì)區(qū)別于大型工業(yè)建筑，建筑占地相對(duì)較小，樓宇及附屬設(shè)施功能區(qū)域明確，生產(chǎn)區(qū)、生活區(qū)功能劃分配置固定。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基于場區(qū)功能需求，與傳統(tǒng)民用建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)一致。風(fēng)電場建設(shè)集中在風(fēng)能資源好的偏遠(yuǎn)地區(qū)，如山地、戈壁、潮間帶、海上和島嶼等，地勢復(fù)雜多變，按照道路設(shè)計(jì)要求，傳統(tǒng)測繪工作量巨大且周期較長。道路設(shè)計(jì)專業(yè)之間，如路線、路基、路面、橋梁專業(yè)；基礎(chǔ)、升壓站設(shè)計(jì)專業(yè)之間，如電氣、水暖電、設(shè)備等，存在上下游之間數(shù)據(jù)交換不暢通、信息不對(duì)稱等問題，統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理難度大。

圖1 風(fēng)電場集成平臺(tái)架構(gòu)

BIM技術(shù)在風(fēng)電場建設(shè)中的應(yīng)用

根據(jù)各業(yè)務(wù)領(lǐng)域特點(diǎn)，分別進(jìn)行BIM技術(shù)研發(fā)應(yīng)用，逐步推進(jìn)，并形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，采用由點(diǎn)及面的方式，實(shí)現(xiàn)了從單個(gè)項(xiàng)目到同類專業(yè)，形成全面覆蓋數(shù)字化風(fēng)電場的集成。

（1）風(fēng)電場數(shù)字化規(guī)劃平臺(tái)：分析業(yè)務(wù)流程，借鑒行業(yè)成功經(jīng)驗(yàn)和優(yōu)秀實(shí)踐，結(jié)合自身業(yè)務(wù)領(lǐng)域的特點(diǎn)，開發(fā)引入適合自身需要的應(yīng)用方法及軟硬件平臺(tái)；

（2）設(shè)計(jì)階段：采用BIM技術(shù)輔助進(jìn)行相關(guān)專業(yè)設(shè)計(jì)、管理工作，以解決傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)階段測繪時(shí)間長、專業(yè)協(xié)調(diào)性差、設(shè)計(jì)周期長等問題；

（3）施工階段：制定符合風(fēng)電場建設(shè)的BIM技術(shù)解決方案，擴(kuò)展信息模型后應(yīng)用水準(zhǔn)，通過三維工藝展示，提高風(fēng)電場各專業(yè)溝通效率和管理水平。

一、風(fēng)電場數(shù)字化規(guī)劃平臺(tái)

風(fēng)電場工程復(fù)雜，工期緊張，專業(yè)多，項(xiàng)目彼此間獨(dú)立進(jìn)行，信息之間存在傳遞壁壘，數(shù)據(jù)共享困難，導(dǎo)致圖紙問題多、管理難度大，造成工期延誤。風(fēng)電場建設(shè)集成平臺(tái)基于現(xiàn)有研發(fā)軟件基礎(chǔ)，賦予適用于專業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，具有自檢以及共檢模型沖突和修改功能，面向風(fēng)電場全生命周期，建立融合多類型模型，實(shí)現(xiàn)多專業(yè)、多精度數(shù)據(jù)互通的可執(zhí)行數(shù)據(jù)庫（如圖1）。平臺(tái)能有效實(shí)現(xiàn)在建設(shè)前期、施工中期和維護(hù)后期重要階段中風(fēng)電場景真實(shí)感可視化（如圖2）和施工方案的自適應(yīng)、評(píng)估、管理，統(tǒng)一模型數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)前端、施工過程、運(yùn)營維護(hù)管理等一體化操作。

圖2 風(fēng)電場集成模型

二、風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊

經(jīng)過發(fā)展與項(xiàng)目實(shí)踐，風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)趨于定制化、標(biāo)準(zhǔn)化?；A(chǔ)結(jié)構(gòu)定型后，繪制施工圖階段，應(yīng)用傳統(tǒng)CAD軟件會(huì)耗費(fèi)大量人力，且基礎(chǔ)鋼筋排布形式密集復(fù)雜，與電氣、塔架工作設(shè)計(jì)密切相關(guān)，協(xié)同工作需要準(zhǔn)確同步及時(shí)。以混合塔架為例，混凝土段內(nèi)含有大量預(yù)埋件、開孔等構(gòu)造與鋼筋交錯(cuò)。分段、分縫處的構(gòu)造形式、連接方式等都需要合理設(shè)計(jì)，才能保證構(gòu)件制作、安裝過程中的質(zhì)量控制。施工難度大，現(xiàn)澆及預(yù)制構(gòu)件制作質(zhì)量嚴(yán)格，附件安裝精度要求高，工期緊，如果現(xiàn)場質(zhì)量控制精度不夠，將造成返工。

BIM技術(shù)主要應(yīng)用在基礎(chǔ)三維設(shè)計(jì)、參數(shù)化建模、快速出圖等（如圖3），借助計(jì)算分析所得數(shù)據(jù)，利用二次開發(fā)軟件進(jìn)行參數(shù)化模型快速搭建，創(chuàng)建風(fēng)電場內(nèi)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)整體三維模型，實(shí)現(xiàn)協(xié)同設(shè)計(jì)和工程量、圖紙一鍵輸出等（如圖4）?；诮ㄖ畔⒛Ｐ瓦M(jìn)行方案可視化、三維交底等，可以降低基礎(chǔ)設(shè)計(jì)過程中的人力和時(shí)間成本，提高風(fēng)電建設(shè)的工作效率和施工預(yù)算精度，增強(qiáng)項(xiàng)目現(xiàn)場施工溝通效率，降低返工率等。

圖3 參數(shù)設(shè)計(jì)界面

對(duì)于混塔混凝土段設(shè)計(jì)，運(yùn)用三維模型進(jìn)行相關(guān)專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢查（如圖5），利用動(dòng)畫模擬構(gòu)件制作、裝配工藝獲得較好的實(shí)踐驗(yàn)證效果。

圖4 風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)功能部署

圖5 碰撞檢查

三、升壓站設(shè)計(jì)模塊

通過分析計(jì)算約束條件，并結(jié)合地形信息系統(tǒng)生成風(fēng)電場升壓站選址區(qū)域，計(jì)算分析該區(qū)域內(nèi)填挖量最小的升壓站選址區(qū)域，從而確定升壓站位置。風(fēng)電場升壓站設(shè)計(jì)基于電氣一次、二次等生產(chǎn)區(qū)設(shè)備功能配置，結(jié)合建筑樓宇結(jié)構(gòu)區(qū)、附屬結(jié)構(gòu)區(qū)形成集成化模塊（如圖6），具有建筑信息及設(shè)備信息屬性，并進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，可修改調(diào)整模塊內(nèi)參數(shù)設(shè)置。模塊族嵌入實(shí)際設(shè)計(jì)項(xiàng)目，具有快速生成二維圖紙的功能，實(shí)現(xiàn)由三維轉(zhuǎn)二維過程。不同項(xiàng)目升壓站設(shè)計(jì)過程中，合理調(diào)取相應(yīng)功能區(qū)建筑模塊族，根據(jù)場址及容量配置的具體情況進(jìn)行定制化的配備，減少重復(fù)繪圖工作，縮短設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)效率，采用預(yù)制裝配式快速施工組裝，降低風(fēng)電場升壓站設(shè)計(jì)費(fèi)用。

圖6 升壓站模塊族標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)

四、道路和集電線路自動(dòng)設(shè)計(jì)

BIM結(jié)合地形信息系統(tǒng)，對(duì)擬建場地和建筑物進(jìn)行三維建模，可以快速得出分析結(jié)果，幫助在規(guī)劃階段評(píng)估場地的使用條件，從而規(guī)劃出最合適的場地位置、合理的交通路線等。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組規(guī)劃點(diǎn)位、升壓站面積、場址高程差、送出線路方向等參數(shù)進(jìn)行變電站自動(dòng)選址；基于無人機(jī)三維實(shí)景建模實(shí)現(xiàn)道路自動(dòng)選線（如圖7）和集電線路自動(dòng)規(guī)劃設(shè)計(jì)（如圖8）。

五、施工階段

三維可視化不僅可以讓施工人員清晰了解到建筑物本身的形式特點(diǎn)、空間組成、操作環(huán)境、施工工藝等，還可以充分驗(yàn)證施工方案的合理性，及時(shí)優(yōu)化方式方法。一般的施工及管理人員對(duì)施工要求、方法工藝了解不夠，技術(shù)水平不足，采用常規(guī)的技術(shù)交底溝通效率較低，不利于工程質(zhì)量的控制，也不利于建立專業(yè)化施工隊(duì)伍。三維技術(shù)交底內(nèi)容明確直觀，方便施工現(xiàn)場對(duì)分包工程質(zhì)量的控制，如模型可直觀地表達(dá)出配筋的三維布筋情況，降低了布筋技術(shù)交底難度，幫助工人更好地理解設(shè)計(jì)意圖。在設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)場的施工環(huán)境以及相關(guān)的施工工藝流程，提取施工階段需要的信息，通過對(duì)模型剖切、漫游以及制作工藝動(dòng)畫等（如圖9），制定出高效合理的施工組織設(shè)計(jì)。

圖7 道路自動(dòng)選線

圖8 集電線路自動(dòng)規(guī)劃

圖9 施工工藝動(dòng)畫

引入5D施工管理系統(tǒng)（如圖10），在三維模型基礎(chǔ)上添加時(shí)間與成本信息，構(gòu)成以工程建筑、造價(jià)、進(jìn)度為參考的管理模式，合理管控施工過程中的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)。BIM技術(shù)在施工階段的廣泛應(yīng)用提高了溝通效率，減少了設(shè)計(jì)錯(cuò)誤，降低返工成本，為項(xiàng)目實(shí)施階段提供了合理有效的參考。

圖10 施工進(jìn)度模擬

結(jié)語

在BIM技術(shù)設(shè)計(jì)方案中，基于完整統(tǒng)一的數(shù)據(jù)模型，各項(xiàng)目的設(shè)計(jì)人員可以通過同一平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享，通過對(duì)模型的導(dǎo)入、輸出、修改和實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，真正實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作流程。通過對(duì)風(fēng)電機(jī)組基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模塊、升壓站設(shè)計(jì)模塊、道路和集電線路設(shè)計(jì)模塊等各專業(yè)模塊進(jìn)行快速、自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高設(shè)計(jì)效率。

BIM技術(shù)在風(fēng)電工程中的應(yīng)用，提高了工程全流程管理的平臺(tái)集成化、信息化水平，在控制項(xiàng)目成本、縮短施工工期、提高工程質(zhì)量中起到重要的作用，為度電成本降低奠定良好基礎(chǔ)。未來我們將繼續(xù)探索BIM技術(shù)在風(fēng)電行業(yè)的研發(fā)應(yīng)用，為新能源建設(shè)發(fā)展提供更多的幫助。