BIM技術在風力發電工程項目建設全周期中的應用

李沐林 張元海

1. 東南粵水電投資有限公司 海南 海口 570208；

2. 廣東水電二局股份有限公司 廣東 廣州 511340；

3. 乳源瑤族自治縣粵水電能源有限公司 廣東 韶關 512700

建筑信息模型（BIM）技術在國內的研究經過初期的引入、摸索、應用，逐步深入到管理模式、創新等方面。BIM技術在工程項目中的應用領域也越來越廣，從傳統的民用建筑工程設計、施工、運維領域，不斷向市政、能源、石油化工、機場、軌道交通等建設領域延伸[1]。此外，“互聯網＋”的概念被正式提出之后迅速發酵，各行各業紛紛嘗試借助互聯網思維推動行業發展，“BIM＋地理信息系統（GIS）”“BIM＋3D掃描”“BIM＋3D打印”等“BIM＋”集成技術也應運而生。

如“BIM＋GIS”集成技術，目前已在水利工程、軌道交通和市政工程、地下空間管理、場地分析、城市規劃建設管理、建筑文物保護修復等方面得到了較好的應用[2]；“BIM＋3D掃描”集成技術已廣泛應用于工程測量領域，“BIM＋3D打印”集成技術主要應用于裝配式建筑中，“BIM＋項目管理（PM）”集成技術也在項目管理方面發揮著極大的作用，提升了項目綜合管理能力和管理效率。隨著BIM應用逐步走向深入，雖然單項“BIM＋”集成技術在國內應用越來越廣泛，但多項集成技術綜合應用的實例依舊較少，尤其是在清潔能源領域的應用更為少見。

近年來，我國風力發電事業快速推進，裝機量大幅度提升。隨著國內風力發電的快速開發，市場競爭日趨激烈。為此，各參建單位、廠商紛紛采取措施控制風力發電場建設各環節成本，一定程度上降低了風力發電場開發費用，但風力發電場總體建設投資成本仍處于較高水平[3]。推動BIM技術在風力發電工程項目中的應用，將為解決建設難題、降低建設成本、縮短建設工期提供技術支撐。

本文以廣東韶關乳源大布二期120 MW風力發電項目為背景，介紹了BIM技術在風力發電工程項目建設全周期的集成應用，并推廣應用至山東濱州粵水電沾化濱海二期36 MW風力發電項目中，取得了顯著成效，本技術也可為其他清潔能源項目提供借鑒。

1 項目概況

廣東韶關乳源大布二期風力發電場高程范圍為730～1 240 m，場址范圍約20 km2，建設場址山高坡陡（圖1），周邊環境復雜，既有國家級自然保護區，又有采礦區和采石區，常年伴有大霧（圖1），冬季有降雪覆冰現象，為復雜山地風力發電場。

圖1 大布二期風力發電場場址實景

大布二期風力發電場總裝機容量為120 MW，為自投自建自營項目，投資大，涉及全生命周期建設，傳統的風力發電建設技術不能滿足項目規劃、設計、施工、運維及成本控制的要求。綜合應用“BIM＋GIS”“BIM＋3D掃描”“BIM＋3D打印”“BIM＋PM”等集成技術可以有效解決上述難題。

2 “BIM＋”集成技術應用情況

2.1 設計階段

1）“BIM＋GIS”集成應用。“BIM＋GIS”集成應用可提高大規模區域性工程的管理能力，利用GIS宏觀尺度上的功能，可將BIM的應用范圍從單體建筑擴展到地形。如創建風力發電場地形模型，使用Bigemap地圖軟件下載風力發電場位置高程數據，將高程數據導入Global Mapper軟件，換算地理坐標生成等高線，將等高線文件導入Revit軟件中生成三維地形，建立初始地形模型（圖2）。

圖2 初始地形模型

2）“BIM＋3D掃描”集成應用。3D掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術。3D激光掃描技術可以大面積高分辨率地快速獲取被測量對象表面的3D坐標數據，與BIM及GIS技術綜合應用，為快速建立物體3D模型提供數據支撐，形成互補。該項目操作無人機搭載3D激光掃描儀對地形進行掃描，使用Trimble Business Center軟件分析處理獲取的地形點云數據（圖3），使用BIM軟件建立精確地形模型（圖4）。

圖3 地形點云數據

圖4 精確地形模型

3）“BIM＋CFD”集成應用。結合基于求解N-S流體方程的CFD軟件，模擬計算風力發電場風資源圖，通過“BIM＋GIS”技術，對微觀選址進行優化，把可行性研究階段80臺風機調整至60臺。通過“BIM＋3D掃描”技術對微觀選址進一步優化，把首次優化后的60臺風機調整至49臺。選址優化縮小了場區占地面積，交通道路從50 km下降至29 km，節約了項目投資2 150萬元，減少了施工量，加快了項目施工進度。

2.2 施工階段

1）“BIM＋PM”集成應用。PM是指在限定的工期、質量、費用目標內對項目進行綜合管理以實現預定目標的管理工作。“BIM＋PM”集成應用，充分利用了BIM的可視性、可分析性、可共享性及可管理性等特性，為項目管理提供了可視化管理手段、分析功能、數據支持，比如模型創建、碰撞檢查、施工進度模擬、三維技術交底、工程量統計、項目成本分析以及可視化漫游等。

① 設備構件模型建立（圖5）。風力發電項目設備構件型號及數量較多，建立風力發電項目設備構件專用族庫，減少重復建模，提高效率。

圖5 設備構件模型

② 升壓站模型建立。按結構、建筑、機電專業分別建模，鏈接各專業模型進行合模，碰撞檢查發現沖突及時做出優化調整，創建場地模型并添加相關設備族形成升壓站整體模型（圖6）。

圖6 升壓站模型

③ 風機結構模型建立。利用已創建的風機基礎、塔筒、機艙、葉輪等設備構件模型，按照相對位置進行精確合模，形成風機結構模型。

④ 施工進度模擬。基于BIM的4D施工進度模擬為施工進度計劃的優化與編制、現場施工進度管理、項目建設工期的縮短等帶來了幫助。針對半直驅大仰角風機吊裝進行進度模擬（圖7），吊裝過程采取兩階段變槳動態調整，將傾斜上仰角方式由被動變為主動，有效縮短吊裝作業時長，降低吊裝作業安全風險。

圖7 風機吊裝進度模擬

⑤ 三維技術交底。基于BIM的三維技術交底有效提高了交底內容的直觀性和準確性，使施工班組能夠很快理解設計方案和施工方案，保證了施工目標的順利實現。如對風機基礎應力應變計安裝進行三維技術交底（圖8），有效解決傳統技術交底不深入，施工人員理解不到位的問題，使施工人員能夠直觀認識項目關鍵節點。

圖8 應力應變計安裝

⑥工程量統計。施工中的預算超支現象十分普遍，缺乏可靠的基礎數據是造成預算超支的重要原因。基于BIM技術，可以實時、準確地提供所需的各種工程量信息，快速生成相關數據統計表，實現各專業工程量的快速統計和查詢。

2）“BIM＋物聯網”集成應用。物聯網體系結構包括感知層、接入傳輸層、智能處理層、應用層，而二維碼技術則屬于物聯網體系結構中的感知層。結合二維碼技術，可根據BIM模型快速生成和打印二維碼，作為人、機交互的顯示方式以及設備驗收、運維、查檔的入口。借助二維碼，可快速獲取相關信息，縮短項目工作人員查詢時間，提高查詢效率，達到模型的輕量化、移動化和多端協同。

3）“BIM＋虛擬現實”集成應用。“BIM＋虛擬現實”集成應用可提高仿真的真實性。傳統的表達方式，只能傳遞建筑物的部分信息，而使用虛擬現實技術可以實現虛擬場景構建、交互式場景漫游、安全技術交底，將任意相關信息整合到已構建的虛擬場景當中，提高仿真工作的交互性及工程質量。

2.3 運維階段

1）“BIM＋3D掃描”集成應用。利用地面站3D激光掃描儀，可以針對特定對象進行固定掃描。對已投入運行的風機葉片、機艙及升壓站GIS室等復雜異形結構進行掃描，獲取點云數據，完善模型建立。

2）“BIM＋3D打印”集成應用。基于BIM和3D打印技術制作復雜構件。3D打印機由計算機操控，只要有數據支撐，可將任何復雜異形構件快速、精確地制造出來，結合3D激光掃描，可快速獲取復雜模型點云數據，建立模型，為3D打印提供數據支撐，形成備品備件族庫，解決運維期間復雜零部件緊急供應問題。

3）“BIM＋虛擬現實”集成應用。構建虛擬場景，利用VR設備，對主變壓器、SVG降壓變壓器、高壓開關柜等實現交互式場景漫游，提高運維工作效率及運維人員培訓效果。

2.4 集成技術應用效果

本技術依托粵北地區山高坡陡、降雪覆冰的乳源大布山地風力發電項目，把7項“BIM＋”集成技術全面應用于項目的設計階段、施工階段和運維階段，使得大布二期風力發電場提前并網發電，并已連續安全運行逾250 d。

3 不足及改進

BIM集成技術在大布二期風力發電場建設全生命周期的應用中，沒有注重與風力發電廠家及升壓站設備廠家在BIM方面的數據連通，導致相關設備BIM數據不能及時提供，阻礙了BIM數據庫的快速建立和完善，增加了施工期和運維期的BIM成本投入。

在今后項目建設中，需要注重建設各方協同合作，在設計招標、設備招標、施工招標過程中提出BIM專用條款要求，形成建設方、設計方、供應商、施工方四位一體的BIM集成化模式，實現BIM數據庫的快速建立，提高BIM應用水平，形成廣泛的BIM合作應用聯合體。

4 結語

1）把“BIM＋GIS”“BIM＋3D掃描”“BIM＋CFD”3項集成技術綜合應用于設計階段風機微觀選址和風機方案優化組合，節約建設成本5 632.19萬元，體現了BIM技術設計前端巨大效益。

2）把“BIM＋PM”“BIM＋物聯網”“BIM＋虛擬現實”3項集成技術綜合應用于山地風力發電場施工的全過程中，提升了現場施工管理水平，綜合效果明顯，節約施工工期2個月，施工過程無安全事故發生，且取得一定的經濟效益。

3）把“BIM＋3D掃描”“BIM＋3D打印”“BIM＋虛擬現實”3項集成技術綜合應用于項目運營期。“BIM＋3D打印”技術解決了電站運營期間復雜零部件應急難題，“BIM＋3D掃描”及“BIM＋虛擬現實”技術促進了新進運維人員培訓和方案討論感觀體驗。

將“BIM＋GIS”“BIM＋3D掃描”“BIM＋CFD”“BIM＋PM”“BIM＋物聯網”“BIM＋虛擬現實”“BIM＋3D打印”7項BIM集成技術全面應用于風力發電項目的設計、施工、運營全過程，綜合效益良好，可推廣應用于其他清潔能源領域。