BIM技術在風電場建設中的開發應用

文 | 肖劍，叢歐，郝華庚，王鴻田

近年來，我國風電事業快速推進，裝機量大幅度提升。隨著國內風電的快速開發，市場競爭日趨激烈。為此，各業主、廠商紛紛采取措施控制風電場建設各環節成本，一定程度上降低了風電場開發費用，但風電場總體建設投資成本仍處于較高水平。風電場建設主要成本包括：整機設備、輸變電工程、基礎設施建設費用等。基礎設施建設中以風電機組基礎、場區道路、升壓站及場區輸變電工程為主要成本。

BIM是以三維數字技術為基礎，建筑全生命周期為主線，將建筑產業鏈各個環節關聯起來并集成項目相關信息的數據模型。在工程實施全生命周期中，建筑物的所有信息以數字形式保存在數據庫中，以便于更新和共享，該模型由若干建筑構件組成，構件的相關屬性如幾何尺寸、位置、材質、構造、成本等被賦予其中，其設計過程為參數化輸入，這也是其區別于傳統的CAD等設計軟件的關鍵，交付物由二維圖紙變成三維數字化模型載體。

BIM技術廣泛應用于建筑行業，目前風電場建設BIM技術應用尚屬于初級階段。本文通過在設計施工等方面的探索應用，梳理針對風電場建設中各環節的難點、痛點問題，制定符合風電場建設特點的BIM技術解決方案，實現基礎設施設計、施工、運維過程的合理優化和降低成本目的，推進BIM技術在風電行業展開，為降低風電場建設成本提供技術保障。

風電場項目特點

風電場建設項目涉及的地域、時間、空間跨度大，快速、準確地進行數據交換非常重要，要求對整個項目進行方案制定、結構設計、構件監造、精度算量、施工設計及運維管理等。風電場建設項目多，協同工作數據量大，本專業、專業間協同都亟待解決。目前，基礎設計主要有三種形式：基礎環式基礎、錨栓式基礎、混塔基礎，這幾類均是經過較多項目驗證、得到優化和較為成熟的基礎形式。升壓站的設計區別于大型工業建筑，建筑占地相對較小，樓宇及附屬設施功能區域明確，生產區、生活區功能劃分配置固定。結構設計基于場區功能需求，與傳統民用建筑結構設計標準一致。風電場建設集中在風能資源好的偏遠地區，如山地、戈壁、潮間帶、海上和島嶼等，地勢復雜多變，按照道路設計要求，傳統測繪工作量巨大且周期較長。道路設計專業之間，如路線、路基、路面、橋梁專業；基礎、升壓站設計專業之間，如電氣、水暖電、設備等，存在上下游之間數據交換不暢通、信息不對稱等問題，統一協調管理難度大。

圖1 風電場集成平臺架構

BIM技術在風電場建設中的應用

根據各業務領域特點，分別進行BIM技術研發應用，逐步推進，并形成統一的標準，采用由點及面的方式，實現了從單個項目到同類專業，形成全面覆蓋數字化風電場的集成。

（1）風電場數字化規劃平臺：分析業務流程，借鑒行業成功經驗和優秀實踐，結合自身業務領域的特點，開發引入適合自身需要的應用方法及軟硬件平臺；

（2）設計階段：采用BIM技術輔助進行相關專業設計、管理工作，以解決傳統二維設計階段測繪時間長、專業協調性差、設計周期長等問題；

（3）施工階段：制定符合風電場建設的BIM技術解決方案，擴展信息模型后應用水準，通過三維工藝展示，提高風電場各專業溝通效率和管理水平。

一、風電場數字化規劃平臺

風電場工程復雜，工期緊張，專業多，項目彼此間獨立進行，信息之間存在傳遞壁壘，數據共享困難，導致圖紙問題多、管理難度大，造成工期延誤。風電場建設集成平臺基于現有研發軟件基礎，賦予適用于專業的標準規范，具有自檢以及共檢模型沖突和修改功能，面向風電場全生命周期，建立融合多類型模型，實現多專業、多精度數據互通的可執行數據庫（如圖1）。平臺能有效實現在建設前期、施工中期和維護后期重要階段中風電場景真實感可視化（如圖2）和施工方案的自適應、評估、管理，統一模型數據實現設計前端、施工過程、運營維護管理等一體化操作。

圖2 風電場集成模型

二、風電機組基礎設計模塊

經過發展與項目實踐，風電機組基礎設計趨于定制化、標準化。基礎結構定型后，繪制施工圖階段，應用傳統CAD軟件會耗費大量人力，且基礎鋼筋排布形式密集復雜，與電氣、塔架工作設計密切相關，協同工作需要準確同步及時。以混合塔架為例，混凝土段內含有大量預埋件、開孔等構造與鋼筋交錯。分段、分縫處的構造形式、連接方式等都需要合理設計，才能保證構件制作、安裝過程中的質量控制。施工難度大，現澆及預制構件制作質量嚴格，附件安裝精度要求高，工期緊，如果現場質量控制精度不夠，將造成返工。

BIM技術主要應用在基礎三維設計、參數化建模、快速出圖等（如圖3），借助計算分析所得數據，利用二次開發軟件進行參數化模型快速搭建，創建風電場內風電機組基礎整體三維模型，實現協同設計和工程量、圖紙一鍵輸出等（如圖4）。基于建筑信息模型進行方案可視化、三維交底等，可以降低基礎設計過程中的人力和時間成本，提高風電建設的工作效率和施工預算精度，增強項目現場施工溝通效率，降低返工率等。

圖3 參數設計界面

對于混塔混凝土段設計，運用三維模型進行相關專業的協同設計、碰撞檢查（如圖5），利用動畫模擬構件制作、裝配工藝獲得較好的實踐驗證效果。

圖4 風電機組基礎設計功能部署

圖5 碰撞檢查

三、升壓站設計模塊

通過分析計算約束條件，并結合地形信息系統生成風電場升壓站選址區域，計算分析該區域內填挖量最小的升壓站選址區域，從而確定升壓站位置。風電場升壓站設計基于電氣一次、二次等生產區設備功能配置，結合建筑樓宇結構區、附屬結構區形成集成化模塊（如圖6），具有建筑信息及設備信息屬性，并進行參數化設置，可修改調整模塊內參數設置。模塊族嵌入實際設計項目，具有快速生成二維圖紙的功能，實現由三維轉二維過程。不同項目升壓站設計過程中，合理調取相應功能區建筑模塊族，根據場址及容量配置的具體情況進行定制化的配備，減少重復繪圖工作，縮短設計周期，提高設計效率，采用預制裝配式快速施工組裝，降低風電場升壓站設計費用。

圖6 升壓站模塊族標準化設計

四、道路和集電線路自動設計

BIM結合地形信息系統，對擬建場地和建筑物進行三維建模，可以快速得出分析結果，幫助在規劃階段評估場地的使用條件，從而規劃出最合適的場地位置、合理的交通路線等。根據風電機組規劃點位、升壓站面積、場址高程差、送出線路方向等參數進行變電站自動選址；基于無人機三維實景建模實現道路自動選線（如圖7）和集電線路自動規劃設計（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、空間組成、操作環境、施工工藝等，還可以充分驗證施工方案的合理性，及時優化方式方法。一般的施工及管理人員對施工要求、方法工藝了解不夠，技術水平不足，采用常規的技術交底溝通效率較低，不利于工程質量的控制，也不利于建立專業化施工隊伍。三維技術交底內容明確直觀，方便施工現場對分包工程質量的控制，如模型可直觀地表達出配筋的三維布筋情況，降低了布筋技術交底難度，幫助工人更好地理解設計意圖。在設計模型的基礎上，結合現場的施工環境以及相關的施工工藝流程，提取施工階段需要的信息，通過對模型剖切、漫游以及制作工藝動畫等（如圖9），制定出高效合理的施工組織設計。

圖7 道路自動選線

圖8 集電線路自動規劃

圖9 施工工藝動畫

引入5D施工管理系統（如圖10），在三維模型基礎上添加時間與成本信息，構成以工程建筑、造價、進度為參考的管理模式，合理管控施工過程中的相關風險。BIM技術在施工階段的廣泛應用提高了溝通效率，減少了設計錯誤，降低返工成本，為項目實施階段提供了合理有效的參考。

圖10 施工進度模擬

結語

在BIM技術設計方案中，基于完整統一的數據模型，各項目的設計人員可以通過同一平臺實現數據的共享，通過對模型的導入、輸出、修改和實時關聯，真正實現協同工作流程。通過對風電機組基礎設計模塊、升壓站設計模塊、道路和集電線路設計模塊等各專業模塊進行快速、自動優化設計，可以提高設計效率。

BIM技術在風電工程中的應用，提高了工程全流程管理的平臺集成化、信息化水平，在控制項目成本、縮短施工工期、提高工程質量中起到重要的作用，為度電成本降低奠定良好基礎。未來我們將繼續探索BIM技術在風電行業的研發應用，為新能源建設發展提供更多的幫助。