大連市莊河Ⅲ海上風(fēng)電場(chǎng)BIM開發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱峰林

上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

風(fēng)力發(fā)電是目前世界新能源市場(chǎng)應(yīng)用最廣、技術(shù)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(jìn)，BIM技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域應(yīng)用越來越廣泛。以大連市莊河Ⅲ海上風(fēng)電場(chǎng)為例，運(yùn)用BIM技術(shù)，在三維模型的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了碰撞檢測(cè)、三維切圖等應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)和出圖效率，解決了項(xiàng)目實(shí)施過程中的多項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，使用參數(shù)化建模的方法，建立了升壓站鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)庫，極大地提高了節(jié)點(diǎn)出圖效率；使用二次開發(fā)的工具箱，實(shí)現(xiàn)了BIM模型在SACS和ANSYS中的轉(zhuǎn)換和應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)效率。

1 工程概況

三峽新能源大連市莊河Ⅲ（300MW）海上風(fēng)電場(chǎng)位于遼寧省大連市莊河海域，是東北地區(qū)首個(gè)已核準(zhǔn)的海上風(fēng)電項(xiàng)目及作為全國首個(gè)“智慧能源城市”的清潔能源供給側(cè)項(xiàng)目，對(duì)促進(jìn)莊河地方經(jīng)濟(jì)發(fā)展及清潔能源建設(shè)具有重要意義。風(fēng)場(chǎng)安裝2臺(tái)單機(jī)容量為3MW、49臺(tái)3.3MW、21臺(tái)6.45MW風(fēng)電機(jī)組。風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)包括單樁和高樁承臺(tái)形式基礎(chǔ)類型。風(fēng)電場(chǎng)南北長(zhǎng)度8.6km，東西長(zhǎng)度7.7km，場(chǎng)址中心距離岸線約22.2km，面積約63.3km2。場(chǎng)內(nèi)新建一座220kV海上升壓站，裝設(shè)2臺(tái)240MVA主變，風(fēng)電機(jī)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(diǎn)，再通過架空線路送至陸上集控中心。

2 項(xiàng)目難點(diǎn)分析

海上風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)涉及眾多專業(yè)，水工、舾裝、電氣、金結(jié)、施工、規(guī)劃、暖通、給排水、建筑等，在設(shè)計(jì)與建模中內(nèi)容多協(xié)同難度大，主要有以下兩個(gè)典型的技術(shù)難點(diǎn)：

2.1 海上升壓站結(jié)構(gòu)部分

海上升壓站的設(shè)計(jì)面臨設(shè)計(jì)難度大、設(shè)計(jì)周期短、經(jīng)驗(yàn)缺乏，人員不足等多重挑戰(zhàn)。相比傳統(tǒng)混凝土結(jié)構(gòu)陸上工程，海上鋼結(jié)構(gòu)工程在設(shè)計(jì)深度和工程量統(tǒng)計(jì)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(diǎn)詳圖，如果采用傳統(tǒng)二維工作方法，需要耗費(fèi)大量工時(shí)，且極為容易出現(xiàn)錯(cuò)漏。

2.2 風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

海上風(fēng)電基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，各專業(yè)需要使用SACS和ANSYS進(jìn)行風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、附屬構(gòu)件等的建模和仿真計(jì)算，存在重復(fù)建模的問題，在使用基礎(chǔ)計(jì)算軟件SACS和ANSYS時(shí)存在建模困難等問題。由于項(xiàng)目時(shí)間短任務(wù)重，需要快速進(jìn)行建模和計(jì)算，由此增加了技術(shù)難點(diǎn)。三維模型通常采用實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，而SACS為桿件體系，承臺(tái)波浪力無法在軟件中直接計(jì)算，無法直接進(jìn)行模型轉(zhuǎn)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(jìn)行轉(zhuǎn)化。

3 技術(shù)方案與應(yīng)用

依托上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院搭建的三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)，使用ProjectWise進(jìn)行各專業(yè)間的三維協(xié)同管理。通過對(duì)新能源、金屬結(jié)構(gòu)、施工、地質(zhì)等專業(yè)系統(tǒng)的有機(jī)整合，構(gòu)建了海上風(fēng)電場(chǎng)數(shù)字化整體解決方案。

3.1 模型構(gòu)建

根據(jù)模型構(gòu)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(fēng)機(jī)基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)模型；使用Geostation軟件完成地質(zhì)模型。最終所有模型在Bentley平臺(tái)下進(jìn)行總裝和協(xié)同，形成海上風(fēng)電場(chǎng)全專業(yè)數(shù)字化模型，風(fēng)電場(chǎng)全景見圖1。風(fēng)機(jī)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(fēng)電場(chǎng)全景

圖2 單樁風(fēng)機(jī)整體模型

圖3 高樁承臺(tái)風(fēng)機(jī)整體模型

圖4 海上升壓站整體模型

3.2 三維應(yīng)用

3.2.1 碰撞檢測(cè)

各專業(yè)模型在Bentley平臺(tái)下組裝完成后在Bentley Navigator中進(jìn)行碰撞檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)問題并反饋設(shè)計(jì)人員進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，減少后期設(shè)計(jì)變更，避免后續(xù)大量施工返工工作。針對(duì)本工程升壓站設(shè)計(jì)模型，進(jìn)行了電氣VS舾裝、結(jié)構(gòu)VS消防、電氣VS消防、電氣VS暖通等各專業(yè)間碰撞檢測(cè)，提高了設(shè)計(jì)精度與效率。碰撞檢測(cè)效果示意圖見圖5。

圖5 碰撞檢測(cè)效果示意圖

3.2.2 三維出圖及工程量統(tǒng)計(jì)

通過Tekla Structures和Microstation實(shí)現(xiàn)三維切圖得到結(jié)構(gòu)局部詳圖，如圖6所示，同時(shí)進(jìn)行自動(dòng)工程量統(tǒng)計(jì)，如圖7所示，提高三維出圖率，為鋼結(jié)構(gòu)施工備料提供了準(zhǔn)確的依據(jù)，并提高了設(shè)計(jì)效率。

圖6 節(jié)點(diǎn)三維切圖

圖7 工程量統(tǒng)計(jì)

3.2.3虛擬施工模擬

使用Bentley Navigator軟件進(jìn)行施工進(jìn)度模擬，對(duì)于升壓站建造、安裝的各個(gè)過程形成一個(gè)基于時(shí)間進(jìn)度模擬的4D施工方案，通過三維動(dòng)畫模擬安裝工藝可以幫助設(shè)計(jì)人員提前發(fā)現(xiàn)施工中可能出現(xiàn)的問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，三維動(dòng)畫也可以更直觀地向施工單位傳遞設(shè)計(jì)意圖，指導(dǎo)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(dòng)畫模擬演示

3.2.4 多平臺(tái)交互

Tekla模型可以通過IFC格式導(dǎo)入Bentley平臺(tái)下的三維軟件，便于與其他專業(yè)進(jìn)行協(xié)同。同時(shí)支持與計(jì)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(kuò)展創(chuàng)新

3.3.1 鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)參數(shù)化建模與切圖

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

針對(duì)海上升壓站結(jié)構(gòu)部分遇到的技術(shù)難點(diǎn)，創(chuàng)新性的利用鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件Tekla的自定義節(jié)點(diǎn)單元模塊，使用參數(shù)化建模方法，將海上升壓站結(jié)構(gòu)中的常用節(jié)點(diǎn)類型通過參數(shù)化編程的方式制作成節(jié)點(diǎn)庫，如圖10所示，可以在不同項(xiàng)目中快速調(diào)用，實(shí)現(xiàn)快速建模與出圖的目的，達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)的正向設(shè)計(jì)，提高建模效率。與傳統(tǒng)的二維節(jié)點(diǎn)出圖相比，可以提高設(shè)計(jì)效率約90%。同時(shí)參數(shù)化的節(jié)點(diǎn)單元支持快速自定義修改，減輕了設(shè)計(jì)過程中方案變動(dòng)帶來的不便。

圖10 鋼結(jié)構(gòu)自定義節(jié)點(diǎn)庫

3.3.2 BIM在SACS與ANSYS中的應(yīng)用

使用Matlab編程實(shí)現(xiàn)了將三維實(shí)體模型自動(dòng)轉(zhuǎn)換成ANSYS有限元模型文件；同時(shí)可自動(dòng)剖分網(wǎng)格，并生成APDL命令流文件，提高了計(jì)算效率。使用Matlab編程實(shí)現(xiàn)了將三維實(shí)體模型自動(dòng)轉(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)高樁承臺(tái)結(jié)構(gòu)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(shí)、繁瑣的問題，提高SACS與ANSYS中的建模計(jì)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(shè)定模型尺寸參數(shù)，直接生成對(duì)應(yīng)的高樁承臺(tái)水工結(jié)構(gòu)三維模型。同時(shí)針對(duì)高樁承臺(tái)荷載特點(diǎn)，工具箱集成了SACS中無法自動(dòng)計(jì)算的部分荷載計(jì)算程序，可以計(jì)算出承臺(tái)所受的波浪力并生成荷載文件，大幅提高了計(jì)算效率。

3.3.3 電氣橋架參數(shù)化建模與應(yīng)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(shè)計(jì)的合理性，實(shí)現(xiàn)其正向設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語與展望

大連市莊河Ⅲ海上風(fēng)電場(chǎng)BIM開發(fā)設(shè)計(jì)與應(yīng)用項(xiàng)目建立了全專業(yè)的海上風(fēng)電場(chǎng)三維模型，通過碰撞檢測(cè)、三維切圖、工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、虛擬施工模擬等應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)效率；通過參數(shù)化建模，形成了鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)庫，提高了設(shè)計(jì)和出圖效率；通過二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了BIM模型在SACS和ANSYS中的轉(zhuǎn)換和應(yīng)用，提高了設(shè)計(jì)效率。

莊河III三維設(shè)計(jì)成果廣泛應(yīng)用于項(xiàng)目的施工圖階段，極大地提高了設(shè)計(jì)和出圖效率。在大連莊河III海上風(fēng)電項(xiàng)目中首次實(shí)現(xiàn)了三維切圖及自動(dòng)工程量統(tǒng)計(jì)，海上升壓站的鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)圖達(dá)到了正向設(shè)計(jì)水平，成果還應(yīng)用到了福建興化灣項(xiàng)目。此成果可以廣泛應(yīng)用于其他類似的海上風(fēng)電項(xiàng)目。項(xiàng)目組還將繼續(xù)實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備屬性數(shù)字化，為后續(xù)全生命周期管理服務(wù)，最終形成設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營為一體的全生命周期海上風(fēng)電場(chǎng)BIM解決方案。