基于BIM的海上風電全生命周期建設管理平臺研究

楊瑞睿，滕 彥

(上海勘測設計研究院有限公司，上海 200335)

基于BIM的海上風電全生命周期建設管理平臺的建設目標在于通過設計、施工和運維期三維BIM信息模型以及物聯網大數據的整合，構建一個面向場區提供集多元化服務渠道：設計施工、資產管理、風場監控管理、運維綜合服務、決策支持中心等多種服務為一體的“智慧服務運營管理平臺”。

一是利用前期在設計施工竣工階段的模型及信息在隱蔽工程及重要設施方面進行有效維護和精益管理；二是充分利用三維直觀的表現方式在進行應急預案的規劃及處理時進行有效的科學管理；三是經過運維階段各種數據的不斷積累，在BIM運維管理系統的基礎上建立云端專家庫，充分利用知識系統的力量進行高效決策，同時也節約了人力成本[1]。以互聯互通和信息共享為目的，以各類智慧化技術為基礎支撐，關聯相關業務應用和功能，實現貫穿海上風電項目全生命周期的資產和數據信息管理，為智慧化服務決策提供指導和參考依據[2]。

1 勘測設計階段建設管理平臺

1.1 風場BIM模型管理

根據場區風機規劃布置及分組情況，建立海上風電場整體規劃模型，包括風機基礎模型、風機機組模型、海上升壓站模型、地形地質模型，模型深度同施工圖出圖深度。

1.2 海上升壓站模型管理

完成海上升壓站下部導管架和上部平臺整體的三維建模。包括結構(含鋼結構)、電氣、舾裝、暖通、消防等專業的建模，模型深度同施工圖出圖深度。

1)保證結構、電氣、舾裝、暖通、消防等各專業模型的參考軸網和原點統一一致；電氣、暖通所有管線通過不同顏色將各專業管線進行區分；BIM模型各專業精準定位，具有專業規范的構件(如彎頭、三通、閥門等)數據庫，設計要求更加嚴格。

2)通過參數化的設計方式對梁節點、異形構件或可復用性高的構件進行快速模型建立及參數化調整。

3)根據各專業建立的三維BIM模型，對其對應二維圖紙的正確性和準確性進行校核審查。

4)總裝后的電氣、暖通、消防和建筑結構模型，根據重點區域的凈高要求和復雜區域的管線排布模型和管線綜合布置原則，對其空間定位和排列方式進行優化調整。

1.3 沖突檢測及三維管線綜合優化

根據各專業的總裝模型，應用BIM軟件沖突檢測功能校核各專業設計間的碰撞和沖突，進行項目設計圖紙范圍內管線布置與結構、電氣設備平面布置和豎向高程相協調的三維協同優化設計工作，最大程度避免不同專業設計模型的空間沖突，減少碰撞，防止設計缺陷遺留到施工階段[3]，如圖1所示。

圖1 升壓站平臺碰撞檢測及模型優化

整合匯總結構、舾裝、電氣、暖通、消防等各專業的BIM模型，生成總裝后的建筑信息模型。設置沖突檢測及管線綜合優化應用模塊的相關參數和檢測原則，對總裝模型中各專業間或專業內的沖突和碰撞進行查找檢測并生成沖突檢測及管線綜合優化報告，報告內容包括沖突檢測及管線綜合優化應用模塊的相關參數和檢測原則、識別出的沖突和碰撞的空間位置及詳細記錄、針對沖突和碰撞的調整優化方案，以及調整優化后的修改對比說明。

1.4 三維圖冊

三維圖冊包括管綜出圖、三維模型視圖和渲染圖(如圖2)。根據優化后的BIM模型，在管線復雜區域給出管線綜合剖面圖及軸測視圖，并標注相關尺寸反映精確豎向標高，改變了以往傳統的單專業二維出圖方式，以多專業整合的出圖方式來表現空間之間的位置，以便于配合施工。

圖2 三維模型渲染圖冊

三維模型視圖是在三維模型中直接選取一定范圍、任意視角的未經貼圖或渲染而直接輸出成圖片，渲染圖是三維模型經過專業渲染軟件貼圖及光線設置等操作輸出成接近現實的照片級圖片[4]。

1.5 工程量計算

通過對鋼結構廠房的詳細建模，可根據實際需求定制出多種工程量報表形式，供后續施工深化及下料指導。

1.6 移動端施工交底

通過將BIM模型進行輕量化后導入移動端應用，可配合現場進行施工交底。工程人員可不用攜帶手提電腦，隨時隨地鏈接到設計環境，查看設計的細節及項目進程，使用“類似游戲”的觸摸手勢在三維環境中瀏覽，通過審查選定對象的屬性、篩選以查找類似對象或僅顯示匹配特定，來縮放分析模型中的對象以及實現行走和飛行效果。通過交互式功能，現場人員可直觀瀏覽三維建筑模型和相關工程文檔。利用iPad的運動傳感器和觸摸屏，不但可獲得全景視圖，還能獲知對象屬性。例如，可以通過點選來獲得確定管道的壁厚、其噴漆顏色或額定壓力。檢查設計、標注以及安全檢查等。

2 施工建設階段建設管理平臺

2.1 施工深化建模

完成風場場區和海上升壓站施工深化三維建模。根據自身施工特點及現場情況，進行施工面的劃分，風場部分包括風機基礎、風機機組、地形地質的模型深化，海上升壓站包括結構(含鋼結構)、電氣、舾裝、暖通、消防等專業的模型深化，模型深度同施工深化圖出圖深度。

1)深化模型需建立各系統支管且需建立安裝支吊架；設備構件(如彎頭、三通、閥門等)數據庫同時需附加廠商信息及相關安裝制造信息；鋼結構模型需建立鋼結構詳細節點，按照廠家產品要求進行分段處理，復核與現場情況是否一致。

2)根據各專業建立的三維BIM模型，對其對應二維圖紙的正確性和準確性進行校核審查。

2.2 沖突檢測及三維管線綜合優化

沖突檢測及三維管線綜合優化操作流程同施工圖設計階段，此處不再贅述。

2.3 三維圖冊

施工圖深化后的三維圖冊相對施工圖階段更加深入和詳細，根據優化后的BIM模型，在管線復雜區域給出管線綜合剖面圖、局部3D圖、節點大樣圖等，并標注相關尺寸反映精確豎向標高(如圖3)。

圖3 施工深化后三維渲染圖冊

2.4 工程量計算

通過BIM建模將工程設計以空間實現的方式進行表達、驗證和優化，因此，BIM模型具有二維圖紙設計不可比擬的準確度，從BIM模型導出的工程量和材料統計數據具備較高的可信度和實用性，軟件算法也可大大提高統計工程量統計的精度和效率。導出的工程量和材料統計結果可直接應用于工程預算分析，為工程的投資分析、造價控制和竣工決算提供可靠的依據[5]。

1)鋼結構詳圖工程量：鋼結構深化BIM模型可導出鋼構件預裝配模型及其相關參數，通過編碼和標注示意形成鋼結構加工示意圖和工程材料統計表，導出的圖紙和材料統計表經施工單位確認審核后即可直接報送廠家下料生產。

2)管道設備工程量：針對深化后的機電管道，可統計相關管道用量、管件、設備工程量及支吊架工程量。

2.5 虛擬施工模擬

1)4D施工組織方案模擬：根據工程分部分項劃分情況、施工節點進度、工程施工特點及現場實際情況，對三維模型進行實體切割，形成可以反映施工作業對象和結果的施工作業單元實體模型[6]。以可視化的形式對施工建造的現場環境條件、工序和步驟以及資源消耗情況進行模擬和仿真，更全面、綜合的分析施工組織設計的可行性和優劣。將三維模型、施工設備、施工臨建設施與周邊環境和建筑物進行動態碰撞檢查形成碰撞檢測報告，從而對施工方案進行優化調整和查漏補缺，同時能夠更直觀反映出施工總布置設計的合理性，從而優化施工規劃布局。采用BIM進行虛擬施工模擬，需將施工總布置的BIM空間模型與施工進度的時間計劃互相關聯，形成含義空間和時間信息的4D施工資源信息模型，通過動畫預演進度對整體施工方案進行優化及調整(如圖4)。

圖4 虛擬施工模擬

2)專項BIM施工方案：針對施工過程中的重要環節和關鍵工序，利用BIM模型進行施工工序和步驟的動態模擬，分析施工方案中存在的不足和需要重點關注的步驟，提前采取針對性的措施和手段，從而提高施工方案的可行性，模擬海上風電工程實際施工環境進行可視化預演模擬，加強對復雜工序的可控性，此外，專項BIM施工方案模擬也可用于施工交底和培訓。

2.6 施工BIM管理平臺

1)結合Project等施工進度計劃軟件，基于BIM模型在BIM施工管理平臺上實現計劃時間與實際施工時間對比，及時發現施工進度偏差，提供施工效率，調整工程進度計劃。并結合進度計劃，對比計劃完成與實際完成工程量。

2)在施工階段模型中添加或完善樓層空間位置信息、設備與材料信息。基于BIM信息模型，利用編碼的方式在BIM施工管理平臺上建立設備與材料管理和施工進度關聯關系，實現通過設備或構件的三維BIM模型追溯其生產、運輸和施工中的相關信息。

3)利用ipad、手機等移動設備輔助施工單位和監理單位進行施工過程管控，將施工現場拍攝工程實體或設備構件照片、施工質量問題、安全問題、批注等信息添加到模型構件中，返回到管理平臺服務器中，供項目團隊中的其他人員及時了解相關內容。從而使整個協同工作流程延伸到工程的現場,更加細節的并行工作。

4)利用BIM協同管理平臺，收集整合工程建設不同階段的現場施工相關資料和信息，包括材料構件檢驗報告、設計變更記錄、驗收記錄等，可實現項目不同參與單位的查詢、調去和協同管理。

3 運營維護階段建設管理平臺

3.1 資產管理系統

“資產管理系統”模塊以對風場風機機組及海上升壓站主要設備進行有效管控為目的。包括設備資產管理、零部件庫存管理、合同管理、生產成本管理四個部分。

3.2 風場監控管理系統

風場監控管理系統提供了人/機交互接口、監測系統的數據接口，支持獲取各類動態數據，并存入數據庫進行管理。通過對監測系統數據的監測分析，用戶可以及時獲取設備的各類動態數據，并存入數據庫進行管理。同時提取設備模型的空間位置和BAS系統設備一一對應，通過對數據的監測分析，用戶可以在三維模型中及時獲取設備的運行狀態，故障報警，實現安全監管。監測的內容主要有：設施(備)運行狀態監測、報警響應。

3.3 運維綜合服務系統

運維綜合服務系統包括：基于BIM的維護流程、任務中心、日常巡檢管理、智能故障定位[7]。在設施(備)維修或搶修的故障定位過程中，將綜合運用三維BIM模型，分析判斷故障出現的環節或關鍵點，利用BIM模型快速地進行故障的空間位置定位，提高設施(備)維修和搶修的效率；如果需要查詢設備資料、歷史維護記錄等，用智能手機掃描該設施(備)的二維碼，即可獲得該設施(備)的相關信息，將設備信息發到服務器后，即可獲得由服務器從數據庫中調出更多的關于該設施(備)的各種資料。運維綜合服務系統界面如圖5所示。

圖5 基于BIM的運維綜合服務系統界面

3.4 決策支持中心

決策支持中心針對包括規劃設計、施工建設和運維管理在內的全生命周期智慧風場數據通過建立算法庫，針對海上風電場實際需求，進行分析預測、模型仿真、指標評價和智能調度。主要功能包括：實時調度控制、發電計劃優化、調度端功能預測。

4 結 語

基于BIM的海上風電全生命周期建設管理平臺具有諸多無法比擬的優勢：直觀的三維信息模型在進行建筑單體建設時，可以進行碰撞檢查、精確算量以及虛擬施工等一系列應用，實現了優化設計、精益管理的目的；集成設計、施工階段的數據、信息，為運營階段提供決策支持。

面向場區全生命周期，建立“規劃設計-施工建設-運維管理”平臺開發、標準化和推廣，提供一個貫穿項目生命周期的協同工作環境渠道，實現項目各參與方的實時溝通和協同管理，共享項目信息，提高管理效率，是加強對建設工作管理和提高建筑效能的關鍵性抓手；以“數字-數據-資源-要素-效益”等為關鍵內容，數據信息移動交付可以提高對整個建筑群中工程數據信息的利用，針對最終管控的目的進行有效的分類統計及數據挖掘，實現場區運營主體的高效決策以及規模效應中體現的高盈利。