BIM技術在海上風電項目施工技術中的應用分析

李春雷，崔浩然

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300461）

由于BIM 技術在工程應用中具有可視化、協調性、模擬性、優化性等方面的優勢，近年來在工程應用領域得到了大力推廣及普及。在國家“3060”節能減排目標的引導下，海上風電施工作為近年來較熱門施工領域，具有較好的發展前景。在海上風電施工技術管理過程中，通過系統地應用BIM 技術，對施工技術工藝的復核及執行起到了較好的促進作用，利于工程實施的工效提升及節能降耗。

本文以江蘇大豐、啟東海上風電項目為應用背景，此兩個項目均為外海無掩護海域海上風電項目，其中江蘇大豐海上風電項目為在建時離距離最遠的海上風電項目，離岸距離約70km，江蘇大豐海上風電項目一期工程總裝機容量300MW，江蘇啟東H1/H2 海上風電項目總裝機容量500MW，海上風電施工基礎為大直徑單樁（鋼管樁直徑在6m 及以上）及四樁導管架基礎，完成沉樁施工后安裝集成式附屬構件，最后分體式裝配安裝海上風力發電機組。

在上述海上風電施工技術管理過程中，通過對BIM相關軟件及技術的不斷應用，確保了施工工藝計算校核的準確性，同時通過BIM 模型的建立，實現結構件的碰撞分析，避免材料浪費及保證工程量計算的準確。通過三維建模進行可視化交底，確保工藝落實形象直觀。

1 應用實踐分析

在江蘇大豐及啟東海上風電施工過程中，BIM 技術的應用基礎工作為BIM 模型的建立，達到一次建模，多方面應用的目的，通過采用多種BIM 軟件圍繞BIM 模型，充分發揮BIM 技術的優勢，實現施工工藝組織及落實工作。應用范圍包括工程可視化、模擬性、結構碰撞分析、結構受力分析、工程量計算。其中涉及的相關軟件應用有Revit、Inventor、Midas 等。

1.1 工程可視化

可視化即“所見所得”，在海上風電施工工藝準備時，根據所配置的施工船舶，采用軟件建立可視化模型（圖1），將二維平面分析轉換為三維效果展示，根據實施方案確定主吊船、輔吊船、運輸船的位置，并將以下吊裝過程展示應用于方案工藝討論現場實施可視化交底中，起到了直觀、高效的效果。海上風電施工應用的關鍵部位為：大直徑立樁過程、風機葉輪組拼及起吊對接過程。

圖1 吊裝工程可視化模型

1.2 結構碰撞分析

在復雜鋼結構制造方面，在施工前，根據設計圖紙建立模型，模擬建造過程，并能發現構件碰撞問題，在開工前與設計單位溝通解決，避免材料浪費及過程中工期的損失。在依托海上項目施工中，對集成式附屬構件及導管架結構進行建模，在模擬建造過程中發現類似圖2中結構尺寸不準確、結構細節需特別注意的問題。

圖2 集成式附屬構件模型分析

在沉樁吊裝過程中，通過軟件分析模擬，將吊機吊鉤中心與鋼管樁重心約束在一條垂線上，來模擬鋼管樁的翻樁過程，重點核實鋼管樁在翻轉的過程中與起重機大臂是否有碰撞。在風機安裝過程中，通過建立船體模型及葉輪模型，分析在組拼過程中及整體葉輪吊裝過程中是否有干涉。

圖3 施工過程模擬分析

1.3 結構受力分析

1．3．1 鋼管樁整體受力分析

鋼管樁參數如下表1所示。

表1 典型鋼管樁參數統計表

由于鋼管樁結構尺寸較大，管節焊縫較多，手算難度較大，計算采用Inventor 軟件進行單樁結構進行樁體分析，主吊耳位置及樁底進行固定約束。現場吊樁時，吊點位置：主吊耳為設計雙面主吊耳，輔助吊點位于樁下部。以18#樁為例進行平吊及立吊狀態受力分析。

1．3．1．1 平吊

樁身應力云圖及形變圖如下所示。

圖4 平吊狀態樁身應力云圖及形變圖

由計算可知，樁身在平吊時，主吊耳位置等效應力最大（靠近樁頂側），等效應力最大值為143.4MPa，DH36 鋼材屈服強度為355MPa，強度滿足要求。主吊耳及翻身吊耳約束后，位移最大位置位于樁頂，最大值為6mm，滿足要求。

1．3．1．2 立吊

樁身應力云圖及形變圖如下所示。由計算可知，樁身在立吊時，主吊耳位置等效應力最大，等效應力最大值為245.6MPa，DH36 鋼材屈服強度為355MPa，滿足要求。主吊耳約束后，位移最大位置位于樁頂，最大值為1.42mm，滿足要求。

圖5 立吊狀態樁身應力云圖及形變圖

1．3．2 吊耳板結構受力分析

在本項目施工過程中，對于施工用吊耳板的設計，通過傳統手算無法準確分析整體吊耳板受力情況，但通過BIM 軟件建模后，可通過對模型施加相符的約束狀態及受力大小及方向，對整體結構進行應力和應變的分析。

1．3．2．1 吊裝工裝結構形式

工裝采用Q345B 材質鋼板進行制作，所有焊接位置采用全熔透坡口焊，制作尺寸如下圖所示。

圖6 吊裝工裝結構形式

繪制吊耳板結構件BIM 模型，如下圖所示。

圖7 吊耳示意圖

1．3．2．2 應力及變形分析

對吊裝工裝進行受力模擬分析，受力分析思路為：工裝底部固定約束，荷載考慮在吊耳孔的荷載，荷載值垂直向上575KN，水平方向332KN，分析重點為工裝應力及變形，主要分析結果如下所示。

應力云圖如下圖8所示，工裝最大應力為110.4MPa，工裝材質為Q345B，應力遠小于材料應力，滿足要求。變形圖如下圖9所示，最大變形0.12mm，滿足要求。由于建模的局限性，受力點位置應在斜向上60°位置。

圖8 吊耳應力云圖及變形圖

圖9 復雜結構工程量計算圖例

1.4 工程量計算

對于海上風電施工，大部分結構為鋼結構，在工程量計算時，按照凈量計算的原則，在計算異形結構時，采用手算耗時長，易出錯，尤其導管架基礎形式，通過BIM 建模，能夠實現異形結構的快速出量，且較為準確。本項目對異形導管架、鋼管樁及集成式附屬構件均建立了BIM 模型，實現快速算量及工程量的校核工作。

2 應用效益

將BIM 技術應用于海上風電項目施工，在可視化方面，使項目施工工藝管理更直觀，指令傳達更清晰，更利于工藝的傳達與執行，有效的確保了工程的施工質量及提升施工效率。

通過結構碰撞分析，避免施工過程中產生材料等資源的浪費，減少返工率及窩工率，且海上風電施工均為特定形式（大直徑管樁、塔筒、機艙、葉片、葉輪等）大部件吊裝作業，受船體甲板空間影響，船舶起重機吊裝存在局限性，通過結構碰撞分析，避免了大部件吊裝過程磕碰及超負荷作業，有效地保證了現場安全施工。

通過結構受力計算，針對無法手算的異形結構可快速分析結構的受力狀態，保證了施工安全。

通過BIM 軟件建模后工程量計算，有效避免了復雜結構工程量少算、漏算的情況，避免企業虧損，具有計算效率高，計算結果準確的特點。

3 結語

本文系統地總結了BIM 技術在海上風電施工中的具體應用，利于BIM 相關技術及相關軟件的推廣。BIM技術應用的核心與基礎為軟件模型的建立，即一次建模后，在多個方面展開應用，融入項目整個管理過程，大大減少重復工作，同時，在項目的應用實施中，也存在相應的不足，一款軟件無法實現所有功能，需依托相應功能的插件，且會出現不同軟件中模型導入兼容性的問題，在后續施工中還應繼續總結與歸納，思路提升，實現不同軟件系統性的應用，同時，應將BIM 技術與項目管理深度融合，做到項目的全過程控制。