陸上風電工程中 BIM 技術的應用研究

鄭清濤，端木祥杰，任澤儉（.水發能源集團有限公司，山東 濟南 5009；.山東潤魯工程咨詢有限公司，山東 濟南 5009）

0 引言

新時期國家經濟發展速度較快，對能源的需求量也越來越大，能源是決定經濟發展的重要因素之一[1]。而風能作為一種不同于石油、煤炭的清潔型能源，具有可再生特點，被不斷開發利用。此外，在降低能源消耗、環境污染的可持續發展背景下，信息化、模型化也成為時代發展重要趨勢[2]。作為一種創新型計算機輔助設計工具，BIM 技術在各式各樣的工程建設工作中被廣泛應用[3]。將 BIM 技術融入陸上風電工程當中，可提高工程整體效益，也可促進風電工程向信息化方向持續發展，促進風電工程長久發展。

1 研究背景

BIM 技術在國內經過不斷探索、分析、應用，已經逐漸深入到工程項目中，并逐漸向石油、機場、軌道交通等工程建設推廣延伸。此外，伴隨“互聯網+”的不斷發展，各行各業均圍繞互聯網實現新進步[4]。在此背景下，“BIM+GIS”[5]、“BIM+3D 掃描”[6]、“BIM+3D 打印”相關技術也隨之出現。

以“BIM+GIS”技術為例，其在水利建設、軌道交通、市政工程中均應用廣泛，對工程規劃、空間管理等做出巨大貢獻。此外，“BIM+項目管理”的模式為項目管理提供新思路，大大提高了項目綜合管理能力及效率。BIM技術在各行各業應用廣泛，但 BIM 技術集成在清潔能源方面的應用較少。

近年來國家高度重視經濟發展和環境保護的協調發展，一系列清潔能源建設工程增多，風力發電事業持續發展，裝機量、建設量提升[7]。與此同時，風電事業的市場競爭也更加激烈，各參建單位積極采取多元化的工程措施控制建設成本，但整體來看，風電建設投資成本水平仍然居高不下。將 BIM 技術融入風電項目中，可以有效控制各環節的建設成本投入，為縮短工期提供有力支撐[8]。

2 關于 BIM 技術

BIM 技術將建筑中的多種元素通過數字的方式表達出來，實現建筑工程的數字化、網絡化、可視化。由此可見，通過 BIM 技術支持建筑可以在信息軟件上進行全方位觀察，可以對施工的各個過程落實全面監督和控制。目前 BIM 技術和建筑工程的各個過程都有密切聯系，其可以大大提高建筑工程規劃及勘察、施工環節的工作效率及質量，構建建筑全生命周期，各部門統一化的數據共享平臺，提高信息溝通效率，也有效控制建筑工程過程的成本。此外，BIM 技術也可以模擬工程環境及工程建成后的運行、能耗等，從而為項目全過程的實施和檢測提供科學依據。

3 案例工程介紹

我國南方某風力發電廠建設項目的高程范圍在 729 m～1 239 m 之內，場地設計范圍約 20 km2，建設場地位于山坡附近，坡度較陡且周圍環境較為復雜，設有國家級的自然保護區也涉及采礦區，區域范圍內經常有大霧出現，冬季還有少量的降雪覆冰，屬于典型的山地風力發電廠。該項目選擇的風機單容量為 1 500 kW，總裝機量為 120 MW，屬于企業自建自營，投資成本較大，且涉及全生命周期建設，若采取傳統的風力發電廠建設技術，并不能滿足新時期項目規劃和設計的要求。該項目在 BIM 技術支持下開展多項集成技術控制工程投資，能為工程施工及后期的運維提供必要支持。

4 BIM 技術在陸上風電工程中的應用

4.1 工程設計

在工程設計階段，將 BIM 技術應用到風電工程當中，可以迅速建立有關工程實地的場地模型，從而分析環境對工程建設的影響，將工程有關的風險因素數據收集起來，以此直觀的通過三維動畫進行規劃設計。在設計階段，采取 BIM技術配合 GIS 技術的方式，該集成技術可以提高大規模區域性工程的實際管理能力。GIS 的宏觀尺度可以將 BIM 的應用范圍從建筑擴展到大型地形中。例如，相關設計人員可以創建風力發電廠的地形模型，采用專門的地圖軟件下載風力發電廠的位置數據，足不出戶就可以獲取風力發電廠的高程、面積、地質等各項信息。將多種信息導入專業的地圖處理軟件中，并標出等高線；再將等高線文件導入到 Revit 中，構成三維地圖，建立初始地形模型。利用 BIM 自身強大的建模工程，迅速分析結果，幫助設計人員規劃評估場地的使用條件，從而確定風力發電廠建設的最佳位置。在設計環節中，各項技術人員通過同一平臺數據共享，快速獲取各項數據的變化信息，從而提高工作效率。此外，將 BIM 技術配合三維掃描，三維掃描為光、機、電以及計算機技術的集成高新技術，通過三維掃描技術支持，配合 BIM 技術，可以快速構建物體的三維模型，兩種技術優勢互補。目前主要采取無人機搭載三維激光掃描儀的方式對地形掃描，之后采取專業的處理軟件（Trimble Business Center），獲取地形點的云數據，以 BIM 軟件構建更加精確的地形模型，滿足設計要求。

4.2 施工階段

4.2.1 BIM 技術配合項目管理集成

在風電工程實際施工當中，采取 BIM 技術配合項目管理集成，可以大大提高管理效率和質量。項目管理主要是在指定的工期及確定的費用目標基礎上，對工程項目實施綜合管理，確保預定的目標得以實現。將 BIM 技術和項目管理相結合，充分發揮 BIM 技術自身可視性、共享性及管理性的特點，為傳統的工程管理提供可視化管理手段。

相關管理人員可以通過數據分析、模型構建、模擬施工、碰撞檢查等，了解各個施工步驟容易出現的問題并及時規避，制定切實可行的緊急管理措施，確保施工穩定且安全完成。例如，管理人員可以構建設備構件模型，將滅火器、風機基礎、電纜管固定架、基礎電器平臺、升降機等常見的風電工程設備建模，標注好設備的型號及數量，建立專門針對設備的專用族庫，避免重復建模，也可以為后續管理提供有力支持。

管理人員也要對升壓站建模，按照具體的結構、建筑類型、機電專業等分別建模，將各個專業的模型鏈接起來進行合模，開展碰撞檢查，通過碰撞檢查，及時發現一旦發生沖突之后可能造成的影響，從而針對建筑進行相應的優化調整?？梢詣摻▓龅啬Ｐ筒⑻砑酉嚓P設備族，構成升壓站的整體模型。

隨后，管理人員要對風機結構建立模型，結合已經創建的風機基礎、葉輪等模型，按照相對應的位置采取精確合模，從而獲取一整個的風機結構，為項目施工及管理的更好開展提供模型支持。

管理人員也可以通過 BIM 技術對施工進度進行模擬，圍繞 BIM 技術的 4D 施工進度模擬，可以優化施工進度管理，優化各項制度的編制，從而有效縮短項目建設工期。在本次工程中還對半直驅大仰角風機的吊裝進行模擬，在吊裝過程中，以兩階段的便將動態調整方式，將原本傾斜上仰角被動變為主動，大大縮短了吊裝作業時間，也可以控制吊裝作業當中容易出現的安全風險。

風電工程實際施工中，要做好三維技術交底工作。以 BIM 技術為支持的三維交底，可以有效提高交底內容的直觀性、可視化水平。三維交底便于施工人員了解具體的工作，有助于施工目標的妥善實現。對風機基礎應力應變計安裝采取三維技術交底，可以使施工人員全方位的了解各項施工操作的細節，深入進行技術交底，施工人員對技術方案有較全面的理解，也可以直觀地認識到項目關鍵節點，更好施工，把握施工質量。

4.2.2 BIM 技術配合物聯網

物聯網結構包含感知、傳輸、處理及應用多個組成部分，我們常見的二維碼就屬于物聯網體系中的感知層。將BIM 技術配合物聯網應用到風電工程當中，可大大提高人機交互程度，借助該集成技術也可以迅速獲取各項信息，提高數據流通即共享速率，實現 BIM 建模的輕量化。施工中采取 BIM 技術可以精確地控制各項建材用量，提高材料的利用率。施工人員可以通過 BIM 技術建立信息數據庫，精準計算工程量，管控好造價，為工程預算提供有力支持。

4.3 運行維護階段

將 BIM 技術應用到風電工程中，其在后期的運行維護管理階段也可以很好地發揮自身技術優勢。例如，以BIM配合 3D 掃描技術，可以在地面 3D 激光掃描儀支持下，對需要分析的特定對象掃描，如建筑物、風力數據、地形等，也可以對已經建成的風機葉片、機艙、升壓站等結構掃描，獲取云數據，完善 BIM 模型構建。此外，BIM 技術配合 3D 打印也可以很好的應用到風電工程中去，以該集成技術支持，BIM 可以輕松制作更多復雜的構件。3D 打印機以 BIM 系統支持，有數據支撐后，任何風電工程中復雜的構件都可以很好的制造出來，速率快、智聯好。BIM 技術配合 3D 打印技術，還含有激光掃描，可以獲取復雜的模型點云數據，為實際模型分析提供真實數據支撐，構成備品、備件族庫，避免運行維護中復雜零件緊缺問題，可以滿足運維的各項零件及設備需求，確保后期風電工程運行穩定。另外，還可以將 BIM 和虛擬現實技術結合，構建科學的虛擬場景，結合 VR 設備、對變壓器、SVG 降壓變壓器、開關柜等實現交互式場景漫游，大大提高運行維護工作整體效率。BIM 集成技術在風力發電場建設全生命周期的應用，將 BIM 技術和風電工程項目的特點相結合，各個專業的技術人員在同一平臺完成工作，彼此可以更好地溝通和交流，從而實現BIM技術在風電工程中的完美協作。同時，該技術支持也可以為后續的工程運行維護提供智能化技術，為提高維護工作的質量和效率打下基礎，也為將來風電工程更好應用 BIM 技術發揮積極影響。

在本次工程中，通過應用 BIM 技術，在設計階段的風機選址以及方案優化方面，共節約建設成本 56 311 800元，大大體現出 BIM 技術設計的效益。在后期的建設施工環節中，利用 BIM 技術也大大提高了現場施工管理水平，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一個月，且在施工過程中并無安全事故發生，獲取了一定的經濟效益。

5 結語

綜上所述，BIM 技術在風電工程中的應用可以有效提高工程項目的信息化水平，且該技術可以應用到風電工程的全生命周期當中，控制成本、縮短工期、提高質量，為工程項目的建設提供更多、更優質的選擇。目前 BIM 技術正處于起步階段，需要和一系列的現代化互聯網技術相互結合，從而有效地發揮集成技術優勢，促進風電工程行業可持續發展。