BIM技术在风力发电工程项目建设全周期中的应用

李沐林 张元海

1. 东南粤水电投资有限公司 海南 海口 570208；

2. 广东水电二局股份有限公司 广东 广州 511340；

3. 乳源瑶族自治县粤水电能源有限公司 广东 韶关 512700

建筑信息模型（BIM）技术在国内的研究经过初期的引入、摸索、应用，逐步深入到管理模式、创新等方面。BIM技术在工程项目中的应用领域也越来越广，从传统的民用建筑工程设计、施工、运维领域，不断向市政、能源、石油化工、机场、轨道交通等建设领域延伸[1]。此外，“互联网＋”的概念被正式提出之后迅速发酵，各行各业纷纷尝试借助互联网思维推动行业发展，“BIM＋地理信息系统（GIS）”“BIM＋3D扫描”“BIM＋3D打印”等“BIM＋”集成技术也应运而生。

如“BIM＋GIS”集成技术，目前已在水利工程、轨道交通和市政工程、地下空间管理、场地分析、城市规划建设管理、建筑文物保护修复等方面得到了较好的应用[2]；“BIM＋3D扫描”集成技术已广泛应用于工程测量领域，“BIM＋3D打印”集成技术主要应用于装配式建筑中，“BIM＋项目管理（PM）”集成技术也在项目管理方面发挥着极大的作用，提升了项目综合管理能力和管理效率。随着BIM应用逐步走向深入，虽然单项“BIM＋”集成技术在国内应用越来越广泛，但多项集成技术综合应用的实例依旧较少，尤其是在清洁能源领域的应用更为少见。

近年来，我国风力发电事业快速推进，装机量大幅度提升。随着国内风力发电的快速开发，市场竞争日趋激烈。为此，各参建单位、厂商纷纷采取措施控制风力发电场建设各环节成本，一定程度上降低了风力发电场开发费用，但风力发电场总体建设投资成本仍处于较高水平[3]。推动BIM技术在风力发电工程项目中的应用，将为解决建设难题、降低建设成本、缩短建设工期提供技术支撑。

本文以广东韶关乳源大布二期120 MW风力发电项目为背景，介绍了BIM技术在风力发电工程项目建设全周期的集成应用，并推广应用至山东滨州粤水电沾化滨海二期36 MW风力发电项目中，取得了显著成效，本技术也可为其他清洁能源项目提供借鉴。

1 项目概况

广东韶关乳源大布二期风力发电场高程范围为730～1 240 m，场址范围约20 km2，建设场址山高坡陡（图1），周边环境复杂，既有国家级自然保护区，又有采矿区和采石区，常年伴有大雾（图1），冬季有降雪覆冰现象，为复杂山地风力发电场。

图1 大布二期风力发电场场址实景

大布二期风力发电场总装机容量为120 MW，为自投自建自营项目，投资大，涉及全生命周期建设，传统的风力发电建设技术不能满足项目规划、设计、施工、运维及成本控制的要求。综合应用“BIM＋GIS”“BIM＋3D扫描”“BIM＋3D打印”“BIM＋PM”等集成技术可以有效解决上述难题。

2 “BIM＋”集成技术应用情况

2.1 设计阶段

1）“BIM＋GIS”集成应用。“BIM＋GIS”集成应用可提高大规模区域性工程的管理能力，利用GIS宏观尺度上的功能，可将BIM的应用范围从单体建筑扩展到地形。如创建风力发电场地形模型，使用Bigemap地图软件下载风力发电场位置高程数据，将高程数据导入Global Mapper软件，换算地理坐标生成等高线，将等高线文件导入Revit软件中生成三维地形，建立初始地形模型（图2）。

图2 初始地形模型

2）“BIM＋3D扫描”集成应用。3D扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术。3D激光扫描技术可以大面积高分辨率地快速获取被测量对象表面的3D坐标数据，与BIM及GIS技术综合应用，为快速建立物体3D模型提供数据支撑，形成互补。该项目操作无人机搭载3D激光扫描仪对地形进行扫描，使用Trimble Business Center软件分析处理获取的地形点云数据（图3），使用BIM软件建立精确地形模型（图4）。

图3 地形点云数据

图4 精确地形模型

3）“BIM＋CFD”集成应用。结合基于求解N-S流体方程的CFD软件，模拟计算风力发电场风资源图，通过“BIM＋GIS”技术，对微观选址进行优化，把可行性研究阶段80台风机调整至60台。通过“BIM＋3D扫描”技术对微观选址进一步优化，把首次优化后的60台风机调整至49台。选址优化缩小了场区占地面积，交通道路从50 km下降至29 km，节约了项目投资2 150万元，减少了施工量，加快了项目施工进度。

2.2 施工阶段

1）“BIM＋PM”集成应用。PM是指在限定的工期、质量、费用目标内对项目进行综合管理以实现预定目标的管理工作。“BIM＋PM”集成应用，充分利用了BIM的可视性、可分析性、可共享性及可管理性等特性，为项目管理提供了可视化管理手段、分析功能、数据支持，比如模型创建、碰撞检查、施工进度模拟、三维技术交底、工程量统计、项目成本分析以及可视化漫游等。

① 设备构件模型建立（图5）。风力发电项目设备构件型号及数量较多，建立风力发电项目设备构件专用族库，减少重复建模，提高效率。

图5 设备构件模型

② 升压站模型建立。按结构、建筑、机电专业分别建模，链接各专业模型进行合模，碰撞检查发现冲突及时做出优化调整，创建场地模型并添加相关设备族形成升压站整体模型（图6）。

图6 升压站模型

③ 风机结构模型建立。利用已创建的风机基础、塔筒、机舱、叶轮等设备构件模型，按照相对位置进行精确合模，形成风机结构模型。

④ 施工进度模拟。基于BIM的4D施工进度模拟为施工进度计划的优化与编制、现场施工进度管理、项目建设工期的缩短等带来了帮助。针对半直驱大仰角风机吊装进行进度模拟（图7），吊装过程采取两阶段变桨动态调整，将倾斜上仰角方式由被动变为主动，有效缩短吊装作业时长，降低吊装作业安全风险。

图7 风机吊装进度模拟

⑤ 三维技术交底。基于BIM的三维技术交底有效提高了交底内容的直观性和准确性，使施工班组能够很快理解设计方案和施工方案，保证了施工目标的顺利实现。如对风机基础应力应变计安装进行三维技术交底（图8），有效解决传统技术交底不深入，施工人员理解不到位的问题，使施工人员能够直观认识项目关键节点。

图8 应力应变计安装

⑥工程量统计。施工中的预算超支现象十分普遍，缺乏可靠的基础数据是造成预算超支的重要原因。基于BIM技术，可以实时、准确地提供所需的各种工程量信息，快速生成相关数据统计表，实现各专业工程量的快速统计和查询。

2）“BIM＋物联网”集成应用。物联网体系结构包括感知层、接入传输层、智能处理层、应用层，而二维码技术则属于物联网体系结构中的感知层。结合二维码技术，可根据BIM模型快速生成和打印二维码，作为人、机交互的显示方式以及设备验收、运维、查档的入口。借助二维码，可快速获取相关信息，缩短项目工作人员查询时间，提高查询效率，达到模型的轻量化、移动化和多端协同。

3）“BIM＋虚拟现实”集成应用。“BIM＋虚拟现实”集成应用可提高仿真的真实性。传统的表达方式，只能传递建筑物的部分信息，而使用虚拟现实技术可以实现虚拟场景构建、交互式场景漫游、安全技术交底，将任意相关信息整合到已构建的虚拟场景当中，提高仿真工作的交互性及工程质量。

2.3 运维阶段

1）“BIM＋3D扫描”集成应用。利用地面站3D激光扫描仪，可以针对特定对象进行固定扫描。对已投入运行的风机叶片、机舱及升压站GIS室等复杂异形结构进行扫描，获取点云数据，完善模型建立。

2）“BIM＋3D打印”集成应用。基于BIM和3D打印技术制作复杂构件。3D打印机由计算机操控，只要有数据支撑，可将任何复杂异形构件快速、精确地制造出来，结合3D激光扫描，可快速获取复杂模型点云数据，建立模型，为3D打印提供数据支撑，形成备品备件族库，解决运维期间复杂零部件紧急供应问题。

3）“BIM＋虚拟现实”集成应用。构建虚拟场景，利用VR设备，对主变压器、SVG降压变压器、高压开关柜等实现交互式场景漫游，提高运维工作效率及运维人员培训效果。

2.4 集成技术应用效果

本技术依托粤北地区山高坡陡、降雪覆冰的乳源大布山地风力发电项目，把7项“BIM＋”集成技术全面应用于项目的设计阶段、施工阶段和运维阶段，使得大布二期风力发电场提前并网发电，并已连续安全运行逾250 d。

3 不足及改进

BIM集成技术在大布二期风力发电场建设全生命周期的应用中，没有注重与风力发电厂家及升压站设备厂家在BIM方面的数据连通，导致相关设备BIM数据不能及时提供，阻碍了BIM数据库的快速建立和完善，增加了施工期和运维期的BIM成本投入。

在今后项目建设中，需要注重建设各方协同合作，在设计招标、设备招标、施工招标过程中提出BIM专用条款要求，形成建设方、设计方、供应商、施工方四位一体的BIM集成化模式，实现BIM数据库的快速建立，提高BIM应用水平，形成广泛的BIM合作应用联合体。

4 结语

1）把“BIM＋GIS”“BIM＋3D扫描”“BIM＋CFD”3项集成技术综合应用于设计阶段风机微观选址和风机方案优化组合，节约建设成本5 632.19万元，体现了BIM技术设计前端巨大效益。

2）把“BIM＋PM”“BIM＋物联网”“BIM＋虚拟现实”3项集成技术综合应用于山地风力发电场施工的全过程中，提升了现场施工管理水平，综合效果明显，节约施工工期2个月，施工过程无安全事故发生，且取得一定的经济效益。

3）把“BIM＋3D扫描”“BIM＋3D打印”“BIM＋虚拟现实”3项集成技术综合应用于项目运营期。“BIM＋3D打印”技术解决了电站运营期间复杂零部件应急难题，“BIM＋3D扫描”及“BIM＋虚拟现实”技术促进了新进运维人员培训和方案讨论感观体验。

将“BIM＋GIS”“BIM＋3D扫描”“BIM＋CFD”“BIM＋PM”“BIM＋物联网”“BIM＋虚拟现实”“BIM＋3D打印”7项BIM集成技术全面应用于风力发电项目的设计、施工、运营全过程，综合效益良好，可推广应用于其他清洁能源领域。