大連市莊河Ⅲ海上風電場BIM開發設計與應用

朱峰林

上海勘測設計研究院有限公司

0 引言

風力發電是目前世界新能源市場應用最廣、技術最成熟的主流新能源發電形式之一。隨著信息化的不斷推進，BIM技術在建筑工程領域應用越來越廣泛。以大連市莊河Ⅲ海上風電場為例，運用BIM技術，在三維模型的基礎上，進行了碰撞檢測、三維切圖等應用，提高了設計和出圖效率，解決了項目實施過程中的多項技術難點，使用參數化建模的方法，建立了升壓站鋼結構節點庫，極大地提高了節點出圖效率；使用二次開發的工具箱，實現了BIM模型在SACS和ANSYS中的轉換和應用，提高了設計效率。

1 工程概況

三峽新能源大連市莊河Ⅲ（300MW）海上風電場位于遼寧省大連市莊河海域，是東北地區首個已核準的海上風電項目及作為全國首個“智慧能源城市”的清潔能源供給側項目，對促進莊河地方經濟發展及清潔能源建設具有重要意義。風場安裝2臺單機容量為3MW、49臺3.3MW、21臺6.45MW風電機組。風機基礎包括單樁和高樁承臺形式基礎類型。風電場南北長度8.6km，東西長度7.7km，場址中心距離岸線約22.2km，面積約63.3km2。場內新建一座220kV海上升壓站，裝設2臺240MVA主變，風電機組通過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，再通過架空線路送至陸上集控中心。

2 項目難點分析

海上風電場設計涉及眾多專業，水工、舾裝、電氣、金結、施工、規劃、暖通、給排水、建筑等，在設計與建模中內容多協同難度大，主要有以下兩個典型的技術難點：

2.1 海上升壓站結構部分

海上升壓站的設計面臨設計難度大、設計周期短、經驗缺乏，人員不足等多重挑戰。相比傳統混凝土結構陸上工程，海上鋼結構工程在設計深度和工程量統計方面有著更高的要求，具體表現在需要繪制大量的連接節點詳圖，如果采用傳統二維工作方法，需要耗費大量工時，且極為容易出現錯漏。

2.2 風機基礎設計

海上風電基礎結構設計過程中，各專業需要使用SACS和ANSYS進行風機基礎、附屬構件等的建模和仿真計算，存在重復建模的問題，在使用基礎計算軟件SACS和ANSYS時存在建模困難等問題。由于項目時間短任務重，需要快速進行建模和計算，由此增加了技術難點。三維模型通常采用實體結構進行建模，而SACS為桿件體系，承臺波浪力無法在軟件中直接計算，無法直接進行模型轉換；ANSYS中鋼管樁需要采用薄壁面單元，且網格劃分繁瑣，三維模型也無法直接進行轉化。

3 技術方案與應用

依托上海勘測設計研究院搭建的三維協同設計平臺，使用ProjectWise進行各專業間的三維協同管理。通過對新能源、金屬結構、施工、地質等專業系統的有機整合，構建了海上風電場數字化整體解決方案。

3.1 模型構建

根據模型構建的原則及方法，使用Tekla軟件，完成了海上升壓站模型的建模。使用Microstation軟件，完成風機基礎模型、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軟件完成金屬結構模型；使用Geostation軟件完成地質模型。最終所有模型在Bentley平臺下進行總裝和協同，形成海上風電場全專業數字化模型，風電場全景見圖1。風機整體模型及升壓站整體模型見圖2～圖4。

圖1 大連莊河III海上風電場全景

圖2 單樁風機整體模型

圖3 高樁承臺風機整體模型

圖4 海上升壓站整體模型

3.2 三維應用

3.2.1 碰撞檢測

各專業模型在Bentley平臺下組裝完成后在Bentley Navigator中進行碰撞檢測，發現問題并反饋設計人員進行優化調整，減少后期設計變更，避免后續大量施工返工工作。針對本工程升壓站設計模型，進行了電氣VS舾裝、結構VS消防、電氣VS消防、電氣VS暖通等各專業間碰撞檢測，提高了設計精度與效率。碰撞檢測效果示意圖見圖5。

圖5 碰撞檢測效果示意圖

3.2.2 三維出圖及工程量統計

通過Tekla Structures和Microstation實現三維切圖得到結構局部詳圖，如圖6所示，同時進行自動工程量統計，如圖7所示，提高三維出圖率，為鋼結構施工備料提供了準確的依據，并提高了設計效率。

圖6 節點三維切圖

圖7 工程量統計

3.2.3虛擬施工模擬

使用Bentley Navigator軟件進行施工進度模擬，對于升壓站建造、安裝的各個過程形成一個基于時間進度模擬的4D施工方案，通過三維動畫模擬安裝工藝可以幫助設計人員提前發現施工中可能出現的問題，優化設計方案。同時，三維動畫也可以更直觀地向施工單位傳遞設計意圖，指導施工單位的海上安裝方案，更系統和直觀地了解各階段施工內容，如圖8所示。

圖8 施工三維動畫模擬演示

3.2.4 多平臺交互

Tekla模型可以通過IFC格式導入Bentley平臺下的三維軟件，便于與其他專業進行協同。同時支持與計算軟件SAP2000的數據交互，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 擴展創新

3.3.1 鋼結構節點參數化建模與切圖

針對海上升壓站的鋼結構節點，使用Tekla軟件進行參數化建模。Tekla可以將三維模型快速轉換成二維圖紙，支持二維圖紙與三維模型聯動，提高了出圖效率；支持快速工程量統計，為鋼結構施工備料提供了準確的依據，減輕了工作量。

針對海上升壓站結構部分遇到的技術難點，創新性的利用鋼結構詳圖設計軟件Tekla的自定義節點單元模塊，使用參數化建模方法，將海上升壓站結構中的常用節點類型通過參數化編程的方式制作成節點庫，如圖10所示，可以在不同項目中快速調用，實現快速建模與出圖的目的，達到鋼結構節點的正向設計，提高建模效率。與傳統的二維節點出圖相比，可以提高設計效率約90%。同時參數化的節點單元支持快速自定義修改，減輕了設計過程中方案變動帶來的不便。

圖10 鋼結構自定義節點庫

3.3.2 BIM在SACS與ANSYS中的應用

使用Matlab編程實現了將三維實體模型自動轉換成ANSYS有限元模型文件；同時可自動剖分網格，并生成APDL命令流文件，提高了計算效率。使用Matlab編程實現了將三維實體模型自動轉換成SACS桿件體系模型文件。通過二次開發BIM模型工具箱，如圖11所示，實現風機基礎高樁承臺結構的參數化建模、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中模型參數輸入耗時、繁瑣的問題，提高SACS與ANSYS中的建模計算效率。基于AutoCAD的Visual Lisp語言二次開發了multiPileGen函數，可以通過設定模型尺寸參數，直接生成對應的高樁承臺水工結構三維模型。同時針對高樁承臺荷載特點，工具箱集成了SACS中無法自動計算的部分荷載計算程序，可以計算出承臺所受的波浪力并生成荷載文件，大幅提高了計算效率。

3.3.3 電氣橋架參數化建模與應用

建立電氣支吊架參數化模型，采用邊建模、邊碰撞、邊優化的形式，確保電氣橋架設計的合理性，實現其正向設計。

4 結語與展望

大連市莊河Ⅲ海上風電場BIM開發設計與應用項目建立了全專業的海上風電場三維模型，通過碰撞檢測、三維切圖、工程量自動統計、虛擬施工模擬等應用，提高了設計效率；通過參數化建模，形成了鋼結構節點庫，提高了設計和出圖效率；通過二次開發，實現了BIM模型在SACS和ANSYS中的轉換和應用，提高了設計效率。

莊河III三維設計成果廣泛應用于項目的施工圖階段，極大地提高了設計和出圖效率。在大連莊河III海上風電項目中首次實現了三維切圖及自動工程量統計，海上升壓站的鋼結構節點圖達到了正向設計水平，成果還應用到了福建興化灣項目。此成果可以廣泛應用于其他類似的海上風電項目。項目組還將繼續實現電氣設備屬性數字化，為后續全生命周期管理服務，最終形成設計、施工、運營為一體的全生命周期海上風電場BIM解決方案。