價值工程在山區風電場風機基礎選型中的應用

段 波 桂 重

(中國電建集團昆明勘測設計研究院有限公司，云南 昆明 650051)

1 價值工程原理

1.1 價值工程理論概述

價值工程是指在滿足產品可靠度的前提下，分析必要功能所需的成本，提高產品效益的科學方法[1]。價值工程理論具有廣闊的應用領域，凡是付出成本費用以實現必要功能的產品，均可以利用價值理論進行比選或優化。

1.2 價值工程的基本概念

1)功能(F)。功能指產品所具備的功能或用途。功能是一種屬性，產品是功能的載體，功能相同的不同產品可以相互替代。

2)成本(C)。成本是指品壽命周期內的總成本，包含產品的建造成本以及維護成本，是指產達成產品必要功能所需耗費資源的貨幣表現形式。

3)價值(V)。價值是產品所具有的功能與成本之比，代表產品經濟效益的高低，其概念公式為：

價值=功能/成本。

數學公式表達如下：V=F/C。

1.3 價值工程的意義

價值工程并不是單純要求成本降低多少，也不是單純的要求功能提高多少，而是能夠恰當的處理好功能成本的比值關系，尋求功能產品的最優配比。因此，價值工程要兼顧價值、功能、成本三要素，不是單方面的去解決問題，而是在滿足功能要求的基礎上考慮工程生產和工程維護的綜合成本，考慮各參與方的利益需求，生產出價值最優的高質量產品。

2 風機基礎方案的價值工程

風機基礎作為風電場建設的一種產品，是保證風力發電機組正常安全運行的關鍵因素，對風電場的安全起到至關重要的作用。與一般的高聳結構不同，由于風力發電機組輪轂高度大、頂部質量大、對傾斜要求嚴格，并且在極端風速條件下承受較大的水平荷載，從而使得風機基礎具有承受360°重復偏心隨機荷載的受力特點[2]。隨著近些年風電建設的快速發展，我國風機基礎設計、分析水平也大幅提高，山區風電場風機基礎形式也由傳統的擴展式基礎發展到梁板式基礎、巖石錨桿基礎等多種基礎形式。相同地質條件下，往往有多種基礎形式可以滿足可靠度要求，然而不同的基礎形式往往有不同的功能特征，不同的成本，因此，可以采用價值工程的方法進行分析評價，綜合考慮技術合理性、施工便利性、工期合理性、環境影響等功能因素，以及全壽命周期內的成本因素，選擇價值最優的基礎形式，實現風機基礎的效益最大化。

3 某山區風電場風機基礎選型

3.1 項目概況及基礎方案擬定

某山區風電場設計安裝2.0 MW風電機組，風機荷載如表1所示，風電場地震烈度為7度(0.10g)，建設場地地基持力層為中風化～弱風化花崗巖。

本項目適用的天然地基基礎包括擴展式基礎、梁板式基礎、巖石錨桿基礎，經計算滿足可靠度要求[2-4]的基礎方案分別為A方案、B方案和C方案。

表1 風機基礎荷載

A方案：采用C35鋼筋混凝土圓形擴展基礎，基礎直徑18.5 m，端部高度1.0 m，根部高2.3 m；臺柱高度0.8 m，直徑7 m，基礎埋深2.95 m，基礎體型如圖1所示。

B方案：采用C35鋼筋混凝土圓形梁板式基礎。基礎底板直徑為18.5 m，基礎底板厚度0.6 m；中心臺柱高度3.3 m，直徑7 m；臺柱中心為向外呈輻射狀的8根主梁，主梁根部(與中心臺柱連接處)高度3.1，端部高度1.2 m，梁寬1.0 m；主梁端部設置連系梁，連系梁高度1.2 m，寬0.7 m；基礎埋深3.15 m，基礎體型如圖2所示。

C方案：采用巖石錨桿基礎，承臺采用C35鋼筋混凝土圓形擴展式，承臺直徑15.4 m，端部高度1 m，根部高 1.8 m；臺柱高度0.8 m，直徑7 m。沿承臺邊緣布置兩圈共計124根錨桿，錨桿采用d=32 mm材質為HRB400的帶肋鋼筋，錨桿伸入基礎1 m，錨入地基4 m，錨桿孔直徑為110 mm，采用C40細石混凝土灌孔，基礎埋深2.45 m，基礎體型如圖3所示。

3.2 功能指數

由于本項目屬于電價補貼項目，按時完工是保證電價的必要條件，而施工便利性是保證施工質量的重要條件，因此工期合理性和施工便利性應當具有較大權重；另一方面，由于風電場屬于清潔能源，環境友好，不同風機基礎形式對環境的影響都很小，此外，各方案均通過了可靠性計算，技術合理性差異也很小，因此環境影響和技術合理性權重相對較小。技術合理性方面，擴展式基礎和梁板式基礎都屬于常規重力式基礎，對天然地基具有較好的適應性；巖石錨桿基礎利用巖石錨桿將地承臺與地基連接在一起，但承臺內存在局部拉應力偏大，有導致基礎開裂的風險。施工便利性方面，擴展式基礎和梁板式基礎具有相似的施工工序，但梁板式基礎體型相對復雜，需要較多的模板，基礎鋼筋分布不均勻，梁交叉節點鋼筋較密，不易綁扎，施工相對困難；巖石錨桿基礎分為錨桿和承臺施工，工序稍多，但承臺施工與擴展時基礎施工方法類似，較為便利。工期合理性方面，在充分利用工作面的情況下，擴展式基礎從基坑開挖到基礎澆筑完成，需要約7 d時間；梁板式基礎需要約8 d時間；巖石錨桿基礎需要約6 d時間。環境影響方面，風機基礎施工主要涉及地表擾動，擴展式基礎與梁板式基礎的底面積一致，但擴展式基礎的埋深稍淺，相同地質條件下，基坑開口面積比梁板式小，對環境影響也相對較小；而巖石錨桿基礎的承臺面積最小、基礎埋深最小，基坑開挖地表擾動最小，對環境影響也最小。方案各功能的權重及方案的功能得分見表2。

表2 各方案功能的權重及得分表

根據功能權重以及功能得分，計算各方案的功能指數如表3所示。

表3 功能指數計算表

3.3 成本指數

根據各方案列出單臺基礎主要工程量及造價見表4，由此計算各方案成本指數如表5所示。

表4 主要工程量表

表5 成本指數計算表

3.4 價值指數

根據功能指數和成本指數計算各方案價值指數如表6所示。

表6 價值指數計算表

根據表6的計算結果可知，本項目方案C的價值指數最高，巖石錨桿基礎為最優方案。此外，雖然梁板式基礎的造價比擴展式基礎優，但綜合考慮功能因素后，其價值指數比擴展式基礎更低，在本項目三種方案中綜合效益最差。

4 結論及建議

本文結合項目的地質條件，擬定擴展式基礎、梁板式基礎、巖石錨桿基礎三種基礎形式，經CFD軟件驗算，得到三個滿足可靠性要求的基礎方案。采用價值工程理論，從技術合理性、施工便利性、工期合理性和環境影響四個方面分析各方案的功能指標，并根據各方案的估算成本分析成本指標，進而計算各基礎方案的價值指標，選擇價值指標最高的巖石錨桿基礎作為最優的基礎方案。

價值工程可對風機基礎選型進行量化評價，該方法可為類似工程決策提供參考。應說明的是，山區風電場風機基礎選型是全方位、多要素的，基礎選型的功能權重應根據項目的實際情況進行確定，功能評分應綜合考慮參建各方的利益需求，才能對基礎方案的選擇作出科學決策。