三維數字化設計為工程建設全生命周期保駕護航

文｜胡明勛 舒磊

隨著城市土地資源和傳統能源的緊缺，清潔能源逐漸走進大眾視野，其中太陽能作為可再生資源是目前大力提倡的清潔能源之一。南方地區山地較多、太陽能資源較為豐富，山地光伏應運而生。山地光伏項目一般選址在未開發利用或可利用價值較低的荒山荒坡，地形起伏、局部坡度較大、地質多為碎石或凸起連片巖石，在這種復雜山地地形情況下建設光伏發電工程具有諸多不利因素，例如山地地表起伏不平，朝向各異，可利用面積較為不規則等。

針對復雜的山地地形帶來的設計困難，湖北省電力勘測設計院有限公司數字化設計團隊基于MicroStation軟件平臺及針對土建、總圖、道路以及電氣和電纜敷設等進行二次開發的專業設計軟件，考慮山地地形起伏、陰影遮擋、光伏面板陣列布置等因素的影響，自主開發了光伏設計軟件進行自動布置光伏面板，各專業設計軟件通過ProjectWise數據管理平臺進行三維協同設計，搭建成一個完整的適用于山地光伏發電工程的三維設計平臺。通過各專業設計軟件協同設計平臺和數據管理平臺形成“一個設計平臺，一個數據庫”的標準。通過此平臺進行數字化模型設計，再使用移動終端的數字化模型配合施工管理，形成一個高效、合理的適合光伏發電項目的解決方案。

三維數字化設計構建準確高效模型

三維數字化設計可以依據地形模型對光伏面板實際情況布置進行仿真模擬，以驗證設計中考慮地形、光伏面板、光照三個因素下光伏陣列布置的合理性。湖北省電力勘測設計院有限公司根據需求開發了光伏三維設計軟件，其主要功能模塊和數據庫如圖1所示。

圖1 光伏三維設計軟件功能與數據庫

該軟件包含項目管理、地形處理、方案設計、布置設計、三維設計等功能模塊，可以完成山地地形場地平整、光伏面板列陣布置、計算光伏輻射量、選擇列陣最佳角度以及計算光伏發電量等工作，具體功能如圖2所示。

圖2 光伏三維設計軟件功能模塊

為了使得光伏面板的傾角和方位角能夠確保其受光量和發電量最大，精確的地形模型是必要條件。對于復雜的地形條件常規設計方法難以統籌多種因素的影響，且人工手動設計工作量巨大，采用無人機傾斜攝影獲得地形地貌的實景模型，利用地形處理軟件GEOPAK Site讀取地形數據生成數字高程地形模型，進行升壓站區域場地平整、道路及護坡、光伏陣列場地局部平整等后，將場地模型提供給設計人員，為準確和高效的布置光伏面板提供了地形模型支持。

山地地形的光伏電站設計過程中，光伏面板陣列間距控制較為復雜，且光伏面板容易出現光影遮擋問題。為解決上述問題，光伏設計軟件中制定了以下關鍵技術：光伏系統計算、地形分析、光伏系統布置、光伏系統邏輯數據管理、自動編碼、光伏陣列及電纜隨地形自動生成三維模型、自動出圖，為光伏面板的陣列布置和光伏系統的設計提供了快速、便捷的操作平臺。

光伏陣列布置過程中，依托三維地理模型精確布置三維光伏面板、電纜、支架、匯流箱、逆變器等設備構件，通過軟件制定的規則計算出各個光伏陣列的方位角、傾角及位置坐標，批量生成光伏陣列模型。電纜敷設采用埋置地下的施工方法，其空間模型占位的實際情況較為復雜，通過軟件定制的計算規則自動生成電纜模型。

各專業通過PW平臺協同設計，完成道路場坪設計、光伏系統、升壓站設計、輸電線路設計等三維設計內容之后，通過協同設計平臺將模型進行組裝，如圖3所示。

圖3 光伏設計工程模型組裝示意圖

數字化設計方案為項目提供全生命周期服務

基于專業軟件Substation和BRCM、AECOsim Building Designer、GEOPAK Site及湖北省電力勘測設計院自主開發的光伏專業軟件，通過協同設計ProjectWise文件管理平臺為山地光伏發電工程提供全生命周期服務。通過三維平臺數字化模型，輔以移動終端的數字化模型配合施工管理，形成一個高效、合理的適合光伏發電項目的解決方案，如圖4所示。

圖4 三維設計平臺貫穿全生命周期

三維設計平臺。根據山地光伏發電工程的特點，基于設計軟件及數據庫管理平臺，集成如圖5所示的適用于光伏發電項目的三維數字化設計平臺。主要包括設計平臺、工程數據中心、項目管理系統三個部分，對工程的設計、采購、施工管理和運營維護實現全生命周期服務。

圖5 工程三維數字化平臺

三維設計流程。針對山地光伏發電項目，依托三維數字化設計平臺進行全面的數字化設計及管理，相關專業領域包括光伏、電氣、結構、建筑、水暖和總圖，具體模型包括光伏陣列布置模型、光伏區域電纜布置模型、升壓站電氣和土建模型、地形數字高程模型，各專業模型組裝形成完整的工程總裝模型，三維設計流程如圖6所示。

圖6 光伏工程三維設計流程

工程案例分析

以湖北能源隨縣＆廣水80MWp地面光伏發電工程為例，該工程項目位于隨縣巖子河和廣水吳店，建設規模為80MWp。該工程場址區域占地面積大，中間夾雜大量的民房、通訊設施和田塘溝壑，場區電纜及檢修道路的路徑規劃難度較大，場區系統的總平面規劃布局困難。

鑒于較為復雜的工程場地，設計過程中有以下特殊需求：一是在丘陵地帶要求節約用地，充分利用地形，同時要保證工程質量，布置的光伏陣列保證在有效時間段無光影遮擋。二是該工程為總承包工程，為保證電纜工程量的準確，要求按地形布置電纜，通過模型數據統計工程量，電纜數量繁多，而且要隨地形布置，對三維設計精確度提出了非常高的要求。三是要求整個工程的數字化模型轉化到移動終端，在施工現場通過“三維模型”與“施工”的一對一檢查管理，讓數字化模型在工程中發揮價值。

將光伏發電三維設計軟件平臺應用到該工程項目中，在勘測過程中應用小型無人機攝影技術收集地形地貌并生成數字高程三維實景模型；設計過程中分別使用相關專業軟件完成總圖、電氣、建筑、結構、暖通的三維模型，使用光伏發電三維設計技術解決了山地光伏設計中光伏系統計算、地形分析和光伏系統布置、光伏系統邏輯數據管理、自動編碼、光伏陣列布置及電纜敷設隨地形自動生成三維模型和自動出圖等功能，以及利用光影仿真分析解決了光伏面板布置過程中產生的光影遮擋問題，有效的減少了布置設計的變更；在采購階段通過被賦予信息編碼的數字化信息模型統計準確的材料清單；在施工階段采用三維可視化、4D施工計劃模擬、施工動畫模擬、三維模型施工等功能輔助施工，在多個項目集中進行時也能清晰地了解各個項目的進度；運維階段可以利用集中管理的三維設計文件及建筑模型信息提供全方位支持。借助貫穿整個工程全生命周期數的數字化化三維設計模型，完成了山地地形光伏發電項目的建造，現場圖如圖7所示。

圖7 光伏發電工程三維模型圖

基于三維協同設計平臺ProjectWise大大提高了各個專業的信息互通和及時交流，碰撞檢查和三維施工模擬減少了設計變更和施工過程中的返工及材料浪費，施工進度模擬能實時把握工程實際進度與計劃進度的對比，對施工進度起到指導作用。三維數字化設計技術的應用顛覆了傳統二維CAD設計的理念，代表了工程建設更加智能、高效、準確的方向發展。