風力發電BIM智能化設計技術在某90MW風電項目中的應用

黃河勘測規劃設計研究院有限公司 閆 新 中冶焦耐（大連）工程技術有限公司 張小粟

1 國電投長垣惱里90MW風電場項目概況

1.1 項目概況

國電投長垣惱里90MW風電場工程場址位于河南省長垣縣惱里鎮黃河倒灌區內，距離長垣縣15.0km，海拔高程為60～80m。本工程總裝機容量為90MW，設計安裝28臺單機容量為3000kW風電機組，另選4臺機位點作為備選機位，通過4條架空線路（總長約28km）接至新建的110kV升壓變電站。項目擬建設一座110kV升壓站，單回架空線送出。本風電場工程年上網電量19793.22萬kWh，年等效滿負荷小時數2199h，平均容量系數為0.251。

該項目建設場區范圍約40萬km2，位于封丘倒灌區內。封丘倒灌區東起貫孟堤，西至紅旗總干渠，南依黃河大堤，北靠太行堤，面積約575km2。封丘倒灌區的地勢為西南高，東北低，東北面依靠太行堤和黃河大堤約束，東面有長21.12km的貫孟堤，貫孟堤末端姜堂至長垣孟崗有長約8km的缺口，形成封丘倒灌區的倒灌口門，歷史上曾發生多次大洪水的倒灌。本次項目設計實施過程中，項目場區的防洪影響評價成為本項目的設計先置文件。

本項目設計裝機容量90MW，按照《風電場工程等級劃分及設計安全標準（試行）》（FD002-2007），風電場建設規模等級劃分為中型。電站需根據風電場場址的地形、交通運輸情況、風資源條件和風況特征，結合國內外商品化風電機組的制造水平、技術成熟程度以及風電機組本地化率的要求，進行風電場機組型式選擇。本工程全場共28臺3MW風機，采用一機一變單元接線方式，每臺風電機組配置1座箱式變壓器，風機電纜經過風機基礎引至附近箱式變壓器低壓側，通過箱式變壓器就地升壓至35kV，通過35kV集電線路接入110kV風電場升壓站的35kV母線。風電場升壓站35kV母線側采用單母線接線形式，設置1回出線，通過共箱母線與主變壓器相連。

1.2 項目特點

綜合分析，國電投長垣惱里90MW風電場工程具有以下工程特點：一是該項目為黃河下游首座灘區風力發電工程，工程建設和運維對黃河行洪的影響是項目的一項重要因素，需要在設計工作中進行充分的考慮與模擬。二是本項目占地近40km2，單位工程分散，建設周期短，涉及專業多，普通的軟件手段實現大范圍場區的數字化設計存在困難。三是風力發電項目具有短平快、可變因素多的特點，因此項目需要進行數字化手段進行精細化設計、快速化反饋，加強專業協同，提升設計效率。四是本工程要實現對整體工程的全生命周期信息化、智能化。針對這些特點，國電投長垣惱里90MW風電場工程采用了風力發電BIM智能化設計技術。

2 風力發電BIM智能化設計技術方案探索

2.1 場區數字化地形分析

風力發電BIM智能化設計技術方案，可根據相關專業提供的測繪資料對項目場區進行數字化地形分析，主要有數字化地形高程圖譜分析、數字化地形等高線分析和精細化地形體生成，并可以對地形資料中的細微錯誤進行軟件自動修復。項目經過反復研究，采用CATIA 3DE平臺Digitized Shape Editor（DSE）、Shape Sculptor、Quick Surface Reconstruction（QSR）模 塊 進 行CAD點 云 數據的處理及地形重構、地形變形、分割修改、地形mesh面轉換成曲面等建立場區實際地形模型。多種分析手段的融合既滿足直觀形象的三維地形分析需求，又有傳統的等高線作為輔助，對于平坦的大場區設計十分方便[1]。

圖1 數字化地形等高線分析

2.2 風力發電場標準化BIM模型

本項目采用標準化的BIM模型進行建模。BIM建模采用UDF模塊進行參數化建模，如風電場設計采用的架空線路模型，采用線路懸鏈線模型，線路導線的應力、荷載、風速、導線直徑等參數均可以由設計人員結合項目情況自主設置。線路方程如下：

相關架空線路的桿塔布置采用參數化表格自動控制，通過Office數據導入，桿塔布置可以實現5s內生成整個風電場的所有架空線路的生成。項目采用經過驗證的仿真算法，所建模型的參數可以依據不同的工作環境進行修改，實現對于其他相關自動化設計手段的復核性校驗。

項目建模通過采用標準化的模板，配合設計業務流程的設計規則，就可以形成標準的設計流程。根據實際操作經驗對比，這種方法可以提高2倍以上的速度。

圖2 標準化的BIM仿真模型

2.3 黃河行洪對于風電場影響的動態化分析

由于本項目位于黃河下游灘區，項目工程建設及運維中需要考慮黃河行洪對場區的影響。

根據《黃河河道管理范圍內建設項目技術審查標準》第十條規定，設計洪水除滿足建設項目自身防洪標準外，還應與建設項目所在河段的防洪及水電工程標準相協調，水位流量關系應與建設項目所在河段的防洪及水電工程標準相協調。風電場工程洪水設計標準及洪水位確定時，考慮與所在河段的防洪要求相協調。

風電場工程上端距離上游夾河灘水文站27.8km，下端距離下游石頭莊水位站12.4km。工程河段的設防流量為21500～21200m3/s，50年一遇洪水流量為11700～11200m3/s，30年一遇洪水流量為11200～11100m3/s。根據本項目防洪影響評價報告，長垣惱里風電項目工程首尾端設防流向下水位見表1。

壅水分析采用平面二維數學模型的控制方程進行分析：

表1 長垣惱里風電項目工程首尾端設防流向下水位表(單位：m)

水流連續方程：

水流動量方程：

利用CATIA 3DE設計平臺，結合規劃專業提供的防洪影響評價報告，通過自主開發的功能模塊，可以仿真的是不同高度的洪水水位在場區的淹沒情況。設計人員也可選取任意一臺風機進行了放大顯示，可以看到水位的上升。在這種數字化手段下，場區的受影響程度可以一目了然，也為風機的機位選擇、項目建設及運行決策提供輔助性支撐。

圖3 66.9m洪水位對于場區的影響

圖4 67.9m洪水位對于場區的影響

2.4 BIM智能化風力發電升壓站設計

風力發電場的升壓變電站設計，通過使用REVIT BIM智能化設計平臺，可實現生產建筑三維配筋，二維三維聯動的建筑結構出圖，自動核算混凝土、鋼筋工程量。REVIT還可以動態化實現以供電回路為單位的建筑照明計算，采用三維模型模擬照度計算，統計電氣元件、電纜工程量，實現綜合樓內電氣設備埋管碰撞檢測。本項目相關材料清單也可以一鍵生成。

圖5 風電場升壓站BIM設計效果

3 風力發電BIM智能化設計技術創新及優勢

國電投長垣惱里90MW風電場BIM智能化設計具有如下創新：

一是利用CAITA 3DE平臺進行大尺度風電場地形處理。本項目場區范圍近40km2，利用CATIA 3DE平臺進行大尺度地形體處理，并利用其中最新的地形處理模塊，實現了場區的精細化處理，為地形的開挖工程量核算提供了基礎。

二是結合相關公式、數據，首次實現相關BIM參數化模型的建立及應用。架空線路、風機機組、戶外變配電設備等設備全部實現參數化建模，相關BIM參數化模型成果亦可應用于后續其他風力發電相關項目。

三是實現了通過BIM手段實現風電場區受黃河行洪影響的動態分析。通過BIM設計手段，可以實現仿真不同洪水位高度對于場區的淹沒影響。

四是實現了基于Revit與CATIA 3DE軟件融合方式下的聯合BIM設計。通過中間IFC文件接口，實現了Revit與CATIA軟件的融合，聯合實施升壓變電站設計，實現了升壓變電站的照明智能化設計、建筑智能化設計、管線智能化設計、景觀智能化設計[2]。

風力發電BIM智能化設計的優點在于利用數字化設計手段，針對國電投長垣惱里90MW風電場工程的眾多特點、難點，采用精細化、快速化、標準化的設計，在提升生產效率的同時，大幅提高設計感。同時，利用動態化的手段，突破了以往二維平面設計不夠直觀形象的特點，針對風力發電場全建設生命周期內的每個階段都進行設計。經過實踐比較，本次利用風力發電BIM智能化設計方式，可節約設計周期30%左右，同時提高相關設計準確度10%以上。與此同時，本方案也可以有效降低施工交底難度和提高施工效率。

4 結語

在國電投長垣惱里90MW風電場工程項目中，通過詳細分析和反復探索，采用風力發電BIM智能化設計。本成果的優點在于采用精細化、快速化、標準化的設計，在提升生產效率的同時，大幅提高設計感。同時，可利用動態化的手段，突破了以往二維平面設計不夠直觀形象的特點，針對風力發電場全建設生命周期內的每個階段都進行設計。風力發電BIM智能化設計手段了保證國電投長垣惱里90MW風電場工程項目設計工作的可靠性、安全性及經濟性，該成果的成功運行可為其他工程設計借鑒。