建筑信息模型( BIM)在海上升壓變電站設計中的應用

摘 要：本文分析了建筑信息模型（ BIM）在海上升壓變電站設計中的適用性，對比了BIM應用前后的流程，闡述了主要應用場景，以及在建造和運維階段的應用要點。

關鍵詞：建筑信息模型;海上升壓變電站;設計

中圖分類號：U665.1

文獻標識碼：A

1 前言

海上升壓變電站是將海上風電場各風電機組發出的電能匯集、升壓并送出的海上設施[1]。除主體結構外，海上升壓變電站通常配置有：主變壓器、GIS、站用電等電氣一次系統;計算機監控、繼電保護、通信等電氣二次系統;J型電纜保護管、靠船登入等附屬結構;給排水系統、消防系統、供暖、通風與空調系統、逃生與救生系統等。主體結構與各系統、各系統之間相互交織。由于空間布置的復雜性，如果僅采用傳統的二維CAD設計，可能會出現大量的相互干涉，從而引起大量的返工，造成人力、物力的浪費及施工期的延長。

建筑信息模型（ BIM），主要包括三維幾何、材料、設備及物量信息。通過BIM的應用，在施工設計階段便能識別出結構與各系統、各系統之間的相互干涉，同時也能更直觀地識別出不合理的空間布置，提高了施工設計的準確性與合理性，進而提高了建造成本與建造工期的保證率。

2 BIM概述

2.1 應用軟件

本項目海上升壓變電站建筑信息模型（BIM），主要使用了Bently公司的三維建模軟件MicroStation。該軟件可綜合進行結構、電氣、暖通消防、給排水、逃生救生等系統的三維建模，并具有多種三維輸入輸出接口，既可輸入常用的三維模型格式，也可將模型輸出為常用的三維模型格式。

2.2 模型概況

本項目建筑信息模型（ BIM），先后完成了海上升壓變電站樁腿及導管架基礎主體結構、導管架基礎附屬構件、上部組塊主體結構、上部組塊附件結構、舾裝件、電氣一次系統、電氣二次系統、暖通消防、給排水、逃生救生等三維模型。本文主要介紹樁腿及導管架基礎主體結構、導管架基礎附屬構件、上部組塊主體結構、上部組塊附件結構及舾裝件部分，如圖1所示。

3 BIM設計流程優化

傳統的建筑信息模型與二維設計是分離的，通常是二維設計完成后交由三維設計建模，結構三維建模完成后交由鐵舾裝、電氣、暖通、消防等專業建模，從而完成建筑信息模型。這樣，當在三維模型中發現互相干涉或不合理設計并反饋給二維設計時，二維設計已基本完成或已進行到相當深度，二維設計需要做較大的聯動修改，進而引起三維建模做相應修改。其流程如圖2所示。

為了解決這一問題，需要將三維建模的時機提前到與二維設計幾乎同步進行。由于設計過程是一個反復調整優化的螺旋式上升過程，如果三維建模完全與二維設計同步，那么二維設計過程中的任何變更都將引起三維建模的修改，從而帶來大量反復的三維建模工作，進而影響了設計進程。

經過深入分析，在海上升壓站設計方面，只有部分相對重大的干涉會帶來聯動修改。通過仔細研究總體布置，可以識別出哪些結構、附件、舾裝件或設備等可能會存在引起聯動修改的干涉，因此在二維設計過程只需要同步完成這些部分的三維建模即可，這樣可以大大減少三維建模工作的修改丁作，既提高了設計質量，又保證了設計進度。

基于此，我們將建筑信息模型丁作劃分為兩個階段：第一階段與二維設計同步進行，完成主體結構及可能存在聯動修改的主要附件、舾裝件或設備的三維建模，這部分工作注重將主體結構、附件、舾裝件或設備外形體現出來，將可能存在的干涉或人員通行不便的區域通過三維模型暴露出來以指導二維設計;第二階段在二維設計完成后進行，著重體現其他附件、舾裝件及設備等，為后續生產階段、運維階段提供輔助指導。優化后的流程，如圖3所示。

4 BIM在設計中的應用

通過海上升壓變電站BIM實踐發現，發生干涉最容易引起聯動修改的區域主要為導管架附件區域，即J型電纜保護管區域、靠船防撞區域、登入系統區域等。下面介紹J型電纜保護管區域和登入系統的BIM應用。

4.1 J型電纜保護管布置

為了避免海纜懸空損毀，需要將海床位置到升壓站上部組塊之間的海纜進行固定，通常用J型鋼管來保護這段海纜。從上部組塊底層引出后，J型管先沿導管架內側向下，在靠近海床時以彎管連接轉出導管架，末端以喇叭口形式與海床相接。其布置如圖4所示。

J型管數量眾多，以300 MW風電場為例，需要布置13-14根J型管。在布置上，上部直管段需要注意避開導管架水平撐，在彎管段需要注意彎曲半徑不宜過小且需避開斜撐管和底框架水平撐管，喇叭口需要注意避開底水平撐管。在如此眾多限制條件下布置J型管，僅通過二維設計難以判斷結構是否干涉，而通過三維模型多角度觀察可以非常直觀地發現結構干涉情況并制訂修改方案。

考慮到需要反復調整J型管直線段、彎曲段長度及角度以達到優化設計的目的，通過二次開發將J型管建模參數化以達到快速調整模型的目的，即通過彎管段頂標高、彎管彎曲角度、彎曲半徑及管子直徑四個參數控制J型管形狀;通過J型管豎直段軸心水平面坐標、J型管喇叭口朝向角兩個參數控制J型管位置。

本項目大部分J型管繞導管架腿布置，在參數化過程中，其水平面坐標采用極坐標表示。J型管三維效果圖，見圖5。

喇叭口采用變徑管建模，其母線為網弧，如圖6所示。

4.2 登入系統結構設計

登入系統通過爬梯、斜梯、平臺及通道將靠船柱登入點、導管架頂維護區域及上部組塊連通起來，如圖7所示。在BIM設計中，要重點考慮登入系統的便捷性、人員操作的安全性以及與鄰近結構的關聯性。例如：通道應盡可能滿足灌漿操作、上部組塊與導管架J型管螺栓連接操作、皇冠板焊接操作等要求，單段爬梯或斜梯設置不宜過長，扶手、護籠需合理布置等。

5 BIM在建造及運維階段的應用

5.1 建造階段應用

海上升壓變電站三維模型包含了幾何信息、材料信息等，通過三維軟件可生成加工信息、裝配信息，并可模擬裝配流程。在建造過程中，BIM可以全方位地服務于建造方和承建方。如：工藝人員通過T序模擬，可以及早發現工藝方案中存在的工序碰撞、二次搬運等問題，從而高效準確地制定工藝方案;生產人員通過三維可視化能夠更準確地理解設計意圖，減少錯誤施工帶來的返丁等問題;質量檢測人員通過檢測模擬，可以合理制定檢測路線、檢測時機與檢測方式;安全管理人員通過模型，可以更有效地設置安全警示及布置安全設施，更清晰地識別安全風險從而針對性地制定科學合理的安全管理措施;項目管理人員借助三維模型與模型生成的物量信息，結合生產資源與勞動力狀況，可以制定更準確的施工計劃，并可盡早識別重難點工序，制定更完善的保障措施等。

5.2 運維階段應用

海上升壓變電站配置了大量的監測儀器，如：靜力水準點、幾何水準點、雙軸傾角儀、雙向加速度計、鋼板應力計、腐蝕電位測點等。

海上升壓變電站主要結構節點處都布置有鋼板應力計，可在線監測各節點的應力狀況。運維前，將計算的各節點在不同工況下的應力極限值輸入BIM系統;運維過程中，通過雙向加速度計監測的加速度信號判斷升壓站當前所處工況，將實際應力監測數據輸入BIM系統與應力極限值進行比對，可快速檢查各節點實際應力是否處于正常水平。當某節點應力超出該工況正常水平時可設置報警，以便對該節點作進一步結構檢查。

在制定維修方案時，可借助BIM模型進行預演，以三維可視化的方式將維修方案呈現出來，便于發現維修方案的缺陷，提高維修方案的可執行性。

6 總結

當前，BIM在海上風電的應用尚處在起步階段，各方還在摸索如何使用BIM來幫助設計、建造及運維管理，減少設計、施工及運維錯誤，實現工程的可視化和量化分析，從而綜合節約成本、提高建設運維效率。 通過分析可以發現，選擇合適的BIM載體、優化BIM設計流程、在不同的設計階段投入不同的BIM設計資源，可實現設計的優化與整體項目成本的降低;借助模型操作的可視化與模型信息的關聯性與一致性，在施工階段管理人員、生產人員檢測人員等工作效能可得到全方位的提升;在運維階段充分利用BIM成果，有利于對結構安全性進行快速檢測及制定維護維修方案。

當前，受限于行業習慣及海上風電技術水平，海上風電場設計圖紙交付到施工方仍以二維圖紙為主，因此二維設計仍是必不可少的一環。隨著海上風電生產技術的進一步發展與革新，伴隨著信息化與數字化的大發展，BIM技術也將進一步發展，其功能也將進一步完善，工藝、管理及至地理、實時運營等信息也將納入其中，最終將承擔起連接設計、建造及運維管理的紐帶并發揮項目核心基礎數據庫的作用。對設計而言，三維設計的作用將日益凸顯，將作為設計方的主要成果交付給施工方。

參考文獻

[1] NB/T 31115-2017 風電場工程 110kV-220kV海上升壓變電站設計規范TK83][M].北京：中國水利水電出版社，2018.

[2] BIM導論[TU05][M]。北京：清華大學出版社，2017.