海上風電工程全生命周期管理過程中BIM 技術的應用研究

周興華 趙 輝 余 浩 宋云峰 張繼超 林逸凡

（1.華電（浙江）新能源有限公司，浙江杭州 310000；2.華電重工股份有限公司，北京 100070）

0 引言

近年來，在各類工程設計與管理中已逐步應用BIM技術，其發揮出優化性、可視化、模擬性以及協調性等相關優點，已在工程領域中得到了廣泛的運用，海上風電工程也不例外。在國家“3060”節能減排目標的指導下，風電施工逐漸演變為較為熱門的施工領域之一，發展前景良好。將BIM技術應用到海上風電工程全生命周期管理中，有利于各項施工技術的復核與執行，確保施工質量，達到節能降耗的目標。

1 BIM 的概念

憑借BIM技術能夠通過數字形式，表達建筑中包含的各類元素，達到建筑數字化的效果。BIM模型是將三維數字技術作為核心，以全生命周期為重點，加強建筑產業鏈所有環節的聯系，建立數據模型，為信息交互、查詢、共享、輸出等創設便捷的通道，通過三維可視化的方式呈現各類信息，奠定精細化管理的基礎[1]。

另外，BIM技術能夠融入工程項目的生命周期中，諸如規劃、勘察、設計、施工、運維管理等。現階段，BIM技術在我國建筑、工業、鐵路等相關行業中得到了較好的應用和發展，在水運與海事工程中的應用范圍正在持續地擴展，在海上風電工程中的運用還處于初始階段。新形勢下，提升管理效益屬于主要趨勢，對計劃管控、采購管理、成本管理、資源整合等均提出了許多新要求[2]。而BIM技術在成果校核、工期模擬、打通專業界面、工程量統計等方面的應用，均需要明確行之有效的解決方式。

2 海上風電工程施工的特點

風電最早出現于歐洲，我國首先進行了陸地風電的運用，近年來才逐漸推廣海上風電。立足于全局角度進行分析，海上風電的施工環境方面十分惡劣，工程協調存在較高的難度，對施工能力提出了許多要求[3]。一般情況下，人們會將海上風電工程歸為傳統水運工程，現階段海上風電工程施工的單位以傳統水運施工單位為主。但事實上，海上風電工程超出了水運范疇，特別是深海風電工程，已發展成海洋工程，對施工能力提出了許多新要求。與傳統水運施工相比，海上風電工程涉及以下特點。

第一，風機涉及多種基礎樣式，對施工設備、能力等提出了較高的要求。風機技術屬于整個施工過程的重要環節，單柱基礎、重力式基礎、三腳架技術、導管架基礎等屬于常見的基礎形式，這些基礎形式要求施工單位具備相應的能力。并且新基礎形式正在不斷地推陳出新，諸如歐洲應用廣泛的三樁基礎等。傳統水運工程施工單位在向海上風電市場進行發展的過程中，需確保各類設備的專業化，諸如打樁船等。水運工程與海洋工程相比，存在天然的差異，需要施工單位在施工能力方面滿足更高要求。

第二，施工周期偏短，使普通施工單位面臨巨大難題，特別是剛進入海上風電市場的相關施工單位，實際施工時，存在許多不可控因素，這些因素是導致海上風電工程延期的重要原因，一般需要避開兩個月的冬休期。并且受強流、強浪、臺風等相關天氣的影響，均無法正常施工，需要施工單位擁有良好的組織能力、施工能力，準確掌握施工窗口期，提高施工效率與質量。

第三，海上風電工程正在不斷地向深海進行轉移。現階段，我國海上風電工程基本于近海淺水區、潮間帶等相關區域開發，但近海區域能夠開發運用的風電資源正在不斷減少，使海上風電工程向深海、遠海深入發展成為主要趨勢。當前，我國已建設了超40m水深的風電項目，國外則擁有超100m水深的風電項目。對于深海作業而言，在海況環境方面更加惡劣，需要船機設備、施工工藝等滿足更高要求。

因此，海上風電施工覆蓋面廣、協調難度大以及施工環境惡劣，需要科學規劃、部署，并合理運用各類先進技術，構建專業的施工隊伍與適宜的施工機械，確保海上風電工程施工任務的順利完成[4]。

3 海上風電施工對BIM的需求

立足于施工單位角度進行分析，運用BIM技術，能夠實現質量、進度、成本的平衡。對于海上風電工程而言，受各類因素的影響，需要BIM技術滿足更多需求，比如多場地施工對整體場地布置優化的需求、特殊工藝研發需求、高效精準施工需求、成本管控需求、工程量精確統計需求以及業主對進度管理的需求等，均能夠利用BIM技術實現[5]。

4 海上風電工程全生命周期管理過程中BIM技術的應用分析

以BIM技術為核心，結合海上風電工程實際情況，構建全生命周期建設管理平臺，可對設計、施工、運維期的三維BIM信息模型和物聯網大數據進行有效整合，建立面向場區提供多元化服務路徑的智慧服務運營管理平臺，比如設計施工、資產管理、運維綜合服務、接觸支持中心等[6]。首先，基于設計模型及相關信息，對隱蔽工程和重要設施開展高效維護與精益管理。其次，通過三維直觀的表現方法，在開展應急預案規劃和處理的過程中，加強科學管理。最后，有效運用運維時期的相關數據，基于BIM運維管理系統，建立相應的云端專業庫，通過知識系統實現高效決策，降低人力成本。將互聯互通、信息共享等作為目標，在各類智慧化技術的支撐下，與相關業務應用、功能進行關聯，融入海上風電工程全生命周期的數據、資產信息管理中，為智慧化服務決策創設優質條件。本文針對BIM技術在海上風電工程全生命周期管理中的應用，以施工建設階段管理平臺的構建為主，對具體的策略進行探究。

4.1 施工深化建模

針對風場場區以及海上升壓站施工，開展三維建模。結合施工特點與現場實際狀況，劃分施工面。其中，風場包含風機基礎、風機機組、地形地質等相關模型；海上升壓站則設計結構、電氣、暖通以及消防專業模型深化。需要注意的是，模型深化必須同施工深化圖深度相同。首先，深化模型需要構建各系統支管以及安裝支吊架，設備構件數據庫則需要附加廠商信息、安裝制造信息等，比如彎頭、三通以及閥門等。其次，建立鋼結構模型，以鋼結構細致節點為切入點，基于廠家產品相關要求，對其進行分段式處理，并細致地核對是否同現場情況相同。最后，立足于各專業特征，建立三維BIM模型，對二維圖紙進行細致校對與核對。

4.2 三維圖冊

從施工圖深化而來的三維圖冊，可更好地指導施工活動，并參照優化后的BIM模型，梳理管線十分復雜的地方，為其提供管線綜合剖面圖、節點大樣圖以及局部3D圖等。同時，對尺寸進行標注，以精準反映豎向標高。

4.3 計算工程量

憑借BIM建模，利用空間實現的方式表達、驗證、優化具體的工程設計，在二維圖紙設計中引入BIM模型，存在極高的準確度。將材料統計數據、工程量導入BIM模型，擁有較強的可靠性與實用性，軟件算法也有利于促進統計工程量進度、效率的提高。統計的工程量、材料等能夠在工程預算分析中進行直接使用，為工程投資分析、造價控制、竣工決算等奠定良好的基礎。首先，明確鋼結構詳圖工程量。基于鋼結構，對BIM模型進行深化，可高效率地獲取鋼構件預裝模型及相關參數，基于編碼、標注迅速繪制鋼結構加工示意圖、工程材料統計表等，導出圖紙、材料統計表，由施工單位進行審核，通過后可直接報送廠家下料生產[7]。其次，計算管道設備工程量。通過對機電管道的深化，可對管道用量、管件量、設備工程量等進行全面如實統計。

4.4 在虛擬環境中進行施工模擬

首先，進行4D施工組織方案模擬。結合工程分部和分項的具體劃分狀況、施工節點進度、施工特點、現場具體狀況等，實體切割三維模型，構建能夠將施工作業對象與結構進行全方位呈現的施工作業單元實體模型。借助這一可視化方式，模擬、仿真工程施工的現場環境情況、工序、步驟、資源消耗狀況等，對施工組織設計的可行性、優劣等進行深入分析。通過動態碰撞的方式檢查三維模型、施工設備、施工設施、施工環境、建筑物等，以生成碰撞檢測報告，結合報告對施工方案進行針對性的調整與完善，并分析施工總布置設計的科學性、合理性，實現施工規劃布局的全面優化。通過BIM進行虛擬施工模擬，同施工總布局BIM空間模型、施工進度計劃表進行聯合，創設4D施工資源信息模型，優化與改善具體的施工方案。其次，建立專項BIM施工方案。通過BIM模型能夠對施工過程的重要環節與工序等進行動態模擬，準確總結施工方案的不足與重要步驟，預先確定應對方法，使施工方案更具操作性，并通過可視化預演模擬的方式，對海上風電工程施工環境進行模擬，全方位控制復雜工序。最后，專項BIM施工方案模擬可運用于施工培訓、技術交底等環節。

4.5 構建施工BIM管理平臺

首先，借助Project等軟件對施工進度進行有效控制。聯合BIM模型，對比計劃與實際施工時間之間的差異，找到偏差，以此提高施工效率，并對工程進度計劃進行相對應的調整。基于進度計劃，將計劃完成工程量同實際情況進行對比。其次，將樓層空間位置、設備、材料信息等輸入施工階段模型。結合BIM信息模型，在這一平臺上以編碼的方式構建設備、材料管理等與施工進度的關聯關系，利用設備或構件的三維BIM模型，追溯生產、運輸、施工等信息的效果[8]。再次，運用iPad和手機等相關移動設備，向施工、監理單位等提供輔助，加強施工過程管控，在模型構建中添加施工現場拍攝工程實體、設備構件等照片，也可輸入施工質量、安全等相關信息，回到管理平臺服務器，要求工作人員對這些信息了如指掌，確保這一協同工作能夠延伸到施工現場，繼續開展細致工作。最后，通過BIM協同管理平臺，全方位整合各施工環節資料、信息等，如構件檢驗報告、設計變更記錄、驗收記錄等，各參與單位均能夠查詢，有利于實現協同管理。

5 結語

在“碳中和”逐漸深入的形勢下，海上風電工程得到更多的關注，在海上風電工程全生命周期中應用BIM技術，能夠有效提高項目信息化水平，夯實施工單位成本管控、工期控制、工程質量提高的基礎，促進施工管理水平的提高。基于BIM技術的海上風電全生命周期建設管理平臺擁有諸多優勢，能夠對建筑單體建設進行三維信息模擬，實現碰撞檢查、精確算量、虛擬施工等相關應用，優化設計方案，實現精益管理。同時，對設計、施工等環節信息進行全方位整合，夯實運營階段的決策基礎。將數字、數據、資源、要素、效益等列入重要內容，數據信息移動交付可巧妙地借助建筑群相關工程信息及數據，以管控目的為出發點，對數據進行深入挖掘，確保海上風電工程運營主體能夠做出科學的決策，發揮規模效益，獲得更高的利益。在未來發展過程中，還需深入探究與健全BIM技術的運用路徑與方式，推動海上風電工程朝著更智能化的方向發展，促進我國風電施工能力的提高。