基于BIM的光伏電站施工運維一體化平臺應用

摘要：隨著清潔能源需求不斷增長，光伏產業迎來井噴式發展，同時也在建設過程中存在管理粗放、運維過程信息不完備等問題。基于BIM技術的光伏電站施工運維一體化平臺應用，能夠對現有管理模式和流程進行優化，實現光伏電站管理的可視化、精細化、規范化和智能化，有效提高光伏電站項目的建設質量和綜合效益，對推動光伏電站項目數字化和智能化管理具有重要意義。

關鍵詞：光伏電站；BIM技術；施工運維一體化；建設運營全過程

0 引言

2020年9月，我國向世界宣布2030年前實現碳達峰，2060年前實現碳中和的目標［1］，清潔能源開發應用是推動“雙碳”達標的主要動力［2］。近年來，全球太陽能光伏產業發展迅猛，我國光伏發電新增裝機和累計裝機容量均居世界第一位，但管理和運營效率不高，需要引入新管理技術手段，以提高光伏電站建設與運營的綜合效率［3］。

建筑信息模型（BIM）［4］作為建筑業信息化應用的核心技術，為工程施工過程提供了一種高效、協同、可視化、智能化的應用與支持［5］，提高了施工、設計、勘察等工程各參與方之間的協同性及建設效率，推動建筑全生命周期信息化管理［6-8］。BIM技術在光伏行業中的應用是大勢所趨，如安徽省淮南市的水面光伏電站項目采用了全過程BIM設計流程［9］，較傳統的設計模式縮短了50%的設計時間，極大地提升了設計施工的工作效率。

國內研究方面，白建波等［10］提出一種基于BIM技術的光伏電站自動化布置方法，通過對太陽能電池的安裝傾角、安裝間距、朝向等進行優化，有效提升陣列區域光伏組件表面所獲得的全年輻射量和未來發電量，提高光伏電站自動化程度。張元海等［3］研究BIM技術在集中式光伏上的示范應用，發現以建設方為主導的BIM應用模式更適合短平快建設周期特點的光伏項目，但長周期的運營期如何利用好建設期形成的BIM大數據庫需要進一步研究。

1 光伏電站施工運維一體化平臺應用概述

1.1 施工階段應用

當前，光伏電站項目施工過程中主要存在以下三個方面的問題：

（1）項目建設由多個參與單位共同完成，但各單位都有自己的工作目標和職責，往往會忽略對項目整體的考慮。

（2）參與單位內部各個部門之間信息不互通，易形成信息孤島，不利于項目穩定、高效地實施。

（3）現場人員基于單一的二維圖樣與自身工作經驗編制施工進度計劃、工藝流程與施工方案等管理性文件，并據此進行施工項目的現場管理，但這些管理措施多受人為經驗影響，具有一定的不確定性，且無法實現多方位、全角度的分析與探討。

BIM技術被引入后，可以大幅改善以上情況。具體有以下三點變化：

（1）施工前，可利用BIM技術的可視化特性對整個項目施工建設進行模擬，提前發現現場設計與施工不合理的問題，并提出各專業設計優化建議報告，現場人員可依據報告進行設計圖樣的修訂與施工方案的調整。

（2）施工過程中，平臺通過BIM模型與業務數據進行綁定，可直觀反映業務信息狀態，項目各參與方均能通過BIM技術構建一套可視化的工程協作模式，實現對問題的分析、探討和解決，降低工程風險。

（3）項目進入竣工交付階段后，光伏電站并網與施工同步進行，運維人員可基于BIM模型提前與工程參與方進行有效交流，提出針對運維訴求的改進意見，確保滿足運維過程的要求。

1.2 運維階段的應用

光伏電站的健康運行離不開定期的巡檢維護。目前，國內光伏電站運維過程中存在以下兩大問題：

（1）運維人員通常采取手動記錄數據的方式，對出現的問題匯總后再進行上報。這種傳統的檢查記錄方式容易造成數據丟失、數據與實際現場不符、數據維護變更困難等問題，且光伏組件數量通常有幾十萬個，手動管理使運維效率低下，存在極大的安全隱患。

（2）光伏電站分布范圍廣、車程遠、部分地理位置偏僻，對日常維護工作造成了一定的難度，需要投入大量的人力，部分光伏電站長期無人巡視，雜草叢生，電池板長期不清理，嚴重影響發電效率。

為進一步強化巡檢維護效果，避免數據的失真和丟失，確保電站情況及時反饋與處理，結合BIM技術，可對傳統的巡檢方式進行以下三個方面的改進：

（1）以施工過程中交付的BIM數據作為運維管理的基礎數據，實現線上設備故障、缺陷問題的提報，記錄內容包括日常巡檢的設備問題、缺陷，更換的設備、電纜等。BIM數據可為巡檢記錄提供三維準確位置，實現三維可視化的日常運維、檢修工作錄入功能，對錄入的問題按照區域、設備、故障類型等進行統計和分析，并通過數字化圖表直觀展現。

（2）通過現場安裝監控攝像或無人機航拍等設備，對光伏電站進行遠程控制，彌補傳統巡檢監控方式的不足，并把現場采集的視頻、圖像等工程數據轉化為數字信號，通過對數據進行解碼，得到分級的巡檢數據。而這些數據可以實時反映在可視化的BIM模型中，管理人員可根據建立的三維模型掌握和控制巡檢的進度。

（3）采用BIM模型作為數據底層方案，在圖形中查看設備壽命、故障記錄等屬性，對設備壽命進行可視化管理，形成運維大數據。根據平臺歷史數據分析，指導日常運維工作的開展，包括更換設備提醒、壽命管理、材料籌備等。對錄入的問題按照區域、設備、故障類型等進行統計和分析，并通過數字化圖表直觀展現。

1.3 傳統與BIM方式比較

光伏電站施工運維傳統方式與BIM方式比較見表1。

2 案例分析

以江西省南昌縣江鈴汽車分布式光伏車棚發電項目為例，開展以BIM為關鍵技術并貫穿光伏電站施工運維一體化平臺應用的研究。在該項目施工階段，平臺以BIM技術打通并集成項目進度、成本、質量、安全、技術等管理數據；在項目運營階段，基于BIM在項目建設過程中的數據，以可視化模型直觀展示，為光伏電站運維提供精準的光伏構件信息與位置，有助于提升光伏電站運維水平，實現光伏電站可視化、精細化、規范化和智能化管理。

2.1 工程概況

江西省南昌縣江鈴汽車分布式光伏車棚發電項目由北京能源集團有限責任公司投資建設。該項目位于江西省南昌市南昌縣江鈴汽車股份有限公司廠區內，分為小藍、富山兩個片區，電站計劃裝機容量為63.05MWp，其中10萬m2富山基地裝機容量為32.4MW，約133萬m2小藍基地裝機容量為18.36MW，40萬m2整車庫基地裝機容量為12.29MW。該項目年均發電量為6403.3萬kW·h，25年總發電量為160 082.3萬kW·h。

該項目為車棚電站，組件安裝在車棚上，車棚按固定傾角10°布置，采用單晶硅540Wp光伏組件，共計11.676萬塊光伏組件，324臺196kW組串式逆變器，14臺3150kVA和8臺2500kVA箱變，擬采用發電方式為“自發自用、余電上網”，并網電壓等級為10kV。

2.2 基礎數據搭建

平臺基礎數據為光伏電站BIM模型與現狀場地傾斜攝影模型兩部分數據。

2.2.1 BIM模型創建

該項目采用Revit軟件進行光伏電站BIM模型創建。建模前制定統一的標準化族庫（數據庫）、項目樣板與建模標準，確保項目建模數據的規范性。根據光伏電站項目的建模需求建立族庫，具體包括光伏組件、車棚、逆變器、設備及附屬結構。進行標準化族的創建和整理，形成標準化族庫。光伏電站BIM構件族庫如圖1所示。參數化模型極大地提高了光伏電站BIM模型的創建效率。基于上述標準化族庫，依據甲方提供的確認版蓋章光伏電站圖樣，搭建貼合現場實際的BIM模型，包括土建、管線、場地、光伏設備等專業模型。分布式光伏電站BIM模型如圖2所示。

2.2.2 現狀場地傾斜攝影模型創建

通過對現場開展無人機航拍，生成現狀場地傾斜攝影模型，如圖3所示。傾斜攝影測量技術是通過高效快速地獲取海量的數據信息，真實可靠地反應地面的客觀情況，其更加重視三維性的立體空間，具備較高的精度和真實性。航拍任務主要劃分為航空攝影、空三加密、模型提取、模型檢查與修復、繪制等高線等步驟。模型分辨率為5cm、高程中誤差20cm，坐標、高程系統采用國家2000坐標系，中央子午線116度、85高程系統。

2.3 光伏電站BIM施工運維一體化平臺應用

因光伏電站項目建設內容較為單一，設計階段對平臺化協同需求不高。而施工階段與其他類型項目不同。光伏電站建設周期較短，自項目立項后，建設周期通常為６個月，且建設后期與運營初期具有較大重合，即從局部并網到整體并網具有較大重合性。這一特點突顯了BIM技術在光伏電站項目中的應用特征：成果相互影響、建立模型相對集中、過程中反復調整，施工周期時間短、運維應用周期長等。

2.3.1 平臺總體架構

該項目光伏電站BIM施工運維一體化平臺總體架構圖如圖4所示。以BIM模型和互聯網的數字化遠程同步功能為基礎數據層，搭載BIM+GIS圖形引擎，可集成展示BIM、傾斜攝影與GIS模型信息，并支持手機端和網頁端應用瀏覽，推進項目建設過程的精細化、可視化管理。

（1）基礎數據層。以BIM數據存儲建設實體數據，以GIS數據存儲光伏電站的場地與環境數據，以業務數據存儲施工運維過程中各業務運營記錄、流轉、分析等數據，以傳感器數據記錄現場實時數據，如視頻監控、發電量等。

（2）數據處理層。對基礎數據進行處理和關聯，其中BIM引擎與GIS引擎用于將BIM數據和GIS數據轉換為輕量化三維圖形展示，以供前端人員直接瀏覽應用。關聯數據庫實現BIM數據、GIS數據與業務數據、傳感器數據之間的關聯，減少重復記錄和冗余信息，為具體業務功能提供應用基礎。

（3）服務層。服務層以BIM+GIS引擎為基礎，分為施工管理應用與運維管理應用。

（4）展現層。平臺支持PC電腦端、手機端APP應用，并支持數據大屏的直觀顯示。

2.3.2 BIM+GIS引擎應用

BIM+GIS引擎是該項目平臺展示的核心功能，也是BIM平臺應用落地的關鍵技術。該項目采用慧航云BIM+GIS圖形引擎，支持GIS衛星地圖、無人機傾斜攝影模型、BIM模型等多源數據的

加載集成顯示，如圖5所示。引擎通過自動讀取BIM模型中的構件編碼，生成光伏電站模型結構樹，如圖6所示，實現對模型構件按廠區、箱變、逆變器、組串、光伏組件進行分級管理。引擎支持模型測量、剖切、隱藏、漫游等基本操

作，并通過模型能夠查詢到精準的構件屬性信息，包括構件編號、名稱、設計圖樣、幾何信息、施工進度等，這要求模型屬性信息字段預留完整，以便設備的信息存儲。屬性查詢如圖７所示。

2.3.3 BIM施工管理應用

平臺以BIM技術為核心，在施工前按廠區制訂施工進度計劃，并將任務與BIM模型進行關聯，定期通過現場無人機航拍（圖8）更新光伏電站的實際施工進度，實現BIM進度數據實時動態管理（圖9），進而實現進度計劃與實際BIM三維動態預演。同時，平臺支持線上質量巡檢（圖10）、材料管控、技術審批歸檔等應用，確保施工過程高效穩定。

2.3.4 BIM運維管理應用

通過BIM可視化展示，平臺為光伏電站運維提供光伏組件、電纜等精準信息與位置，實現可視化智能巡檢維修。平臺運行前，需對常見故障類型進行分類，如光伏板閃電紋、光伏板松動等，通過在圖形中點擊故障模型，自動獲取模型相關信息，實現故障信息的快捷記錄，并跟蹤維修過程。基于光伏電站日常運行過程中產生的海量數據，對設備發電量進行預測，對可能產生的故障進行預警，對實際發生的故障進行準確定位，對光伏電站進行健康檢查和對標，從而實現光伏電站運維規范化、智能化、專業化管理，提升光伏電站的運維水平。設備故障與維修管理如圖11所示。

3 結語

本文提出一種以BIM為關鍵技術貫穿光伏電站施工與運維的管理方法。施工前，通過無人機采集生成建設前場地傾斜攝影模型，設計光伏電站BIM模型，并搭建施工運維一體化平臺，搭載BIM輕量化圖形引擎，集成展示場地傾斜攝影模型與光伏電站BIM模型，直觀展現光伏電站建成后與實際場景的位置關系和效果，實現光伏電站可視化、精細化、規范化和智能化管理，提升光伏電站運維水平。BIM技術在光伏電站施工運維一體化中的應用前景十分可觀，但由于建設運營全過程系統龐大、結構復雜，實踐中還需進一步深化。

參考文獻

［1］《環境保護》編輯部.積極應對氣候變化努力實現新達峰目標與碳中和愿景［J］.環境保護，2020，48（20）：2.

［2］張翼.綠色能源發展“風光無限”［N］.光明日報，2021-03-31（13）.

［3］張元海，段佩怡，李沐林.基于光伏建設運營全過程的BIM技術應用［J］.廣東水利水電，2021（10）：91-96.

［4］EASTMAN C M.The use of computers instead of drawings in building design""""" J］.AIA，1975（3），46-50.

［5］EASTMAN C，TEICHOLZ P，SACKS R，et al.BIM handbook：aguide to building information modeling for owners，managers，designers，engineers and contractors［M］.New Jersey：Wiley，2008.

［6］何關培.業主BIM應用特點分析［J］.土木建筑工程信息技術，2012，4（4）：32-38.

［7］李政，陳楊澤，楊遠豐，等.建設方主導的BIM項目管理實踐與思考——以保利魚珠項目為例［J］.土木建筑工程信息技術，2018，10（5）：1-9.

［8］胡振中，彭陽，田佩龍.基于BIM的運維管理研究與應用綜述［J］.圖學學報，2015，36（5）：802-810.

［9］黨瑩穎，袁博，張順.基于BIM的漂浮式水上光伏電站設計［J］.人民長江，2022，53（S1）：39-43.

［10］白建波，沈弘，胡家宇.一種基于BIM的光伏電站自動化布置方法： CN111581701A［P］.2020-08-25.

收稿日期：2022-09-13

作者簡介：

譚昊（1987—），男，中級電氣工程師，研究方向：光伏電站和風電場的安全生產管理及數字化。

陳海濤（通信作者）（1991—），男，工程師，研究方向：BIM與建筑信息化。

鐘毅（1980—），男，高級工程師，研究方向：BIM與新能源電力項目投資建設。

張大勇（1977—），男，高級工程師，研究方向：新能源數字化基建管理。

湯文軍（1983—），男，工程師，研究方向：發電企業安全生產運營管理。