陆上风电工程中 BIM 技术的应用研究

郑清涛，端木祥杰，任泽俭（.水发能源集团有限公司，山东 济南 5009；.山东润鲁工程咨询有限公司，山东 济南 5009）

0 引言

新时期国家经济发展速度较快，对能源的需求量也越来越大，能源是决定经济发展的重要因素之一[1]。而风能作为一种不同于石油、煤炭的清洁型能源，具有可再生特点，被不断开发利用。此外，在降低能源消耗、环境污染的可持续发展背景下，信息化、模型化也成为时代发展重要趋势[2]。作为一种创新型计算机辅助设计工具，BIM 技术在各式各样的工程建设工作中被广泛应用[3]。将 BIM 技术融入陆上风电工程当中，可提高工程整体效益，也可促进风电工程向信息化方向持续发展，促进风电工程长久发展。

1 研究背景

BIM 技术在国内经过不断探索、分析、应用，已经逐渐深入到工程项目中，并逐渐向石油、机场、轨道交通等工程建设推广延伸。此外，伴随“互联网+”的不断发展，各行各业均围绕互联网实现新进步[4]。在此背景下，“BIM+GIS”[5]、“BIM+3D 扫描”[6]、“BIM+3D 打印”相关技术也随之出现。

以“BIM+GIS”技术为例，其在水利建设、轨道交通、市政工程中均应用广泛，对工程规划、空间管理等做出巨大贡献。此外，“BIM+项目管理”的模式为项目管理提供新思路，大大提高了项目综合管理能力及效率。BIM技术在各行各业应用广泛，但 BIM 技术集成在清洁能源方面的应用较少。

近年来国家高度重视经济发展和环境保护的协调发展，一系列清洁能源建设工程增多，风力发电事业持续发展，装机量、建设量提升[7]。与此同时，风电事业的市场竞争也更加激烈，各参建单位积极采取多元化的工程措施控制建设成本，但整体来看，风电建设投资成本水平仍然居高不下。将 BIM 技术融入风电项目中，可以有效控制各环节的建设成本投入，为缩短工期提供有力支撑[8]。

2 关于 BIM 技术

BIM 技术将建筑中的多种元素通过数字的方式表达出来，实现建筑工程的数字化、网络化、可视化。由此可见，通过 BIM 技术支持建筑可以在信息软件上进行全方位观察，可以对施工的各个过程落实全面监督和控制。目前 BIM 技术和建筑工程的各个过程都有密切联系，其可以大大提高建筑工程规划及勘察、施工环节的工作效率及质量，构建建筑全生命周期，各部门统一化的数据共享平台，提高信息沟通效率，也有效控制建筑工程过程的成本。此外，BIM 技术也可以模拟工程环境及工程建成后的运行、能耗等，从而为项目全过程的实施和检测提供科学依据。

3 案例工程介绍

我国南方某风力发电厂建设项目的高程范围在 729 m～1 239 m 之内，场地设计范围约 20 km2，建设场地位于山坡附近，坡度较陡且周围环境较为复杂，设有国家级的自然保护区也涉及采矿区，区域范围内经常有大雾出现，冬季还有少量的降雪覆冰，属于典型的山地风力发电厂。该项目选择的风机单容量为 1 500 kW，总装机量为 120 MW，属于企业自建自营，投资成本较大，且涉及全生命周期建设，若采取传统的风力发电厂建设技术，并不能满足新时期项目规划和设计的要求。该项目在 BIM 技术支持下开展多项集成技术控制工程投资，能为工程施工及后期的运维提供必要支持。

4 BIM 技术在陆上风电工程中的应用

4.1 工程设计

在工程设计阶段，将 BIM 技术应用到风电工程当中，可以迅速建立有关工程实地的场地模型，从而分析环境对工程建设的影响，将工程有关的风险因素数据收集起来，以此直观的通过三维动画进行规划设计。在设计阶段，采取 BIM技术配合 GIS 技术的方式，该集成技术可以提高大规模区域性工程的实际管理能力。GIS 的宏观尺度可以将 BIM 的应用范围从建筑扩展到大型地形中。例如，相关设计人员可以创建风力发电厂的地形模型，采用专门的地图软件下载风力发电厂的位置数据，足不出户就可以获取风力发电厂的高程、面积、地质等各项信息。将多种信息导入专业的地图处理软件中，并标出等高线；再将等高线文件导入到 Revit 中，构成三维地图，建立初始地形模型。利用 BIM 自身强大的建模工程，迅速分析结果，帮助设计人员规划评估场地的使用条件，从而确定风力发电厂建设的最佳位置。在设计环节中，各项技术人员通过同一平台数据共享，快速获取各项数据的变化信息，从而提高工作效率。此外，将 BIM 技术配合三维扫描，三维扫描为光、机、电以及计算机技术的集成高新技术，通过三维扫描技术支持，配合 BIM 技术，可以快速构建物体的三维模型，两种技术优势互补。目前主要采取无人机搭载三维激光扫描仪的方式对地形扫描，之后采取专业的处理软件（Trimble Business Center），获取地形点的云数据，以 BIM 软件构建更加精确的地形模型，满足设计要求。

4.2 施工阶段

4.2.1 BIM 技术配合项目管理集成

在风电工程实际施工当中，采取 BIM 技术配合项目管理集成，可以大大提高管理效率和质量。项目管理主要是在指定的工期及确定的费用目标基础上，对工程项目实施综合管理，确保预定的目标得以实现。将 BIM 技术和项目管理相结合，充分发挥 BIM 技术自身可视性、共享性及管理性的特点，为传统的工程管理提供可视化管理手段。

相关管理人员可以通过数据分析、模型构建、模拟施工、碰撞检查等，了解各个施工步骤容易出现的问题并及时规避，制定切实可行的紧急管理措施，确保施工稳定且安全完成。例如，管理人员可以构建设备构件模型，将灭火器、风机基础、电缆管固定架、基础电器平台、升降机等常见的风电工程设备建模，标注好设备的型号及数量，建立专门针对设备的专用族库，避免重复建模，也可以为后续管理提供有力支持。

管理人员也要对升压站建模，按照具体的结构、建筑类型、机电专业等分别建模，将各个专业的模型链接起来进行合模，开展碰撞检查，通过碰撞检查，及时发现一旦发生冲突之后可能造成的影响，从而针对建筑进行相应的优化调整。可以创建场地模型并添加相关设备族，构成升压站的整体模型。

随后，管理人员要对风机结构建立模型，结合已经创建的风机基础、叶轮等模型，按照相对应的位置采取精确合模，从而获取一整个的风机结构，为项目施工及管理的更好开展提供模型支持。

管理人员也可以通过 BIM 技术对施工进度进行模拟，围绕 BIM 技术的 4D 施工进度模拟，可以优化施工进度管理，优化各项制度的编制，从而有效缩短项目建设工期。在本次工程中还对半直驱大仰角风机的吊装进行模拟，在吊装过程中，以两阶段的便将动态调整方式，将原本倾斜上仰角被动变为主动，大大缩短了吊装作业时间，也可以控制吊装作业当中容易出现的安全风险。

风电工程实际施工中，要做好三维技术交底工作。以 BIM 技术为支持的三维交底，可以有效提高交底内容的直观性、可视化水平。三维交底便于施工人员了解具体的工作，有助于施工目标的妥善实现。对风机基础应力应变计安装采取三维技术交底，可以使施工人员全方位的了解各项施工操作的细节，深入进行技术交底，施工人员对技术方案有较全面的理解，也可以直观地认识到项目关键节点，更好施工，把握施工质量。

4.2.2 BIM 技术配合物联网

物联网结构包含感知、传输、处理及应用多个组成部分，我们常见的二维码就属于物联网体系中的感知层。将BIM 技术配合物联网应用到风电工程当中，可大大提高人机交互程度，借助该集成技术也可以迅速获取各项信息，提高数据流通即共享速率，实现 BIM 建模的轻量化。施工中采取 BIM 技术可以精确地控制各项建材用量，提高材料的利用率。施工人员可以通过 BIM 技术建立信息数据库，精准计算工程量，管控好造价，为工程预算提供有力支持。

4.3 运行维护阶段

将 BIM 技术应用到风电工程中，其在后期的运行维护管理阶段也可以很好地发挥自身技术优势。例如，以BIM配合 3D 扫描技术，可以在地面 3D 激光扫描仪支持下，对需要分析的特定对象扫描，如建筑物、风力数据、地形等，也可以对已经建成的风机叶片、机舱、升压站等结构扫描，获取云数据，完善 BIM 模型构建。此外，BIM 技术配合 3D 打印也可以很好的应用到风电工程中去，以该集成技术支持，BIM 可以轻松制作更多复杂的构件。3D 打印机以 BIM 系统支持，有数据支撑后，任何风电工程中复杂的构件都可以很好的制造出来，速率快、智联好。BIM 技术配合 3D 打印技术，还含有激光扫描，可以获取复杂的模型点云数据，为实际模型分析提供真实数据支撑，构成备品、备件族库，避免运行维护中复杂零件紧缺问题，可以满足运维的各项零件及设备需求，确保后期风电工程运行稳定。另外，还可以将 BIM 和虚拟现实技术结合，构建科学的虚拟场景，结合 VR 设备、对变压器、SVG 降压变压器、开关柜等实现交互式场景漫游，大大提高运行维护工作整体效率。BIM 集成技术在风力发电场建设全生命周期的应用，将 BIM 技术和风电工程项目的特点相结合，各个专业的技术人员在同一平台完成工作，彼此可以更好地沟通和交流，从而实现BIM技术在风电工程中的完美协作。同时，该技术支持也可以为后续的工程运行维护提供智能化技术，为提高维护工作的质量和效率打下基础，也为将来风电工程更好应用 BIM 技术发挥积极影响。

在本次工程中，通过应用 BIM 技术，在设计阶段的风机选址以及方案优化方面，共节约建设成本 56 311 800元，大大体现出 BIM 技术设计的效益。在后期的建设施工环节中，利用 BIM 技术也大大提高了现场施工管理水平，合应用于山地风力发电场施工的全过程中，提升了现场施工管理水平，综合效果明显节约施工工期一个月，且在施工过程中并无安全事故发生，获取了一定的经济效益。

5 结语

综上所述，BIM 技术在风电工程中的应用可以有效提高工程项目的信息化水平，且该技术可以应用到风电工程的全生命周期当中，控制成本、缩短工期、提高质量，为工程项目的建设提供更多、更优质的选择。目前 BIM 技术正处于起步阶段，需要和一系列的现代化互联网技术相互结合，从而有效地发挥集成技术优势，促进风电工程行业可持续发展。