三维数字化设计为工程建设全生命周期保驾护航

文｜胡明勋 舒磊

随着城市土地资源和传统能源的紧缺，清洁能源逐渐走进大众视野，其中太阳能作为可再生资源是目前大力提倡的清洁能源之一。南方地区山地较多、太阳能资源较为丰富，山地光伏应运而生。山地光伏项目一般选址在未开发利用或可利用价值较低的荒山荒坡，地形起伏、局部坡度较大、地质多为碎石或凸起连片岩石，在这种复杂山地地形情况下建设光伏发电工程具有诸多不利因素，例如山地地表起伏不平，朝向各异，可利用面积较为不规则等。

针对复杂的山地地形带来的设计困难，湖北省电力勘测设计院有限公司数字化设计团队基于MicroStation软件平台及针对土建、总图、道路以及电气和电缆敷设等进行二次开发的专业设计软件，考虑山地地形起伏、阴影遮挡、光伏面板阵列布置等因素的影响，自主开发了光伏设计软件进行自动布置光伏面板，各专业设计软件通过ProjectWise数据管理平台进行三维协同设计，搭建成一个完整的适用于山地光伏发电工程的三维设计平台。通过各专业设计软件协同设计平台和数据管理平台形成“一个设计平台，一个数据库”的标准。通过此平台进行数字化模型设计，再使用移动终端的数字化模型配合施工管理，形成一个高效、合理的适合光伏发电项目的解决方案。

三维数字化设计构建准确高效模型

三维数字化设计可以依据地形模型对光伏面板实际情况布置进行仿真模拟，以验证设计中考虑地形、光伏面板、光照三个因素下光伏阵列布置的合理性。湖北省电力勘测设计院有限公司根据需求开发了光伏三维设计软件，其主要功能模块和数据库如图1所示。

图1 光伏三维设计软件功能与数据库

该软件包含项目管理、地形处理、方案设计、布置设计、三维设计等功能模块，可以完成山地地形场地平整、光伏面板列阵布置、计算光伏辐射量、选择列阵最佳角度以及计算光伏发电量等工作，具体功能如图2所示。

图2 光伏三维设计软件功能模块

为了使得光伏面板的倾角和方位角能够确保其受光量和发电量最大，精确的地形模型是必要条件。对于复杂的地形条件常规设计方法难以统筹多种因素的影响，且人工手动设计工作量巨大，采用无人机倾斜摄影获得地形地貌的实景模型，利用地形处理软件GEOPAK Site读取地形数据生成数字高程地形模型，进行升压站区域场地平整、道路及护坡、光伏阵列场地局部平整等后，将场地模型提供给设计人员，为准确和高效的布置光伏面板提供了地形模型支持。

山地地形的光伏电站设计过程中，光伏面板阵列间距控制较为复杂，且光伏面板容易出现光影遮挡问题。为解决上述问题，光伏设计软件中制定了以下关键技术：光伏系统计算、地形分析、光伏系统布置、光伏系统逻辑数据管理、自动编码、光伏阵列及电缆随地形自动生成三维模型、自动出图，为光伏面板的阵列布置和光伏系统的设计提供了快速、便捷的操作平台。

光伏阵列布置过程中，依托三维地理模型精确布置三维光伏面板、电缆、支架、汇流箱、逆变器等设备构件，通过软件制定的规则计算出各个光伏阵列的方位角、倾角及位置坐标，批量生成光伏阵列模型。电缆敷设采用埋置地下的施工方法，其空间模型占位的实际情况较为复杂，通过软件定制的计算规则自动生成电缆模型。

各专业通过PW平台协同设计，完成道路场坪设计、光伏系统、升压站设计、输电线路设计等三维设计内容之后，通过协同设计平台将模型进行组装，如图3所示。

图3 光伏设计工程模型组装示意图

数字化设计方案为项目提供全生命周期服务

基于专业软件Substation和BRCM、AECOsim Building Designer、GEOPAK Site及湖北省电力勘测设计院自主开发的光伏专业软件，通过协同设计ProjectWise文件管理平台为山地光伏发电工程提供全生命周期服务。通过三维平台数字化模型，辅以移动终端的数字化模型配合施工管理，形成一个高效、合理的适合光伏发电项目的解决方案，如图4所示。

图4 三维设计平台贯穿全生命周期

三维设计平台。根据山地光伏发电工程的特点，基于设计软件及数据库管理平台，集成如图5所示的适用于光伏发电项目的三维数字化设计平台。主要包括设计平台、工程数据中心、项目管理系统三个部分，对工程的设计、采购、施工管理和运营维护实现全生命周期服务。

图5 工程三维数字化平台

三维设计流程。针对山地光伏发电项目，依托三维数字化设计平台进行全面的数字化设计及管理，相关专业领域包括光伏、电气、结构、建筑、水暖和总图，具体模型包括光伏阵列布置模型、光伏区域电缆布置模型、升压站电气和土建模型、地形数字高程模型，各专业模型组装形成完整的工程总装模型，三维设计流程如图6所示。

图6 光伏工程三维设计流程

工程案例分析

以湖北能源随县＆广水80MWp地面光伏发电工程为例，该工程项目位于随县岩子河和广水吴店，建设规模为80MWp。该工程场址区域占地面积大，中间夹杂大量的民房、通讯设施和田塘沟壑，场区电缆及检修道路的路径规划难度较大，场区系统的总平面规划布局困难。

鉴于较为复杂的工程场地，设计过程中有以下特殊需求：一是在丘陵地带要求节约用地，充分利用地形，同时要保证工程质量，布置的光伏阵列保证在有效时间段无光影遮挡。二是该工程为总承包工程，为保证电缆工程量的准确，要求按地形布置电缆，通过模型数据统计工程量，电缆数量繁多，而且要随地形布置，对三维设计精确度提出了非常高的要求。三是要求整个工程的数字化模型转化到移动终端，在施工现场通过“三维模型”与“施工”的一对一检查管理，让数字化模型在工程中发挥价值。

将光伏发电三维设计软件平台应用到该工程项目中，在勘测过程中应用小型无人机摄影技术收集地形地貌并生成数字高程三维实景模型；设计过程中分别使用相关专业软件完成总图、电气、建筑、结构、暖通的三维模型，使用光伏发电三维设计技术解决了山地光伏设计中光伏系统计算、地形分析和光伏系统布置、光伏系统逻辑数据管理、自动编码、光伏阵列布置及电缆敷设随地形自动生成三维模型和自动出图等功能，以及利用光影仿真分析解决了光伏面板布置过程中产生的光影遮挡问题，有效的减少了布置设计的变更；在采购阶段通过被赋予信息编码的数字化信息模型统计准确的材料清单；在施工阶段采用三维可视化、4D施工计划模拟、施工动画模拟、三维模型施工等功能辅助施工，在多个项目集中进行时也能清晰地了解各个项目的进度；运维阶段可以利用集中管理的三维设计文件及建筑模型信息提供全方位支持。借助贯穿整个工程全生命周期数的数字化化三维设计模型，完成了山地地形光伏发电项目的建造，现场图如图7所示。

图7 光伏发电工程三维模型图

基于三维协同设计平台ProjectWise大大提高了各个专业的信息互通和及时交流，碰撞检查和三维施工模拟减少了设计变更和施工过程中的返工及材料浪费，施工进度模拟能实时把握工程实际进度与计划进度的对比，对施工进度起到指导作用。三维数字化设计技术的应用颠覆了传统二维CAD设计的理念，代表了工程建设更加智能、高效、准确的方向发展。