基于光伏建设运营全过程的BIM技术应用

张元海，段佩怡，李沐林

(1.东南粤水电投资有限公司,海口 570100；2.广东水电二局股份有限公司,广州 510410；3.徐闻县粤水电能源有限公司,广东 湛江 524100)

2020年9月，中国向世界宣布了2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和的目标[1]。为实现碳达峰、碳中和的战略目标，国家推动新能源成为电力供应主体[2]，清洁能源领域掀起了又一波的投资高潮；光伏发电作为清洁能源的重要组成部分，在新的平价上网政策下，需要引入新的管理技术手段，提高光伏发电的综合效率。而BIM技术经过最近七八年在我国建筑行业的快速发展，与清洁能源关联度越来越紧密。龙承潮以BIM为基础平台，研究并设计了一个“可定义光伏预测模型”，以此为核心进行BIPV建筑的光伏发电量预测[3]。但是，站在建设方或业主角度来应用BIM技术，国内研究较少，何关培针对业主BIM应用特点进行了分析[4]，李政等以保利鱼珠项目为例对建设方主导BIM项目管理进行了有益的实践[5]。但针对光伏建设方的BIM管理尚未发现有关应用文献。

有鉴于此，东南粤水电投资有限公司BIM项目团队在将BIM作为技术手段应用的基础上，尝试进一步将BIM 与光伏建设运营全过程应用管理结合，探索建立以建设方(含运营)主导的BIM应用管理模式，使BIM技术融入光伏电站建设运营全过程管理体系。其中，以徐闻县粤水电能源有限公司广东省博士工作站为平台，在鲤鱼潭光伏项目BIM应用经验的基础上，以遂溪官田水库光伏电站为新载体，探索建立了建设运营方为主导的BIM应用管理新模式，取得了良好的效果。本文介绍这种应用管理模式的项目实践情况，并对该应用管理模式的实施要点作总结与分析。

1 建设方BIM应用任务及策划

光伏电站项目相关方包括建设、设计、监理、施工、运营等五方，在特定条件下，建设方和运营方为同一主体，建设方式在采用EPC模式时，设计和施工为同一主体或联合体；此外，光伏发电项目一般土建投入比重较小，设备投入比重较大，设备供应商在项目建设地位凸显，BIM应用管理必须纳入设备供应商。如何把光伏项目建设运营全过程各方用BIM应用管理紧密结合在一起，是建设方BIM应用任务研究的核心。本文总结两个水库光伏电站的应用经验，确定建设方关键任务为统一标准、专项应用开发、集成各方成果、将成果应用到运维中(如图1所示)。

图1 建设方关键任务示意

建设方BIM应用管理体系包括组织、设计、施工、运维策划四方面，组织策划应在设计施工运维策划前端，实施过程中设计和施工交错作用，施工和运维交叉作用，建设方BIM应用管理体系如图2。光伏发电项目建设立项后，建设周期一般为半年，不能参照大型长周期项目，没有明显的设计阶段，运营阶段也和施工阶段的后期重叠，即分为阶段并网逐渐过渡至全容量并网，这一特殊的边界条件凸显了光伏项目BIM的应用特点，成果交叉影响、反复调整修订，过程中建模集中，建设期应用短，运营期成果应用长。结合光伏建设运营管理的业务实际需求，采用EA(企业架构)思想，以BIM信息流为中枢、BIM技术为核心、SOA 面向服务为主线，从基于BIM的光伏建设运营全过程管理的顶层规划出发，提出基于BIM+SOA+EA 的光伏建设运营管理平台系统架构(见图2)，实现基于BIM 的光伏项目建设管理体系。

图2 基于BIM光伏建设方主导管理平台EA模型示意

在图2中EA管理平台的基础上，业主筹建项目公司后，由总部委派BIM管理小组，管理小组负责人由具有施工或设计经验、长期从事光伏项目建设管理、具有一定电厂运营管理经验的人担任；设计或EPC招标完成后，建设方要求设计单位派驻2名土建设计人员驻场设计，分别负责建筑和结构设计及BIM建模，并根据现场存在的问题及时修订图纸和作为各专业深化设计的代表，以及时解决问题和满足建设方现场要求为导向，进行土建二次深化、复杂节点深化、管线综合深化、机电综合深化、钢结构综合深化等深化设计和优化设计，并形成阶段性BIM设计成果，交给建设方进行审核；待包括施工方、监理方等相关单位确定后，以建设方为核心，对各项BIM应用交叉影响，互相反馈，设计方以设计应用软件为应用主体、施工方以广联达BIM5D为应用平台、运营方以Archibus软件为应用抓手，最终形成各项BIM成果。

1.1 统一应用标准

按照一个光伏项目建设项目为中心，建立工程项目管理、工程建设管理、工程监督管理和建设协同管理为四大主题，建立光伏建设工程相关对象(各主题)之间的关系，从而理清楚光伏建设工程的基础数据关系；并以光伏工程信息模型为载体，实现工程建设信息和BIM 模型自动影射、数据组织和关联建立。并对工程建设信息按照稳定性、兼容性、系统性、确定性、综合实用性、可扩延性的原则进行分类，从而达到方便管理，有效使用的目的。在信息分类的基础上，对信息进行编码，将一定的事物及概念附加上具有规律性的代码，可以便于用户及电脑进行查取和应用的图形、符号、色彩、缩写等。

以BIM基础性软件revit为例，其创建族方法和路径有很多，有内建族也有外建族[6]，各族参数命名千差万别，无法形成统一的标准要求，国家虽然对建筑信息模型和编码标准发布了标准[7]，但该标准基于民用建筑与通用工业厂房建筑建设运营全过程信息的交换和共享，15个附表对应ISO12006-2，也没有与《房屋建筑与装饰工程计量规范》关联起来，部分不适用光伏行业信息模型的应用和发展，制定适用的光伏设备和信息模型中的统一分类和编码尤为重要。

对光伏项目建设运营全过程的项目类、组织类、文件类和EBS及IFD等基础信息进行编码，将光伏电站信息数据按照一定规则与要求，采用字母、数字、符号或其多种组合方式进行编码，形成唯一编码，实现信息的有效传递。

1) 项目类基础数据编码

依据南方电网《10 kV～500 kV输变电及配电工程质量验收与评定标准》、《建设工程工程量清单计价规范》，制定统一的项目分类编码标准，作为服务于光伏发电建设各业务信息系统的用以标识光伏建设信息元素的唯一代码，规范化全电站所有项目管理(见表1、表2所示)。

表1 项目分类编码结构

表2 项目类别编码

2) 组织类基础数据编码

为了对光伏工程建设各参与单位和光伏电站工程建设项目机构进行全电站统一分类管理，制定规范的组织类编码标准，便于规范化管理工程建设与相关信息存储以及信息检索。

光伏工程建设中的实体单位编码由7位组成，分为3个层面，前3位为第1层面，表示1级单位；第4、5位为第2层面，表示2级单位；第6、7位为第3层面，表示3级单位。具体实体单位分类编码结构见表3所示。

表3 实体单位分类编码

3) 文件编码

为了便于文档信息管理，对光伏电站工程建设用的文件进行分类编码。文件编码采用可变长度，分成2节，采用“-”进行连接，具体编码结构见表4所示。

表4 文件分类编码结构

4) IFD编码

建设方在建设项目立项后，立即展开项目全编码列表工作，针对具体光伏项目，拟定编码清单，结合招标形式，将编码清单摘取列入招标文件中的清单报价及相关专用条款，确立BIM应用范围和目标，明确BIM技术管控流程，在统一建模深度基础上制定建模标准，减少二次建模乃至反复建模，以招标阶段制定招标文件BIM要求的方式统一总承包方、监理方、设备供应方等参建各方应用标准，为成果集成奠定统一基础。

徐闻光伏发电项目电网管辖方为中国南方电网有限责任公司，其发布了10～500 kV输变电及配电工程质量验收与评定标准，BIM信息模型和编码标准在此基础上，增加发电场区工程，按功能分为输电线路、变配电、发电三大类，其中输电线路、变配电根据验评单位工程、分部分项工程，设定编码和类目中文，发电场区参照南方电网验评表设置光伏场区分类和编码。编码结构按照一级表代码+四级表内编码方式+计量规范项目编码，表代码与表内编码采用“-”连接，第四级代码与计量规范项目编码用“/”连接；一级表代码为单位工程代码，四级代码分别代表子单位工程、分部工程、子分部工程、分项工程，除分项工程代码采用3位阿拉伯数字表示外，其它代码采用两位阿拉伯数字表示，以变配电为例，示范样见表5。

表5 Q/CSG.B.10按变配电工程

5) 模型构件编码

模型构件类基础信息是管理光伏工程建设领域相关管桩、支架、组件、箱变、集电线路、场区道路、升压站土建、升压站机电、送出线路等专业BIM信息模型及构件等进行集中统一管理。

建设方在建设项目立项后，立即展开项目全编码列表工作，针对具体光伏项目，拟定编码清单，结合招标形式，将编码清单摘取列入招标文件中的清单报价及相关专用条款，确立BIM应用范围和目标，明确BIM技术管控流程，在统一建模深度基础上制定建模标准，减少二次建模乃至反复建模，以招标阶段制定招标文件BIM要求的方式统一了总承包方、监理方、设备供应方等参建各方应用标准，为成果集成奠定统一基础。

1.2 专项BIM应用

对光伏建设运营全过程所需BIM各类功能选取应用软件，并以BIM要求形式列入招标文件中，结合光伏特点，本示范项目选用软件主要有：BIM核心建模软件Revit软件，设计应用软件包括结构分析软件PKPM、机电分析软件Design master、模型综合碰撞检查软件Navisworks，可视化软件Fuzor、动画渲染软件3Dmax，施工管理软件广联达BIM5D、运营管理软件Archibus等8大软件。

以光伏支架为例，带方案投标的支架厂家基于统一的应用标准采用Revit软件建模，并提交至建设方，建设方采用委外的方式将支架结构分析任务提交给产学研院校，相关单位运用PKPM软件，快速得到有限元分析结果，并将结果反馈到建设方、设计方、厂家，为支架优化和确定选型提供必要条件。

1.3 各项成果集成

无论是设计BIM成果还是施工BIM成果，均要集成为竣工模型，作为运维阶段的应用基础。项目按建筑工程设计信息模型交付标准为准则来确定运维阶段前的成果集成要求，明确命名规则、信息模型、建筑经济对设计信息模型的交付、工程设计专业协同流程和数据传递、工程信息模型交付物等要求。将设计阶段各专业数据信息、施工阶段的施工信息和产品设备信息以数字化方式体现在竣工模型信息中，光伏信息模型各交付物满足运营需求且充分表达专业交付信息集合。

成果集成过程中尤其注意施工阶段成果交付，鉴于光伏电站是消防重点单位，特别是基于施工管理软件广联达BIM5D产生的BIM信息，除必要的BIM视图和表格外，还注重“非BIM导出成果”[8-9]交付，比如消防工程质量整改照片和各阶段航拍视频。

采用旋翼式无人机进行数字航测，在航测结果的基础上，经内业大数据处理，形成了数字化的影像生成点云图、构件了构建TIN模型、形成了TIN网与3D 模型的套合图、最后构架了构建三维模型，制作数字正射图，为运营阶段电站状况提供了详实数据，为工后沉降和运营期抗台风分析决策提供了数字化支撑材料。

1.4 成果运维应用

光伏电站首批并网后，成果进入运维应用阶段；由于此时施工尚在继续，运维人员可以针对交付成果与设计、施工、建设方进行有效在地交流，针对运维诉求，提出改进意见。由于BIM交付成果是基于建筑工程交互标准来要求的，部分不适用光伏发电行业，尤其是针对变配电设备和发电设备的BIM成果需要提高其建模精细度要求。

由于采用了南方电网的验收标准和国家计量规范确定了信息模型中的统一分类和编码，与交付运维成果的命名相统一，如实且详实反映了电站各建筑结构、材料设备，非常有利于运维人员对成果的理解和交流。

2 分析与思考

2.1 应用管理效果分析

基于建设方在参建各方的合同地位，即使其BIM力量不如设计院或其他咨询服务单位，但客观上其可以运用合同赋予的优势，整合各方BIM资源，推进BIM应用，比其他各方更具优势，其管理效果主要有两方面。

1) 高效

建设方处于参建各方核心主体地位，以甲方形式与参建各方签订合同，提出BIM应用要求，以合同履约形式予以保证，是BIM应用高效的合同保障。合同条款约定了建模质量、交付成果、应用要求、解决问题时间节点要求等措施确保了BIM应用管理的高效实施。

2) 有效

没有谁比建设方(业主)更懂得自己需要什么，自身需求可以通过合同来实现，也可以在项目建设中及时发现问题，及时提出新要求，其他参建各方以问题为导向，落实BIM应用，满足建设方新要求；尤其在建设方成立BIM小组情况下，专业的人管专业的事，应用管理非常有效。

2.2 存在问题及解决途径

现阶段BIM应用一般以施工总承包单位为主体，且多在建筑工程领域中应用；本研究通过建设方主导BIM应用在清洁能源领域，且针对的是周期性较短的光伏行业，部分实现了BIM的功能，具有初步尝试和示范作用，今后还需要更多的同行进行研究和完善，先存问题有待进一步研究和解决。

1) BIM应用如何适应或应对建设方多方改进和优化要求，尤其是平面布置基本稳定后提出的优化要求。建设方各层级的管理人员基于投资控制、功能需求不断地提出优化要求[10]，BIM首先从反复建模开始，不断地进行大规模的建模工作，需要投入巨大的人力和物力，才能够为后续的应用奠定基础。遂溪光伏项目的变配电场区曾因避开坟墓和减少办公生活区面积发生两次较大的平面调整，导致建筑结构建模推倒重来，笔者认为可以从技术措施和管理措施来解决该问题。技术方面为平面布置前详细勘探地界地面地下附着物，稳定平面布置边界条件；管理方面为围绕电站运行功能要求，在招标阶段提出房屋建筑需求清单，尤其是办公生活设施，避免要求繁杂，口径不统一，轻易修订的管理乱象。

2) BIM运营期间应用专业要求高与长期维护矛盾。除常规的BIM运维管理应用需求不明确和缺乏BIM运维平台系统外[11]，虽然电站发电运营期间可以充分利用基于BIM的机电设备结合物联网技术，二维码作为材料及设备的身份ID，与BIM模型相关联，并将星系反馈到平台上，结合集采平台，可以提高物资设备管理效率，实现运营期间物资设备精细化管理；但是，光伏电站一般采用少人值守的管理模式，运行管理人员一般为机电专业人员，土木建筑结构人员极少，而BIM应用是跨专业的集成，需要一至多个专业人员在20多年的发电运营周期内进行BIM维护和应用，大部分光伏电站均缺乏人员支撑，建设期形成的BIM大数据库存在无人值守、利用的窘境[12]。

3) 制定光伏建筑信息模型(BIM)建模与交付标准可行性和必要性。目前国家和各省陆续发布了建筑工程信息模型交付标准，广西还发布了综合管廊建筑信息模型建模与交付标准，站在前人的肩膀上制定光伏建筑信息模型建模与交付标准是可行的；鉴于清洁能源在国家十四五规划的重要性，结合光伏发电行业的特殊性，制定专门的交付标准是必要的。

3 结语

BIM技术在集中式光伏的示范应用，为清洁能源光伏行业带来了一次启迪，为BIM在光伏发电全寿命推广应用提供了研究案例；以建设方为主导的BIM应用模式更能适用于短平快建设周期的光伏项目，也更有利于运营期间与建设期间的BIM衔接，但长周期的运营期如何利用好建设期形成的BIM大数据库需要进一步探索专业人员机制。