鄭清濤,端木祥杰,任澤儉(.水發(fā)能源集團有限公司,山東 濟南 5009;.山東潤魯工程咨詢有限公司,山東 濟南 5009)
新時期國家經(jīng)濟發(fā)展速度較快,對能源的需求量也越來越大,能源是決定經(jīng)濟發(fā)展的重要因素之一[1]。而風能作為一種不同于石油、煤炭的清潔型能源,具有可再生特點,被不斷開發(fā)利用。此外,在降低能源消耗、環(huán)境污染的可持續(xù)發(fā)展背景下,信息化、模型化也成為時代發(fā)展重要趨勢[2]。作為一種創(chuàng)新型計算機輔助設計工具,BIM 技術在各式各樣的工程建設工作中被廣泛應用[3]。將 BIM 技術融入陸上風電工程當中,可提高工程整體效益,也可促進風電工程向信息化方向持續(xù)發(fā)展,促進風電工程長久發(fā)展。
BIM 技術在國內(nèi)經(jīng)過不斷探索、分析、應用,已經(jīng)逐漸深入到工程項目中,并逐漸向石油、機場、軌道交通等工程建設推廣延伸。此外,伴隨“互聯(lián)網(wǎng)+”的不斷發(fā)展,各行各業(yè)均圍繞互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)新進步[4]。在此背景下,“BIM+GIS”[5]、“BIM+3D 掃描”[6]、“BIM+3D 打印”相關技術也隨之出現(xiàn)。
以“BIM+GIS”技術為例,其在水利建設、軌道交通、市政工程中均應用廣泛,對工程規(guī)劃、空間管理等做出巨大貢獻。此外,“BIM+項目管理”的模式為項目管理提供新思路,大大提高了項目綜合管理能力及效率。BIM技術在各行各業(yè)應用廣泛,但 BIM 技術集成在清潔能源方面的應用較少。
近年來國家高度重視經(jīng)濟發(fā)展和環(huán)境保護的協(xié)調(diào)發(fā)展,一系列清潔能源建設工程增多,風力發(fā)電事業(yè)持續(xù)發(fā)展,裝機量、建設量提升[7]。與此同時,風電事業(yè)的市場競爭也更加激烈,各參建單位積極采取多元化的工程措施控制建設成本,但整體來看,風電建設投資成本水平仍然居高不下。將 BIM 技術融入風電項目中,可以有效控制各環(huán)節(jié)的建設成本投入,為縮短工期提供有力支撐[8]。
BIM 技術將建筑中的多種元素通過數(shù)字的方式表達出來,實現(xiàn)建筑工程的數(shù)字化、網(wǎng)絡化、可視化。由此可見,通過 BIM 技術支持建筑可以在信息軟件上進行全方位觀察,可以對施工的各個過程落實全面監(jiān)督和控制。目前 BIM 技術和建筑工程的各個過程都有密切聯(lián)系,其可以大大提高建筑工程規(guī)劃及勘察、施工環(huán)節(jié)的工作效率及質(zhì)量,構建建筑全生命周期,各部門統(tǒng)一化的數(shù)據(jù)共享平臺,提高信息溝通效率,也有效控制建筑工程過程的成本。此外,BIM 技術也可以模擬工程環(huán)境及工程建成后的運行、能耗等,從而為項目全過程的實施和檢測提供科學依據(jù)。
我國南方某風力發(fā)電廠建設項目的高程范圍在 729 m~1 239 m 之內(nèi),場地設計范圍約 20 km2,建設場地位于山坡附近,坡度較陡且周圍環(huán)境較為復雜,設有國家級的自然保護區(qū)也涉及采礦區(qū),區(qū)域范圍內(nèi)經(jīng)常有大霧出現(xiàn),冬季還有少量的降雪覆冰,屬于典型的山地風力發(fā)電廠。該項目選擇的風機單容量為 1 500 kW,總裝機量為 120 MW,屬于企業(yè)自建自營,投資成本較大,且涉及全生命周期建設,若采取傳統(tǒng)的風力發(fā)電廠建設技術,并不能滿足新時期項目規(guī)劃和設計的要求。該項目在 BIM 技術支持下開展多項集成技術控制工程投資,能為工程施工及后期的運維提供必要支持。
在工程設計階段,將 BIM 技術應用到風電工程當中,可以迅速建立有關工程實地的場地模型,從而分析環(huán)境對工程建設的影響,將工程有關的風險因素數(shù)據(jù)收集起來,以此直觀的通過三維動畫進行規(guī)劃設計。在設計階段,采取 BIM技術配合 GIS 技術的方式,該集成技術可以提高大規(guī)模區(qū)域性工程的實際管理能力。GIS 的宏觀尺度可以將 BIM 的應用范圍從建筑擴展到大型地形中。例如,相關設計人員可以創(chuàng)建風力發(fā)電廠的地形模型,采用專門的地圖軟件下載風力發(fā)電廠的位置數(shù)據(jù),足不出戶就可以獲取風力發(fā)電廠的高程、面積、地質(zhì)等各項信息。將多種信息導入專業(yè)的地圖處理軟件中,并標出等高線;再將等高線文件導入到 Revit 中,構成三維地圖,建立初始地形模型。利用 BIM 自身強大的建模工程,迅速分析結(jié)果,幫助設計人員規(guī)劃評估場地的使用條件,從而確定風力發(fā)電廠建設的最佳位置。在設計環(huán)節(jié)中,各項技術人員通過同一平臺數(shù)據(jù)共享,快速獲取各項數(shù)據(jù)的變化信息,從而提高工作效率。此外,將 BIM 技術配合三維掃描,三維掃描為光、機、電以及計算機技術的集成高新技術,通過三維掃描技術支持,配合 BIM 技術,可以快速構建物體的三維模型,兩種技術優(yōu)勢互補。目前主要采取無人機搭載三維激光掃描儀的方式對地形掃描,之后采取專業(yè)的處理軟件(Trimble Business Center),獲取地形點的云數(shù)據(jù),以 BIM 軟件構建更加精確的地形模型,滿足設計要求。
4.2.1 BIM 技術配合項目管理集成
在風電工程實際施工當中,采取 BIM 技術配合項目管理集成,可以大大提高管理效率和質(zhì)量。項目管理主要是在指定的工期及確定的費用目標基礎上,對工程項目實施綜合管理,確保預定的目標得以實現(xiàn)。將 BIM 技術和項目管理相結(jié)合,充分發(fā)揮 BIM 技術自身可視性、共享性及管理性的特點,為傳統(tǒng)的工程管理提供可視化管理手段。
相關管理人員可以通過數(shù)據(jù)分析、模型構建、模擬施工、碰撞檢查等,了解各個施工步驟容易出現(xiàn)的問題并及時規(guī)避,制定切實可行的緊急管理措施,確保施工穩(wěn)定且安全完成。例如,管理人員可以構建設備構件模型,將滅火器、風機基礎、電纜管固定架、基礎電器平臺、升降機等常見的風電工程設備建模,標注好設備的型號及數(shù)量,建立專門針對設備的專用族庫,避免重復建模,也可以為后續(xù)管理提供有力支持。
管理人員也要對升壓站建模,按照具體的結(jié)構、建筑類型、機電專業(yè)等分別建模,將各個專業(yè)的模型鏈接起來進行合模,開展碰撞檢查,通過碰撞檢查,及時發(fā)現(xiàn)一旦發(fā)生沖突之后可能造成的影響,從而針對建筑進行相應的優(yōu)化調(diào)整??梢詣?chuàng)建場地模型并添加相關設備族,構成升壓站的整體模型。
隨后,管理人員要對風機結(jié)構建立模型,結(jié)合已經(jīng)創(chuàng)建的風機基礎、葉輪等模型,按照相對應的位置采取精確合模,從而獲取一整個的風機結(jié)構,為項目施工及管理的更好開展提供模型支持。
管理人員也可以通過 BIM 技術對施工進度進行模擬,圍繞 BIM 技術的 4D 施工進度模擬,可以優(yōu)化施工進度管理,優(yōu)化各項制度的編制,從而有效縮短項目建設工期。在本次工程中還對半直驅(qū)大仰角風機的吊裝進行模擬,在吊裝過程中,以兩階段的便將動態(tài)調(diào)整方式,將原本傾斜上仰角被動變?yōu)橹鲃?,大大縮短了吊裝作業(yè)時間,也可以控制吊裝作業(yè)當中容易出現(xiàn)的安全風險。
風電工程實際施工中,要做好三維技術交底工作。以 BIM 技術為支持的三維交底,可以有效提高交底內(nèi)容的直觀性、可視化水平。三維交底便于施工人員了解具體的工作,有助于施工目標的妥善實現(xiàn)。對風機基礎應力應變計安裝采取三維技術交底,可以使施工人員全方位的了解各項施工操作的細節(jié),深入進行技術交底,施工人員對技術方案有較全面的理解,也可以直觀地認識到項目關鍵節(jié)點,更好施工,把握施工質(zhì)量。
4.2.2 BIM 技術配合物聯(lián)網(wǎng)
物聯(lián)網(wǎng)結(jié)構包含感知、傳輸、處理及應用多個組成部分,我們常見的二維碼就屬于物聯(lián)網(wǎng)體系中的感知層。將BIM 技術配合物聯(lián)網(wǎng)應用到風電工程當中,可大大提高人機交互程度,借助該集成技術也可以迅速獲取各項信息,提高數(shù)據(jù)流通即共享速率,實現(xiàn) BIM 建模的輕量化。施工中采取 BIM 技術可以精確地控制各項建材用量,提高材料的利用率。施工人員可以通過 BIM 技術建立信息數(shù)據(jù)庫,精準計算工程量,管控好造價,為工程預算提供有力支持。
將 BIM 技術應用到風電工程中,其在后期的運行維護管理階段也可以很好地發(fā)揮自身技術優(yōu)勢。例如,以BIM配合 3D 掃描技術,可以在地面 3D 激光掃描儀支持下,對需要分析的特定對象掃描,如建筑物、風力數(shù)據(jù)、地形等,也可以對已經(jīng)建成的風機葉片、機艙、升壓站等結(jié)構掃描,獲取云數(shù)據(jù),完善 BIM 模型構建。此外,BIM 技術配合 3D 打印也可以很好的應用到風電工程中去,以該集成技術支持,BIM 可以輕松制作更多復雜的構件。3D 打印機以 BIM 系統(tǒng)支持,有數(shù)據(jù)支撐后,任何風電工程中復雜的構件都可以很好的制造出來,速率快、智聯(lián)好。BIM 技術配合 3D 打印技術,還含有激光掃描,可以獲取復雜的模型點云數(shù)據(jù),為實際模型分析提供真實數(shù)據(jù)支撐,構成備品、備件族庫,避免運行維護中復雜零件緊缺問題,可以滿足運維的各項零件及設備需求,確保后期風電工程運行穩(wěn)定。另外,還可以將 BIM 和虛擬現(xiàn)實技術結(jié)合,構建科學的虛擬場景,結(jié)合 VR 設備、對變壓器、SVG 降壓變壓器、開關柜等實現(xiàn)交互式場景漫游,大大提高運行維護工作整體效率。BIM 集成技術在風力發(fā)電場建設全生命周期的應用,將 BIM 技術和風電工程項目的特點相結(jié)合,各個專業(yè)的技術人員在同一平臺完成工作,彼此可以更好地溝通和交流,從而實現(xiàn)BIM技術在風電工程中的完美協(xié)作。同時,該技術支持也可以為后續(xù)的工程運行維護提供智能化技術,為提高維護工作的質(zhì)量和效率打下基礎,也為將來風電工程更好應用 BIM 技術發(fā)揮積極影響。
在本次工程中,通過應用 BIM 技術,在設計階段的風機選址以及方案優(yōu)化方面,共節(jié)約建設成本 56 311 800元,大大體現(xiàn)出 BIM 技術設計的效益。在后期的建設施工環(huán)節(jié)中,利用 BIM 技術也大大提高了現(xiàn)場施工管理水平,合應用于山地風力發(fā)電場施工的全過程中,提升了現(xiàn)場施工管理水平,綜合效果明顯節(jié)約施工工期一個月,且在施工過程中并無安全事故發(fā)生,獲取了一定的經(jīng)濟效益。
綜上所述,BIM 技術在風電工程中的應用可以有效提高工程項目的信息化水平,且該技術可以應用到風電工程的全生命周期當中,控制成本、縮短工期、提高質(zhì)量,為工程項目的建設提供更多、更優(yōu)質(zhì)的選擇。目前 BIM 技術正處于起步階段,需要和一系列的現(xiàn)代化互聯(lián)網(wǎng)技術相互結(jié)合,從而有效地發(fā)揮集成技術優(yōu)勢,促進風電工程行業(yè)可持續(xù)發(fā)展。