基于光伏建設運營全過程的BIM技術應用

張元海，段佩怡，李沐林

(1.東南粵水電投資有限公司,海口 570100；2.廣東水電二局股份有限公司,廣州 510410；3.徐聞縣粵水電能源有限公司,廣東 湛江 524100)

2020年9月，中國向世界宣布了2030年前實現(xiàn)碳達峰、2060年前實現(xiàn)碳中和的目標[1]。為實現(xiàn)碳達峰、碳中和的戰(zhàn)略目標，國家推動新能源成為電力供應主體[2]，清潔能源領域掀起了又一波的投資高潮；光伏發(fā)電作為清潔能源的重要組成部分，在新的平價上網(wǎng)政策下，需要引入新的管理技術手段，提高光伏發(fā)電的綜合效率。而BIM技術經(jīng)過最近七八年在我國建筑行業(yè)的快速發(fā)展，與清潔能源關聯(lián)度越來越緊密。龍承潮以BIM為基礎平臺，研究并設計了一個“可定義光伏預測模型”，以此為核心進行BIPV建筑的光伏發(fā)電量預測[3]。但是，站在建設方或業(yè)主角度來應用BIM技術，國內(nèi)研究較少，何關培針對業(yè)主BIM應用特點進行了分析[4]，李政等以保利魚珠項目為例對建設方主導BIM項目管理進行了有益的實踐[5]。但針對光伏建設方的BIM管理尚未發(fā)現(xiàn)有關應用文獻。

有鑒于此，東南粵水電投資有限公司BIM項目團隊在將BIM作為技術手段應用的基礎上，嘗試進一步將BIM 與光伏建設運營全過程應用管理結合，探索建立以建設方(含運營)主導的BIM應用管理模式，使BIM技術融入光伏電站建設運營全過程管理體系。其中，以徐聞縣粵水電能源有限公司廣東省博士工作站為平臺，在鯉魚潭光伏項目BIM應用經(jīng)驗的基礎上，以遂溪官田水庫光伏電站為新載體，探索建立了建設運營方為主導的BIM應用管理新模式，取得了良好的效果。本文介紹這種應用管理模式的項目實踐情況，并對該應用管理模式的實施要點作總結與分析。

1 建設方BIM應用任務及策劃

光伏電站項目相關方包括建設、設計、監(jiān)理、施工、運營等五方，在特定條件下，建設方和運營方為同一主體，建設方式在采用EPC模式時，設計和施工為同一主體或聯(lián)合體；此外，光伏發(fā)電項目一般土建投入比重較小，設備投入比重較大，設備供應商在項目建設地位凸顯，BIM應用管理必須納入設備供應商。如何把光伏項目建設運營全過程各方用BIM應用管理緊密結合在一起，是建設方BIM應用任務研究的核心。本文總結兩個水庫光伏電站的應用經(jīng)驗，確定建設方關鍵任務為統(tǒng)一標準、專項應用開發(fā)、集成各方成果、將成果應用到運維中(如圖1所示)。

圖1 建設方關鍵任務示意

建設方BIM應用管理體系包括組織、設計、施工、運維策劃四方面，組織策劃應在設計施工運維策劃前端，實施過程中設計和施工交錯作用，施工和運維交叉作用，建設方BIM應用管理體系如圖2。光伏發(fā)電項目建設立項后，建設周期一般為半年，不能參照大型長周期項目，沒有明顯的設計階段，運營階段也和施工階段的后期重疊，即分為階段并網(wǎng)逐漸過渡至全容量并網(wǎng)，這一特殊的邊界條件凸顯了光伏項目BIM的應用特點，成果交叉影響、反復調(diào)整修訂，過程中建模集中，建設期應用短，運營期成果應用長。結合光伏建設運營管理的業(yè)務實際需求，采用EA(企業(yè)架構)思想，以BIM信息流為中樞、BIM技術為核心、SOA 面向服務為主線，從基于BIM的光伏建設運營全過程管理的頂層規(guī)劃出發(fā)，提出基于BIM+SOA+EA 的光伏建設運營管理平臺系統(tǒng)架構(見圖2)，實現(xiàn)基于BIM 的光伏項目建設管理體系。

圖2 基于BIM光伏建設方主導管理平臺EA模型示意

在圖2中EA管理平臺的基礎上，業(yè)主籌建項目公司后，由總部委派BIM管理小組，管理小組負責人由具有施工或設計經(jīng)驗、長期從事光伏項目建設管理、具有一定電廠運營管理經(jīng)驗的人擔任；設計或EPC招標完成后，建設方要求設計單位派駐2名土建設計人員駐場設計，分別負責建筑和結構設計及BIM建模，并根據(jù)現(xiàn)場存在的問題及時修訂圖紙和作為各專業(yè)深化設計的代表，以及時解決問題和滿足建設方現(xiàn)場要求為導向，進行土建二次深化、復雜節(jié)點深化、管線綜合深化、機電綜合深化、鋼結構綜合深化等深化設計和優(yōu)化設計，并形成階段性BIM設計成果，交給建設方進行審核；待包括施工方、監(jiān)理方等相關單位確定后，以建設方為核心，對各項BIM應用交叉影響，互相反饋，設計方以設計應用軟件為應用主體、施工方以廣聯(lián)達BIM5D為應用平臺、運營方以Archibus軟件為應用抓手，最終形成各項BIM成果。

1.1 統(tǒng)一應用標準

按照一個光伏項目建設項目為中心，建立工程項目管理、工程建設管理、工程監(jiān)督管理和建設協(xié)同管理為四大主題，建立光伏建設工程相關對象(各主題)之間的關系，從而理清楚光伏建設工程的基礎數(shù)據(jù)關系；并以光伏工程信息模型為載體，實現(xiàn)工程建設信息和BIM 模型自動影射、數(shù)據(jù)組織和關聯(lián)建立。并對工程建設信息按照穩(wěn)定性、兼容性、系統(tǒng)性、確定性、綜合實用性、可擴延性的原則進行分類，從而達到方便管理，有效使用的目的。在信息分類的基礎上，對信息進行編碼，將一定的事物及概念附加上具有規(guī)律性的代碼，可以便于用戶及電腦進行查取和應用的圖形、符號、色彩、縮寫等。

以BIM基礎性軟件revit為例，其創(chuàng)建族方法和路徑有很多，有內(nèi)建族也有外建族[6]，各族參數(shù)命名千差萬別，無法形成統(tǒng)一的標準要求，國家雖然對建筑信息模型和編碼標準發(fā)布了標準[7]，但該標準基于民用建筑與通用工業(yè)廠房建筑建設運營全過程信息的交換和共享，15個附表對應ISO12006-2，也沒有與《房屋建筑與裝飾工程計量規(guī)范》關聯(lián)起來，部分不適用光伏行業(yè)信息模型的應用和發(fā)展，制定適用的光伏設備和信息模型中的統(tǒng)一分類和編碼尤為重要。

對光伏項目建設運營全過程的項目類、組織類、文件類和EBS及IFD等基礎信息進行編碼，將光伏電站信息數(shù)據(jù)按照一定規(guī)則與要求，采用字母、數(shù)字、符號或其多種組合方式進行編碼，形成唯一編碼，實現(xiàn)信息的有效傳遞。

1) 項目類基礎數(shù)據(jù)編碼

依據(jù)南方電網(wǎng)《10 kV～500 kV輸變電及配電工程質量驗收與評定標準》、《建設工程工程量清單計價規(guī)范》，制定統(tǒng)一的項目分類編碼標準，作為服務于光伏發(fā)電建設各業(yè)務信息系統(tǒng)的用以標識光伏建設信息元素的唯一代碼，規(guī)范化全電站所有項目管理(見表1、表2所示)。

表1 項目分類編碼結構

表2 項目類別編碼

2) 組織類基礎數(shù)據(jù)編碼

為了對光伏工程建設各參與單位和光伏電站工程建設項目機構進行全電站統(tǒng)一分類管理，制定規(guī)范的組織類編碼標準，便于規(guī)范化管理工程建設與相關信息存儲以及信息檢索。

光伏工程建設中的實體單位編碼由7位組成，分為3個層面，前3位為第1層面，表示1級單位；第4、5位為第2層面，表示2級單位；第6、7位為第3層面，表示3級單位。具體實體單位分類編碼結構見表3所示。

表3 實體單位分類編碼

3) 文件編碼

為了便于文檔信息管理，對光伏電站工程建設用的文件進行分類編碼。文件編碼采用可變長度，分成2節(jié)，采用“-”進行連接，具體編碼結構見表4所示。

表4 文件分類編碼結構

4) IFD編碼

建設方在建設項目立項后，立即展開項目全編碼列表工作，針對具體光伏項目，擬定編碼清單，結合招標形式，將編碼清單摘取列入招標文件中的清單報價及相關專用條款，確立BIM應用范圍和目標，明確BIM技術管控流程，在統(tǒng)一建模深度基礎上制定建模標準，減少二次建模乃至反復建模，以招標階段制定招標文件BIM要求的方式統(tǒng)一總承包方、監(jiān)理方、設備供應方等參建各方應用標準，為成果集成奠定統(tǒng)一基礎。

徐聞光伏發(fā)電項目電網(wǎng)管轄方為中國南方電網(wǎng)有限責任公司，其發(fā)布了10～500 kV輸變電及配電工程質量驗收與評定標準，BIM信息模型和編碼標準在此基礎上，增加發(fā)電場區(qū)工程，按功能分為輸電線路、變配電、發(fā)電三大類，其中輸電線路、變配電根據(jù)驗評單位工程、分部分項工程，設定編碼和類目中文，發(fā)電場區(qū)參照南方電網(wǎng)驗評表設置光伏場區(qū)分類和編碼。編碼結構按照一級表代碼+四級表內(nèi)編碼方式+計量規(guī)范項目編碼，表代碼與表內(nèi)編碼采用“-”連接，第四級代碼與計量規(guī)范項目編碼用“/”連接；一級表代碼為單位工程代碼，四級代碼分別代表子單位工程、分部工程、子分部工程、分項工程，除分項工程代碼采用3位阿拉伯數(shù)字表示外，其它代碼采用兩位阿拉伯數(shù)字表示，以變配電為例，示范樣見表5。

表5 Q/CSG.B.10按變配電工程

5) 模型構件編碼

模型構件類基礎信息是管理光伏工程建設領域相關管樁、支架、組件、箱變、集電線路、場區(qū)道路、升壓站土建、升壓站機電、送出線路等專業(yè)BIM信息模型及構件等進行集中統(tǒng)一管理。

建設方在建設項目立項后，立即展開項目全編碼列表工作，針對具體光伏項目，擬定編碼清單，結合招標形式，將編碼清單摘取列入招標文件中的清單報價及相關專用條款，確立BIM應用范圍和目標，明確BIM技術管控流程，在統(tǒng)一建模深度基礎上制定建模標準，減少二次建模乃至反復建模，以招標階段制定招標文件BIM要求的方式統(tǒng)一了總承包方、監(jiān)理方、設備供應方等參建各方應用標準，為成果集成奠定統(tǒng)一基礎。

1.2 專項BIM應用

對光伏建設運營全過程所需BIM各類功能選取應用軟件，并以BIM要求形式列入招標文件中，結合光伏特點，本示范項目選用軟件主要有：BIM核心建模軟件Revit軟件，設計應用軟件包括結構分析軟件PKPM、機電分析軟件Design master、模型綜合碰撞檢查軟件Navisworks，可視化軟件Fuzor、動畫渲染軟件3Dmax，施工管理軟件廣聯(lián)達BIM5D、運營管理軟件Archibus等8大軟件。

以光伏支架為例，帶方案投標的支架廠家基于統(tǒng)一的應用標準采用Revit軟件建模，并提交至建設方，建設方采用委外的方式將支架結構分析任務提交給產(chǎn)學研院校，相關單位運用PKPM軟件，快速得到有限元分析結果，并將結果反饋到建設方、設計方、廠家，為支架優(yōu)化和確定選型提供必要條件。

1.3 各項成果集成

無論是設計BIM成果還是施工BIM成果，均要集成為竣工模型，作為運維階段的應用基礎。項目按建筑工程設計信息模型交付標準為準則來確定運維階段前的成果集成要求，明確命名規(guī)則、信息模型、建筑經(jīng)濟對設計信息模型的交付、工程設計專業(yè)協(xié)同流程和數(shù)據(jù)傳遞、工程信息模型交付物等要求。將設計階段各專業(yè)數(shù)據(jù)信息、施工階段的施工信息和產(chǎn)品設備信息以數(shù)字化方式體現(xiàn)在竣工模型信息中，光伏信息模型各交付物滿足運營需求且充分表達專業(yè)交付信息集合。

成果集成過程中尤其注意施工階段成果交付，鑒于光伏電站是消防重點單位，特別是基于施工管理軟件廣聯(lián)達BIM5D產(chǎn)生的BIM信息，除必要的BIM視圖和表格外，還注重“非BIM導出成果”[8-9]交付，比如消防工程質量整改照片和各階段航拍視頻。

采用旋翼式無人機進行數(shù)字航測，在航測結果的基礎上，經(jīng)內(nèi)業(yè)大數(shù)據(jù)處理，形成了數(shù)字化的影像生成點云圖、構件了構建TIN模型、形成了TIN網(wǎng)與3D 模型的套合圖、最后構架了構建三維模型，制作數(shù)字正射圖，為運營階段電站狀況提供了詳實數(shù)據(jù)，為工后沉降和運營期抗臺風分析決策提供了數(shù)字化支撐材料。

1.4 成果運維應用

光伏電站首批并網(wǎng)后，成果進入運維應用階段；由于此時施工尚在繼續(xù)，運維人員可以針對交付成果與設計、施工、建設方進行有效在地交流，針對運維訴求，提出改進意見。由于BIM交付成果是基于建筑工程交互標準來要求的，部分不適用光伏發(fā)電行業(yè)，尤其是針對變配電設備和發(fā)電設備的BIM成果需要提高其建模精細度要求。

由于采用了南方電網(wǎng)的驗收標準和國家計量規(guī)范確定了信息模型中的統(tǒng)一分類和編碼，與交付運維成果的命名相統(tǒng)一，如實且詳實反映了電站各建筑結構、材料設備，非常有利于運維人員對成果的理解和交流。

2 分析與思考

2.1 應用管理效果分析

基于建設方在參建各方的合同地位，即使其BIM力量不如設計院或其他咨詢服務單位，但客觀上其可以運用合同賦予的優(yōu)勢，整合各方BIM資源，推進BIM應用，比其他各方更具優(yōu)勢，其管理效果主要有兩方面。

1) 高效

建設方處于參建各方核心主體地位，以甲方形式與參建各方簽訂合同，提出BIM應用要求，以合同履約形式予以保證，是BIM應用高效的合同保障。合同條款約定了建模質量、交付成果、應用要求、解決問題時間節(jié)點要求等措施確保了BIM應用管理的高效實施。

2) 有效

沒有誰比建設方(業(yè)主)更懂得自己需要什么，自身需求可以通過合同來實現(xiàn)，也可以在項目建設中及時發(fā)現(xiàn)問題，及時提出新要求，其他參建各方以問題為導向，落實BIM應用，滿足建設方新要求；尤其在建設方成立BIM小組情況下，專業(yè)的人管專業(yè)的事，應用管理非常有效。

2.2 存在問題及解決途徑

現(xiàn)階段BIM應用一般以施工總承包單位為主體，且多在建筑工程領域中應用；本研究通過建設方主導BIM應用在清潔能源領域，且針對的是周期性較短的光伏行業(yè)，部分實現(xiàn)了BIM的功能，具有初步嘗試和示范作用，今后還需要更多的同行進行研究和完善，先存問題有待進一步研究和解決。

1) BIM應用如何適應或應對建設方多方改進和優(yōu)化要求，尤其是平面布置基本穩(wěn)定后提出的優(yōu)化要求。建設方各層級的管理人員基于投資控制、功能需求不斷地提出優(yōu)化要求[10]，BIM首先從反復建模開始，不斷地進行大規(guī)模的建模工作，需要投入巨大的人力和物力，才能夠為后續(xù)的應用奠定基礎。遂溪光伏項目的變配電場區(qū)曾因避開墳墓和減少辦公生活區(qū)面積發(fā)生兩次較大的平面調(diào)整，導致建筑結構建模推倒重來，筆者認為可以從技術措施和管理措施來解決該問題。技術方面為平面布置前詳細勘探地界地面地下附著物，穩(wěn)定平面布置邊界條件；管理方面為圍繞電站運行功能要求，在招標階段提出房屋建筑需求清單，尤其是辦公生活設施，避免要求繁雜，口徑不統(tǒng)一，輕易修訂的管理亂象。

2) BIM運營期間應用專業(yè)要求高與長期維護矛盾。除常規(guī)的BIM運維管理應用需求不明確和缺乏BIM運維平臺系統(tǒng)外[11]，雖然電站發(fā)電運營期間可以充分利用基于BIM的機電設備結合物聯(lián)網(wǎng)技術，二維碼作為材料及設備的身份ID，與BIM模型相關聯(lián)，并將星系反饋到平臺上，結合集采平臺，可以提高物資設備管理效率，實現(xiàn)運營期間物資設備精細化管理；但是，光伏電站一般采用少人值守的管理模式，運行管理人員一般為機電專業(yè)人員，土木建筑結構人員極少，而BIM應用是跨專業(yè)的集成，需要一至多個專業(yè)人員在20多年的發(fā)電運營周期內(nèi)進行BIM維護和應用，大部分光伏電站均缺乏人員支撐，建設期形成的BIM大數(shù)據(jù)庫存在無人值守、利用的窘境[12]。

3) 制定光伏建筑信息模型(BIM)建模與交付標準可行性和必要性。目前國家和各省陸續(xù)發(fā)布了建筑工程信息模型交付標準，廣西還發(fā)布了綜合管廊建筑信息模型建模與交付標準，站在前人的肩膀上制定光伏建筑信息模型建模與交付標準是可行的；鑒于清潔能源在國家十四五規(guī)劃的重要性，結合光伏發(fā)電行業(yè)的特殊性，制定專門的交付標準是必要的。

3 結語

BIM技術在集中式光伏的示范應用，為清潔能源光伏行業(yè)帶來了一次啟迪，為BIM在光伏發(fā)電全壽命推廣應用提供了研究案例；以建設方為主導的BIM應用模式更能適用于短平快建設周期的光伏項目，也更有利于運營期間與建設期間的BIM銜接，但長周期的運營期如何利用好建設期形成的BIM大數(shù)據(jù)庫需要進一步探索專業(yè)人員機制。