BIM 技術在海上風機基礎工程的應用

晁孌孌CHAO Luan-luan；呂村LV Cun

（①菏澤城建工程發(fā)展集團有限公司，菏澤274000；②青島工學院建筑工程學院，青島266300）

0 引言

我國海上風電發(fā)展?jié)摿薮?，截?022 年，海上風電裝機容量已達30GW，成為了僅次于英國和德國的全球海上風電裝機容量的第三大國[1]。發(fā)展海上風電是我國“十四五”新能源開發(fā)的重要方向，符合國家的重大發(fā)展戰(zhàn)略目標和方向，同時可緩解環(huán)境污染、能源緊缺等問題，尤其可以緩解沿海發(fā)達地區(qū)長期的用電緊張局面[2]。海上環(huán)境復雜多樣，如海床地質(zhì)結構及海床表面地形的多樣性，風荷載、洋流荷載和波浪荷載的聯(lián)合作用，以及洋流沖刷導致的海床表面地形變化等，從而影響海上風電場風機基礎的承載性能與穩(wěn)定性。海上風機基礎的穩(wěn)定性又是海上風機正常運行至關重要的組成部分。目前，海上風機基礎形式主要大直徑單樁基礎、群樁基金、重力式基礎以及吸力基礎。大直徑單樁及群樁基礎的安裝需要重型的打樁設備，使其只能適用于淺海區(qū)域，而重力式基礎由鋼筋混凝土澆筑而成，依靠其自身的重力來承載，需要由大型拖船托運至預定的海域海床現(xiàn)場吊裝，基礎吊裝前還需要平整海床地基，因此施工造價較高，且基礎只能適用于淺水區(qū)[3-4]。此外，大直徑樁基礎、群樁基金及重力式基礎在服役期滿（一般為25 年）后無法移除或回收，造成風電風機服役接受后風場棄置現(xiàn)象，造成資源浪費。吸力基礎是一種新型的海上風場風機基礎形式，因其鋼材用量及工程造價低、施工安裝簡單、服役期滿可回收利用等優(yōu)點備受關注，當前已投入工程實踐使用。吸力基礎最早應用于海洋油氣平臺的基礎和錨固漂浮結構物[5]，近年來被用作海上風電塔架、測風塔以、升壓站基礎等，尤其適合應用于深海海域。

隨著新一輪科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革進程的推進，建筑信息模型技術（building information model，簡稱BIM）在風電場基礎工程的應用開始被發(fā)掘。如Chao[6]介紹了BIM 在綠色能源風能和地熱能等工程開發(fā)上的應用；劉占省[7]將BIM 技術應用于風電塔的結構設計和施工過程中，尹碩[8]則探討了BIM 技術在桶式基礎結構配筋設計中的應用，完善了鋼筋混凝土桶式基礎的鋼筋配筋設計。BIM 技術最早用于建筑行業(yè)中，致力于建筑結構的設計優(yōu)化、工程量與造價計算、施工方案交底與變更、虛擬施工及碰撞檢測，被稱為建筑行業(yè)的第二次革命，倍受政府推崇。例如BIM技術在香港港島東中心項目、上海國際金融中心項目、國家游泳中心（水立方）、港珠澳大橋、深水航道、山體邊坡支護及隧道工程項目中得到較好的應用[9]。工程實踐表明，在建筑行業(yè)中應用BIM 技術具有許多的優(yōu)勢，為工程項目的方案優(yōu)化及科學施工提供了參考依據(jù)，還便于工程項目各方的協(xié)調(diào)管理。

本文為拓展BIM 技術在海上風電工程中的應用，主要探討了BIM 在海上風電吸力基礎建模、施工模擬、運營維護及全生命周期數(shù)據(jù)共享和信息化管理等方面的優(yōu)勢，并對海上風電工程的協(xié)同管理與信息共享提出了一些設想，使海上風電工程逐步從“粗放型”轉變?yōu)椤百|(zhì)量和效益”并重的發(fā)展模式。此研究結構可提升海上風電風機吸力基礎的建模效率、施工質(zhì)量及施工過程中施工進度安排，以及預測服役期間基礎的承載性能、穩(wěn)定性、沉降量等，進而為海上風電場防災減災措施的建立提供參考依據(jù)。

1 BIM 在海上風電工程的應用意義

1.1 BIM 在地質(zhì)模擬中的優(yōu)勢

與其他建筑工程相比，海上風電工程及風電場建設具有體量大、建造復雜、設計專業(yè)多及受環(huán)境因素影響較大的特點，困擾施工進度安排及施工質(zhì)量。復雜的海洋環(huán)境條件（如不良的地質(zhì)條件、復雜的海床地形及惡劣的自然環(huán)境），會增加風機基礎的工程造價，延緩施工進度，甚至會影響基礎工程的施工質(zhì)量。然而，常規(guī)的地質(zhì)報告及配合查閱資料能夠大概的了解海床地質(zhì)分布情況，若想詳細的掌握海上地質(zhì)特征、地質(zhì)巖土層的走向，僅靠查閱圖紙是難以實現(xiàn)的。而且采用模型試驗和數(shù)值模擬研究方法時，其地質(zhì)、地形模型不能很好地的模擬現(xiàn)場海床地形、海上環(huán)境實際。

BIM 具有強大的建模能力，通過建立三維地質(zhì)模型，將大量的巖土工程參數(shù)及地質(zhì)信息整合在同一模型中，可以完整地展示海床地質(zhì)、地形分布情況，還能任意的選擇某層地質(zhì)進行剖切、查看及標注，實現(xiàn)了地質(zhì)勘測最可能的接近工程實際。由此，本文根據(jù)江蘇龍源蔣家沙海上風電工程的勘測數(shù)據(jù)，由BIM 軟件Civil 3D 建立地質(zhì)模型，再由Revit 軟件將其轉變?yōu)閿?shù)字化、形象化的三維可視化地質(zhì)模型（圖1），用于分析海床地質(zhì)巖土層類型、土層走向、海床地形分布規(guī)律等，為后續(xù)開展吸力基礎循環(huán)承載有限元分析提供依據(jù)。其中，Revit 軟件由歐泰克公司開發(fā)的，是面向建造行業(yè)的BIM 三維設計與建模軟件。主要功能含有：專業(yè)設計模型創(chuàng)建、結構管線設計、碰撞檢查及監(jiān)測、繪制施工圖紙、模擬施工現(xiàn)場日照采光和降雨降雪分析等等，此外Revit 軟件還可以進行二次開發(fā)，實現(xiàn)建筑施工過程模擬。因此，可采用Revit 軟件的二次開發(fā)功能，進行吸力基礎貫入預定海床地基的過程，指導工程實踐中吸力大小及貫入量的計算。

圖1 風電場地土層類型及分布

1.2 BIM 在吸力基礎模型建立中的優(yōu)勢

BIM 便于建立不同結構型式的吸力基礎模型，即通過建立“專用族庫”的方式進行基礎建模。模型參數(shù)類型包括：①幾何參數(shù)；②材料參數(shù)；③成本參數(shù)。由此，在基礎建模時，可直接從族庫中選取不同結構型式的吸力基礎，并任意調(diào)整幾何尺寸、材料屬性，其對應的基礎成本會自動輸出。而且，利用BIM 的三維可視化功能，可將吸力基礎立體實物全方位、多角度及可視化的展現(xiàn)。圖2 給出了不同結構形式吸力基礎的三維模型。

圖2 BIM 建立的基礎模型

同時，對地質(zhì)模型與吸力基礎模型設置相同的項目基點及原點坐標，以進行模型整合與裝配。注：在地基模型和吸力基礎模型建立時，需精確定位模型的參考點，即確保地質(zhì)模型與吸力基礎模型的坐標系一致。由此，若將BIM創(chuàng)建的地質(zhì)模型、吸力基礎模型引入有限元分析軟件（Abaqus、Ansys、Plaxis）中[10]，可克服有限元軟件建立的地質(zhì)模型不夠精確、改變基礎尺寸必須重新建模的不足，既能節(jié)省建模時間，還能提升數(shù)值模擬精度。

1.3 BIM 在吸力基礎施工動態(tài)模擬的優(yōu)勢

海上風電吸力基礎施工時，面臨著諸多困難：①受海上氣候、洋流和風速的影響，有效施工工期較短。②復雜的海床地形及分散的施工位置，使機械設備移動頻繁。③吸力基礎采用負壓沉貫方法將其貫入海床，使其施工技術與傳統(tǒng)海上風機基礎的施工技術不同。為克服這些困難，可將吸力基礎施工及進度計劃與BIM 結合起來，并引入時間維度（即時間參數(shù)），可對吸力基礎安裝、基礎上部風機結構（塔筒、輪轂、葉片等）吊裝等施工過程進行動態(tài)模擬，直觀地展現(xiàn)施工進度在各個時間節(jié)點上的分布，從而控制施工進度。此外，考慮海上氣候、地質(zhì)條件等復雜環(huán)境，通過施工動態(tài)模擬完善施工工序安排，便于規(guī)劃施工機械設備布置及碰撞檢測，從而提前將吸力基礎施工過程中可能存在的問題充分暴露出來，以確保吸力基礎安裝至指定的海床位置，以及保證上部風機結構的順利安裝，避免工程返工，造成經(jīng)濟損失。

有限元數(shù)值模擬時，建模的精度會對模擬結果產(chǎn)生影響，同樣BIM 模型的精度決定了具體實施應用過程中的深度。一般來說，模型參量信息越全，模擬精度及模擬結果的參考性越高，但相應的時間成本越高。因此，由BIM 建立桶型基礎、地質(zhì)模型模型時，可依據(jù)其應用的深度來區(qū)分模型精度，模型精度要求（在模型創(chuàng)建初期就應確定）見表1。

表1 模型精度要求

1.4 BIM 在海上風電運營維護中的優(yōu)勢

海上風電場的建設工程，需要有大量的專業(yè)施工及設計人員參與其中，各項工作交叉互聯(lián)，而且牽一發(fā)動全身，需要各個分部項目的協(xié)同合作。BIM 技術的優(yōu)勢體現(xiàn)在建模和設計方面，便于各個行業(yè)專業(yè)設計人員之間更多的合作，但海上風電場的運維的階段也至關重要。因此，在BIM的虛擬模型中，對施工建造過程、服役期間風機基礎及風機結構使用模擬的細節(jié)進行充分的討論，使得施工建設過程中的沖突大大減少、效率顯著提高。

由此，BIM 不僅能模擬吸力基礎的安裝過程，還能在風機基礎及風機結構服役期內(nèi)的運營、維護方面發(fā)揮作用，即通過BIM 技術整合整個風電場的氣象信息、風機結構工作信息及結構自身的建筑結構信息，對整個風電場的運營進行綜合管控，體現(xiàn)了全生命周期內(nèi)海上風電場的運營情況，并為其維護、維修及防災減災措施的建立提供依據(jù)。一般來說，BIM 施工建模及后期運營維護過程規(guī)劃越高效，業(yè)主方、設計方、施工承包方、監(jiān)理方及監(jiān)測單位消耗的經(jīng)歷越少，從而可以更優(yōu)化的配置管理人員。因此，通過BIM 技術的輔助工作，可以指定最佳的施工方案、風電機組設備維護方案，并通過風機服役期間運行模擬及數(shù)據(jù)的采集，及時預測和進行設備維護與更換，做好防災減災的工作。

由于海上風電工程常處于復雜的地質(zhì)、地形條件及多變的海洋環(huán)境中，所涉及的數(shù)據(jù)信息量巨大，而且針對這些數(shù)據(jù)信息的管理也缺乏一個統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理平臺，而BIM 技術為建立協(xié)同管理平臺提供了可能。因此，針對海上風電工程，可建立覆蓋其工程建設及服役過程中的全生命周期（規(guī)劃、設計、施工及后期運維）的BIM 協(xié)同管理平臺框架（圖3）。進而，通過此平臺實現(xiàn)多方協(xié)同作業(yè)、避免時間沖突和空間沖突，并在風電工程施工進度、造價、質(zhì)量、安全及運營維護等方面得到實時反饋的數(shù)據(jù)信息，從而對風電場建設及運營進行有效的管理，既能節(jié)約成本，還能顯著提高海上風電場運營產(chǎn)生的經(jīng)濟效益。

圖3 協(xié)同管理平臺架構示意圖

2 結論

①針對海上復雜的地形條件和多變的海洋環(huán)境，建立覆蓋海上風電及服役過程的全生命周期的BIM 協(xié)同管理平臺，可實現(xiàn)多發(fā)協(xié)同作業(yè)和信息數(shù)據(jù)共享，為海上風電場建設及運營進行有效的管理。

②利用BIM 建立海上風電吸力基礎模型專用族庫，便于快速調(diào)整吸力基礎結構形式、幾何尺寸及材料屬性，克服了有限元軟件建模時，改變基礎結構、幾何尺寸必須重新建模的不足。再依據(jù)海上風電工程實際，建立海床地質(zhì)模型和吸力基礎模型，并將其引入有限元軟件來分析裙式吸力基礎的水平循環(huán)承載特性。