BIM技術(shù)在海上風(fēng)電項(xiàng)目施工技術(shù)中的應(yīng)用分析

李春雷，崔浩然

（中交一航局第一工程有限公司，天津 300461）

由于BIM 技術(shù)在工程應(yīng)用中具有可視化、協(xié)調(diào)性、模擬性、優(yōu)化性等方面的優(yōu)勢，近年來在工程應(yīng)用領(lǐng)域得到了大力推廣及普及。在國家“3060”節(jié)能減排目標(biāo)的引導(dǎo)下，海上風(fēng)電施工作為近年來較熱門施工領(lǐng)域，具有較好的發(fā)展前景。在海上風(fēng)電施工技術(shù)管理過程中，通過系統(tǒng)地應(yīng)用BIM 技術(shù)，對施工技術(shù)工藝的復(fù)核及執(zhí)行起到了較好的促進(jìn)作用，利于工程實(shí)施的工效提升及節(jié)能降耗。

本文以江蘇大豐、啟東海上風(fēng)電項(xiàng)目為應(yīng)用背景，此兩個項(xiàng)目均為外海無掩護(hù)海域海上風(fēng)電項(xiàng)目，其中江蘇大豐海上風(fēng)電項(xiàng)目為在建時離距離最遠(yuǎn)的海上風(fēng)電項(xiàng)目，離岸距離約70km，江蘇大豐海上風(fēng)電項(xiàng)目一期工程總裝機(jī)容量300MW，江蘇啟東H1/H2 海上風(fēng)電項(xiàng)目總裝機(jī)容量500MW，海上風(fēng)電施工基礎(chǔ)為大直徑單樁（鋼管樁直徑在6m 及以上）及四樁導(dǎo)管架基礎(chǔ)，完成沉樁施工后安裝集成式附屬構(gòu)件，最后分體式裝配安裝海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組。

在上述海上風(fēng)電施工技術(shù)管理過程中，通過對BIM相關(guān)軟件及技術(shù)的不斷應(yīng)用，確保了施工工藝計(jì)算校核的準(zhǔn)確性，同時通過BIM 模型的建立，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的碰撞分析，避免材料浪費(fèi)及保證工程量計(jì)算的準(zhǔn)確。通過三維建模進(jìn)行可視化交底，確保工藝落實(shí)形象直觀。

1 應(yīng)用實(shí)踐分析

在江蘇大豐及啟東海上風(fēng)電施工過程中，BIM 技術(shù)的應(yīng)用基礎(chǔ)工作為BIM 模型的建立，達(dá)到一次建模，多方面應(yīng)用的目的，通過采用多種BIM 軟件圍繞BIM 模型，充分發(fā)揮BIM 技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)施工工藝組織及落實(shí)工作。應(yīng)用范圍包括工程可視化、模擬性、結(jié)構(gòu)碰撞分析、結(jié)構(gòu)受力分析、工程量計(jì)算。其中涉及的相關(guān)軟件應(yīng)用有Revit、Inventor、Midas 等。

1.1 工程可視化

可視化即“所見所得”，在海上風(fēng)電施工工藝準(zhǔn)備時，根據(jù)所配置的施工船舶，采用軟件建立可視化模型（圖1），將二維平面分析轉(zhuǎn)換為三維效果展示，根據(jù)實(shí)施方案確定主吊船、輔吊船、運(yùn)輸船的位置，并將以下吊裝過程展示應(yīng)用于方案工藝討論現(xiàn)場實(shí)施可視化交底中，起到了直觀、高效的效果。海上風(fēng)電施工應(yīng)用的關(guān)鍵部位為：大直徑立樁過程、風(fēng)機(jī)葉輪組拼及起吊對接過程。

圖1 吊裝工程可視化模型

1.2 結(jié)構(gòu)碰撞分析

在復(fù)雜鋼結(jié)構(gòu)制造方面，在施工前，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙建立模型，模擬建造過程，并能發(fā)現(xiàn)構(gòu)件碰撞問題，在開工前與設(shè)計(jì)單位溝通解決，避免材料浪費(fèi)及過程中工期的損失。在依托海上項(xiàng)目施工中，對集成式附屬構(gòu)件及導(dǎo)管架結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，在模擬建造過程中發(fā)現(xiàn)類似圖2中結(jié)構(gòu)尺寸不準(zhǔn)確、結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)需特別注意的問題。

圖2 集成式附屬構(gòu)件模型分析

在沉樁吊裝過程中，通過軟件分析模擬，將吊機(jī)吊鉤中心與鋼管樁重心約束在一條垂線上，來模擬鋼管樁的翻樁過程，重點(diǎn)核實(shí)鋼管樁在翻轉(zhuǎn)的過程中與起重機(jī)大臂是否有碰撞。在風(fēng)機(jī)安裝過程中，通過建立船體模型及葉輪模型，分析在組拼過程中及整體葉輪吊裝過程中是否有干涉。

圖3 施工過程模擬分析

1.3 結(jié)構(gòu)受力分析

1．3．1 鋼管樁整體受力分析

鋼管樁參數(shù)如下表1所示。

表1 典型鋼管樁參數(shù)統(tǒng)計(jì)表

由于鋼管樁結(jié)構(gòu)尺寸較大，管節(jié)焊縫較多，手算難度較大，計(jì)算采用Inventor 軟件進(jìn)行單樁結(jié)構(gòu)進(jìn)行樁體分析，主吊耳位置及樁底進(jìn)行固定約束。現(xiàn)場吊樁時，吊點(diǎn)位置：主吊耳為設(shè)計(jì)雙面主吊耳，輔助吊點(diǎn)位于樁下部。以18#樁為例進(jìn)行平吊及立吊狀態(tài)受力分析。

1．3．1．1 平吊

樁身應(yīng)力云圖及形變圖如下所示。

圖4 平吊狀態(tài)樁身應(yīng)力云圖及形變圖

由計(jì)算可知，樁身在平吊時，主吊耳位置等效應(yīng)力最大（靠近樁頂側(cè)），等效應(yīng)力最大值為143.4MPa，DH36 鋼材屈服強(qiáng)度為355MPa，強(qiáng)度滿足要求。主吊耳及翻身吊耳約束后，位移最大位置位于樁頂，最大值為6mm，滿足要求。

1．3．1．2 立吊

樁身應(yīng)力云圖及形變圖如下所示。由計(jì)算可知，樁身在立吊時，主吊耳位置等效應(yīng)力最大，等效應(yīng)力最大值為245.6MPa，DH36 鋼材屈服強(qiáng)度為355MPa，滿足要求。主吊耳約束后，位移最大位置位于樁頂，最大值為1.42mm，滿足要求。

圖5 立吊狀態(tài)樁身應(yīng)力云圖及形變圖

1．3．2 吊耳板結(jié)構(gòu)受力分析

在本項(xiàng)目施工過程中，對于施工用吊耳板的設(shè)計(jì)，通過傳統(tǒng)手算無法準(zhǔn)確分析整體吊耳板受力情況，但通過BIM 軟件建模后，可通過對模型施加相符的約束狀態(tài)及受力大小及方向，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變的分析。

1．3．2．1 吊裝工裝結(jié)構(gòu)形式

工裝采用Q345B 材質(zhì)鋼板進(jìn)行制作，所有焊接位置采用全熔透坡口焊，制作尺寸如下圖所示。

圖6 吊裝工裝結(jié)構(gòu)形式

繪制吊耳板結(jié)構(gòu)件BIM 模型，如下圖所示。

圖7 吊耳示意圖

1．3．2．2 應(yīng)力及變形分析

對吊裝工裝進(jìn)行受力模擬分析，受力分析思路為：工裝底部固定約束，荷載考慮在吊耳孔的荷載，荷載值垂直向上575KN，水平方向332KN，分析重點(diǎn)為工裝應(yīng)力及變形，主要分析結(jié)果如下所示。

應(yīng)力云圖如下圖8所示，工裝最大應(yīng)力為110.4MPa，工裝材質(zhì)為Q345B，應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料應(yīng)力，滿足要求。變形圖如下圖9所示，最大變形0.12mm，滿足要求。由于建模的局限性，受力點(diǎn)位置應(yīng)在斜向上60°位置。

圖8 吊耳應(yīng)力云圖及變形圖

圖9 復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程量計(jì)算圖例

1.4 工程量計(jì)算

對于海上風(fēng)電施工，大部分結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，在工程量計(jì)算時，按照凈量計(jì)算的原則，在計(jì)算異形結(jié)構(gòu)時，采用手算耗時長，易出錯，尤其導(dǎo)管架基礎(chǔ)形式，通過BIM 建模，能夠?qū)崿F(xiàn)異形結(jié)構(gòu)的快速出量，且較為準(zhǔn)確。本項(xiàng)目對異形導(dǎo)管架、鋼管樁及集成式附屬構(gòu)件均建立了BIM 模型，實(shí)現(xiàn)快速算量及工程量的校核工作。

2 應(yīng)用效益

將BIM 技術(shù)應(yīng)用于海上風(fēng)電項(xiàng)目施工，在可視化方面，使項(xiàng)目施工工藝管理更直觀，指令傳達(dá)更清晰，更利于工藝的傳達(dá)與執(zhí)行，有效的確保了工程的施工質(zhì)量及提升施工效率。

通過結(jié)構(gòu)碰撞分析，避免施工過程中產(chǎn)生材料等資源的浪費(fèi)，減少返工率及窩工率，且海上風(fēng)電施工均為特定形式（大直徑管樁、塔筒、機(jī)艙、葉片、葉輪等）大部件吊裝作業(yè)，受船體甲板空間影響，船舶起重機(jī)吊裝存在局限性，通過結(jié)構(gòu)碰撞分析，避免了大部件吊裝過程磕碰及超負(fù)荷作業(yè)，有效地保證了現(xiàn)場安全施工。

通過結(jié)構(gòu)受力計(jì)算，針對無法手算的異形結(jié)構(gòu)可快速分析結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，保證了施工安全。

通過BIM 軟件建模后工程量計(jì)算，有效避免了復(fù)雜結(jié)構(gòu)工程量少算、漏算的情況，避免企業(yè)虧損，具有計(jì)算效率高，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

3 結(jié)語

本文系統(tǒng)地總結(jié)了BIM 技術(shù)在海上風(fēng)電施工中的具體應(yīng)用，利于BIM 相關(guān)技術(shù)及相關(guān)軟件的推廣。BIM技術(shù)應(yīng)用的核心與基礎(chǔ)為軟件模型的建立，即一次建模后，在多個方面展開應(yīng)用，融入項(xiàng)目整個管理過程，大大減少重復(fù)工作，同時，在項(xiàng)目的應(yīng)用實(shí)施中，也存在相應(yīng)的不足，一款軟件無法實(shí)現(xiàn)所有功能，需依托相應(yīng)功能的插件，且會出現(xiàn)不同軟件中模型導(dǎo)入兼容性的問題，在后續(xù)施工中還應(yīng)繼續(xù)總結(jié)與歸納，思路提升，實(shí)現(xiàn)不同軟件系統(tǒng)性的應(yīng)用，同時，應(yīng)將BIM 技術(shù)與項(xiàng)目管理深度融合，做到項(xiàng)目的全過程控制。