海上風(fēng)電工程全生命周期管理過程中BIM 技術(shù)的應(yīng)用研究

周興華 趙 輝 余 浩 宋云峰 張繼超 林逸凡

（1.華電（浙江）新能源有限公司，浙江杭州 310000；2.華電重工股份有限公司，北京 100070）

0 引言

近年來，在各類工程設(shè)計(jì)與管理中已逐步應(yīng)用BIM技術(shù)，其發(fā)揮出優(yōu)化性、可視化、模擬性以及協(xié)調(diào)性等相關(guān)優(yōu)點(diǎn)，已在工程領(lǐng)域中得到了廣泛的運(yùn)用，海上風(fēng)電工程也不例外。在國家“3060”節(jié)能減排目標(biāo)的指導(dǎo)下，風(fēng)電施工逐漸演變?yōu)檩^為熱門的施工領(lǐng)域之一，發(fā)展前景良好。將BIM技術(shù)應(yīng)用到海上風(fēng)電工程全生命周期管理中，有利于各項(xiàng)施工技術(shù)的復(fù)核與執(zhí)行，確保施工質(zhì)量，達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。

1 BIM 的概念

憑借BIM技術(shù)能夠通過數(shù)字形式，表達(dá)建筑中包含的各類元素，達(dá)到建筑數(shù)字化的效果。BIM模型是將三維數(shù)字技術(shù)作為核心，以全生命周期為重點(diǎn)，加強(qiáng)建筑產(chǎn)業(yè)鏈所有環(huán)節(jié)的聯(lián)系，建立數(shù)據(jù)模型，為信息交互、查詢、共享、輸出等創(chuàng)設(shè)便捷的通道，通過三維可視化的方式呈現(xiàn)各類信息，奠定精細(xì)化管理的基礎(chǔ)[1]。

另外，BIM技術(shù)能夠融入工程項(xiàng)目的生命周期中，諸如規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維管理等?，F(xiàn)階段，BIM技術(shù)在我國建筑、工業(yè)、鐵路等相關(guān)行業(yè)中得到了較好的應(yīng)用和發(fā)展，在水運(yùn)與海事工程中的應(yīng)用范圍正在持續(xù)地?cái)U(kuò)展，在海上風(fēng)電工程中的運(yùn)用還處于初始階段。新形勢下，提升管理效益屬于主要趨勢，對(duì)計(jì)劃管控、采購管理、成本管理、資源整合等均提出了許多新要求[2]。而BIM技術(shù)在成果校核、工期模擬、打通專業(yè)界面、工程量統(tǒng)計(jì)等方面的應(yīng)用，均需要明確行之有效的解決方式。

2 海上風(fēng)電工程施工的特點(diǎn)

風(fēng)電最早出現(xiàn)于歐洲，我國首先進(jìn)行了陸地風(fēng)電的運(yùn)用，近年來才逐漸推廣海上風(fēng)電。立足于全局角度進(jìn)行分析，海上風(fēng)電的施工環(huán)境方面十分惡劣，工程協(xié)調(diào)存在較高的難度，對(duì)施工能力提出了許多要求[3]。一般情況下，人們會(huì)將海上風(fēng)電工程歸為傳統(tǒng)水運(yùn)工程，現(xiàn)階段海上風(fēng)電工程施工的單位以傳統(tǒng)水運(yùn)施工單位為主。但事實(shí)上，海上風(fēng)電工程超出了水運(yùn)范疇，特別是深海風(fēng)電工程，已發(fā)展成海洋工程，對(duì)施工能力提出了許多新要求。與傳統(tǒng)水運(yùn)施工相比，海上風(fēng)電工程涉及以下特點(diǎn)。

第一，風(fēng)機(jī)涉及多種基礎(chǔ)樣式，對(duì)施工設(shè)備、能力等提出了較高的要求。風(fēng)機(jī)技術(shù)屬于整個(gè)施工過程的重要環(huán)節(jié)，單柱基礎(chǔ)、重力式基礎(chǔ)、三腳架技術(shù)、導(dǎo)管架基礎(chǔ)等屬于常見的基礎(chǔ)形式，這些基礎(chǔ)形式要求施工單位具備相應(yīng)的能力。并且新基礎(chǔ)形式正在不斷地推陳出新，諸如歐洲應(yīng)用廣泛的三樁基礎(chǔ)等。傳統(tǒng)水運(yùn)工程施工單位在向海上風(fēng)電市場進(jìn)行發(fā)展的過程中，需確保各類設(shè)備的專業(yè)化，諸如打樁船等。水運(yùn)工程與海洋工程相比，存在天然的差異，需要施工單位在施工能力方面滿足更高要求。

第二，施工周期偏短，使普通施工單位面臨巨大難題，特別是剛進(jìn)入海上風(fēng)電市場的相關(guān)施工單位，實(shí)際施工時(shí)，存在許多不可控因素，這些因素是導(dǎo)致海上風(fēng)電工程延期的重要原因，一般需要避開兩個(gè)月的冬休期。并且受強(qiáng)流、強(qiáng)浪、臺(tái)風(fēng)等相關(guān)天氣的影響，均無法正常施工，需要施工單位擁有良好的組織能力、施工能力，準(zhǔn)確掌握施工窗口期，提高施工效率與質(zhì)量。

第三，海上風(fēng)電工程正在不斷地向深海進(jìn)行轉(zhuǎn)移?，F(xiàn)階段，我國海上風(fēng)電工程基本于近海淺水區(qū)、潮間帶等相關(guān)區(qū)域開發(fā)，但近海區(qū)域能夠開發(fā)運(yùn)用的風(fēng)電資源正在不斷減少，使海上風(fēng)電工程向深海、遠(yuǎn)海深入發(fā)展成為主要趨勢。當(dāng)前，我國已建設(shè)了超40m水深的風(fēng)電項(xiàng)目，國外則擁有超100m水深的風(fēng)電項(xiàng)目。對(duì)于深海作業(yè)而言，在海況環(huán)境方面更加惡劣，需要船機(jī)設(shè)備、施工工藝等滿足更高要求。

因此，海上風(fēng)電施工覆蓋面廣、協(xié)調(diào)難度大以及施工環(huán)境惡劣，需要科學(xué)規(guī)劃、部署，并合理運(yùn)用各類先進(jìn)技術(shù)，構(gòu)建專業(yè)的施工隊(duì)伍與適宜的施工機(jī)械，確保海上風(fēng)電工程施工任務(wù)的順利完成[4]。

3 海上風(fēng)電施工對(duì)BIM的需求

立足于施工單位角度進(jìn)行分析，運(yùn)用BIM技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)質(zhì)量、進(jìn)度、成本的平衡。對(duì)于海上風(fēng)電工程而言，受各類因素的影響，需要BIM技術(shù)滿足更多需求，比如多場地施工對(duì)整體場地布置優(yōu)化的需求、特殊工藝研發(fā)需求、高效精準(zhǔn)施工需求、成本管控需求、工程量精確統(tǒng)計(jì)需求以及業(yè)主對(duì)進(jìn)度管理的需求等，均能夠利用BIM技術(shù)實(shí)現(xiàn)[5]。

4 海上風(fēng)電工程全生命周期管理過程中BIM技術(shù)的應(yīng)用分析

以BIM技術(shù)為核心，結(jié)合海上風(fēng)電工程實(shí)際情況，構(gòu)建全生命周期建設(shè)管理平臺(tái)，可對(duì)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)維期的三維BIM信息模型和物聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效整合，建立面向場區(qū)提供多元化服務(wù)路徑的智慧服務(wù)運(yùn)營管理平臺(tái)，比如設(shè)計(jì)施工、資產(chǎn)管理、運(yùn)維綜合服務(wù)、接觸支持中心等[6]。首先，基于設(shè)計(jì)模型及相關(guān)信息，對(duì)隱蔽工程和重要設(shè)施開展高效維護(hù)與精益管理。其次，通過三維直觀的表現(xiàn)方法，在開展應(yīng)急預(yù)案規(guī)劃和處理的過程中，加強(qiáng)科學(xué)管理。最后，有效運(yùn)用運(yùn)維時(shí)期的相關(guān)數(shù)據(jù)，基于BIM運(yùn)維管理系統(tǒng)，建立相應(yīng)的云端專業(yè)庫，通過知識(shí)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效決策，降低人力成本。將互聯(lián)互通、信息共享等作為目標(biāo)，在各類智慧化技術(shù)的支撐下，與相關(guān)業(yè)務(wù)應(yīng)用、功能進(jìn)行關(guān)聯(lián)，融入海上風(fēng)電工程全生命周期的數(shù)據(jù)、資產(chǎn)信息管理中，為智慧化服務(wù)決策創(chuàng)設(shè)優(yōu)質(zhì)條件。本文針對(duì)BIM技術(shù)在海上風(fēng)電工程全生命周期管理中的應(yīng)用，以施工建設(shè)階段管理平臺(tái)的構(gòu)建為主，對(duì)具體的策略進(jìn)行探究。

4.1 施工深化建模

針對(duì)風(fēng)場場區(qū)以及海上升壓站施工，開展三維建模。結(jié)合施工特點(diǎn)與現(xiàn)場實(shí)際狀況，劃分施工面。其中，風(fēng)場包含風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、風(fēng)機(jī)機(jī)組、地形地質(zhì)等相關(guān)模型；海上升壓站則設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、電氣、暖通以及消防專業(yè)模型深化。需要注意的是，模型深化必須同施工深化圖深度相同。首先，深化模型需要構(gòu)建各系統(tǒng)支管以及安裝支吊架，設(shè)備構(gòu)件數(shù)據(jù)庫則需要附加廠商信息、安裝制造信息等，比如彎頭、三通以及閥門等。其次，建立鋼結(jié)構(gòu)模型，以鋼結(jié)構(gòu)細(xì)致節(jié)點(diǎn)為切入點(diǎn)，基于廠家產(chǎn)品相關(guān)要求，對(duì)其進(jìn)行分段式處理，并細(xì)致地核對(duì)是否同現(xiàn)場情況相同。最后，立足于各專業(yè)特征，建立三維BIM模型，對(duì)二維圖紙進(jìn)行細(xì)致校對(duì)與核對(duì)。

4.2 三維圖冊(cè)

從施工圖深化而來的三維圖冊(cè)，可更好地指導(dǎo)施工活動(dòng)，并參照優(yōu)化后的BIM模型，梳理管線十分復(fù)雜的地方，為其提供管線綜合剖面圖、節(jié)點(diǎn)大樣圖以及局部3D圖等。同時(shí)，對(duì)尺寸進(jìn)行標(biāo)注，以精準(zhǔn)反映豎向標(biāo)高。

4.3 計(jì)算工程量

憑借BIM建模，利用空間實(shí)現(xiàn)的方式表達(dá)、驗(yàn)證、優(yōu)化具體的工程設(shè)計(jì)，在二維圖紙?jiān)O(shè)計(jì)中引入BIM模型，存在極高的準(zhǔn)確度。將材料統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、工程量導(dǎo)入BIM模型，擁有較強(qiáng)的可靠性與實(shí)用性，軟件算法也有利于促進(jìn)統(tǒng)計(jì)工程量進(jìn)度、效率的提高。統(tǒng)計(jì)的工程量、材料等能夠在工程預(yù)算分析中進(jìn)行直接使用，為工程投資分析、造價(jià)控制、竣工決算等奠定良好的基礎(chǔ)。首先，明確鋼結(jié)構(gòu)詳圖工程量?；阡摻Y(jié)構(gòu)，對(duì)BIM模型進(jìn)行深化，可高效率地獲取鋼構(gòu)件預(yù)裝模型及相關(guān)參數(shù)，基于編碼、標(biāo)注迅速繪制鋼結(jié)構(gòu)加工示意圖、工程材料統(tǒng)計(jì)表等，導(dǎo)出圖紙、材料統(tǒng)計(jì)表，由施工單位進(jìn)行審核，通過后可直接報(bào)送廠家下料生產(chǎn)[7]。其次，計(jì)算管道設(shè)備工程量。通過對(duì)機(jī)電管道的深化，可對(duì)管道用量、管件量、設(shè)備工程量等進(jìn)行全面如實(shí)統(tǒng)計(jì)。

4.4 在虛擬環(huán)境中進(jìn)行施工模擬

首先，進(jìn)行4D施工組織方案模擬。結(jié)合工程分部和分項(xiàng)的具體劃分狀況、施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)度、施工特點(diǎn)、現(xiàn)場具體狀況等，實(shí)體切割三維模型，構(gòu)建能夠?qū)⑹┕ぷ鳂I(yè)對(duì)象與結(jié)構(gòu)進(jìn)行全方位呈現(xiàn)的施工作業(yè)單元實(shí)體模型。借助這一可視化方式，模擬、仿真工程施工的現(xiàn)場環(huán)境情況、工序、步驟、資源消耗狀況等，對(duì)施工組織設(shè)計(jì)的可行性、優(yōu)劣等進(jìn)行深入分析。通過動(dòng)態(tài)碰撞的方式檢查三維模型、施工設(shè)備、施工設(shè)施、施工環(huán)境、建筑物等，以生成碰撞檢測報(bào)告，結(jié)合報(bào)告對(duì)施工方案進(jìn)行針對(duì)性的調(diào)整與完善，并分析施工總布置設(shè)計(jì)的科學(xué)性、合理性，實(shí)現(xiàn)施工規(guī)劃布局的全面優(yōu)化。通過BIM進(jìn)行虛擬施工模擬，同施工總布局BIM空間模型、施工進(jìn)度計(jì)劃表進(jìn)行聯(lián)合，創(chuàng)設(shè)4D施工資源信息模型，優(yōu)化與改善具體的施工方案。其次，建立專項(xiàng)BIM施工方案。通過BIM模型能夠?qū)κ┕み^程的重要環(huán)節(jié)與工序等進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，準(zhǔn)確總結(jié)施工方案的不足與重要步驟，預(yù)先確定應(yīng)對(duì)方法，使施工方案更具操作性，并通過可視化預(yù)演模擬的方式，對(duì)海上風(fēng)電工程施工環(huán)境進(jìn)行模擬，全方位控制復(fù)雜工序。最后，專項(xiàng)BIM施工方案模擬可運(yùn)用于施工培訓(xùn)、技術(shù)交底等環(huán)節(jié)。

4.5 構(gòu)建施工BIM管理平臺(tái)

首先，借助Project等軟件對(duì)施工進(jìn)度進(jìn)行有效控制。聯(lián)合BIM模型，對(duì)比計(jì)劃與實(shí)際施工時(shí)間之間的差異，找到偏差，以此提高施工效率，并對(duì)工程進(jìn)度計(jì)劃進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的調(diào)整?；谶M(jìn)度計(jì)劃，將計(jì)劃完成工程量同實(shí)際情況進(jìn)行對(duì)比。其次，將樓層空間位置、設(shè)備、材料信息等輸入施工階段模型。結(jié)合BIM信息模型，在這一平臺(tái)上以編碼的方式構(gòu)建設(shè)備、材料管理等與施工進(jìn)度的關(guān)聯(lián)關(guān)系，利用設(shè)備或構(gòu)件的三維BIM模型，追溯生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工等信息的效果[8]。再次，運(yùn)用iPad和手機(jī)等相關(guān)移動(dòng)設(shè)備，向施工、監(jiān)理單位等提供輔助，加強(qiáng)施工過程管控，在模型構(gòu)建中添加施工現(xiàn)場拍攝工程實(shí)體、設(shè)備構(gòu)件等照片，也可輸入施工質(zhì)量、安全等相關(guān)信息，回到管理平臺(tái)服務(wù)器，要求工作人員對(duì)這些信息了如指掌，確保這一協(xié)同工作能夠延伸到施工現(xiàn)場，繼續(xù)開展細(xì)致工作。最后，通過BIM協(xié)同管理平臺(tái)，全方位整合各施工環(huán)節(jié)資料、信息等，如構(gòu)件檢驗(yàn)報(bào)告、設(shè)計(jì)變更記錄、驗(yàn)收記錄等，各參與單位均能夠查詢，有利于實(shí)現(xiàn)協(xié)同管理。

5 結(jié)語

在“碳中和”逐漸深入的形勢下，海上風(fēng)電工程得到更多的關(guān)注，在海上風(fēng)電工程全生命周期中應(yīng)用BIM技術(shù)，能夠有效提高項(xiàng)目信息化水平，夯實(shí)施工單位成本管控、工期控制、工程質(zhì)量提高的基礎(chǔ)，促進(jìn)施工管理水平的提高?；贐IM技術(shù)的海上風(fēng)電全生命周期建設(shè)管理平臺(tái)擁有諸多優(yōu)勢，能夠?qū)ㄖ误w建設(shè)進(jìn)行三維信息模擬，實(shí)現(xiàn)碰撞檢查、精確算量、虛擬施工等相關(guān)應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)精益管理。同時(shí)，對(duì)設(shè)計(jì)、施工等環(huán)節(jié)信息進(jìn)行全方位整合，夯實(shí)運(yùn)營階段的決策基礎(chǔ)。將數(shù)字、數(shù)據(jù)、資源、要素、效益等列入重要內(nèi)容，數(shù)據(jù)信息移動(dòng)交付可巧妙地借助建筑群相關(guān)工程信息及數(shù)據(jù)，以管控目的為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，確保海上風(fēng)電工程運(yùn)營主體能夠做出科學(xué)的決策，發(fā)揮規(guī)模效益，獲得更高的利益。在未來發(fā)展過程中，還需深入探究與健全BIM技術(shù)的運(yùn)用路徑與方式，推動(dòng)海上風(fēng)電工程朝著更智能化的方向發(fā)展，促進(jìn)我國風(fēng)電施工能力的提高。