案例丨BIM技术在装配式风电混合塔架项目中的应用

前言

随着国内风力发电低风速区域的快速开发，市场竞争日趋激烈。为获得更大的风电资源生产能力、降低单位成本，增加轮毂高度是解决这一问题的有效途径。金风科技在保持持续稳定的风力发电装机量名列前茅的同时，正在积极地为新能源技术的创新发展做出大量的研发和探索。为了响应市场需求，解决高轮毂塔架技术难题，混合塔架应运而生。

混合塔架的问世填补了国内混合高塔架的空白，得到市场的认可并获得多个批量化项目。混合塔架底部由混凝土预制构件拼装而成，上部结合传统钢塔匹配，在提升发电量、结构可靠性、稳定性上具有显著优势。为促进装配式钢混塔架这一新型风电塔架形式的快速推进，金风科技研发中心在项目实施过程中采用BIM技术。BIM是以三维数字技术为基础，建筑全生命周期为主线，将建筑产业链各个环节关联起来并集成项目相关信息的数据模型[1]。本文通过利用三维建模设计及协同系统相关的工具软件，提高了混合塔架的设计、生产及施工的效率和质量。

1 项目简介

项目依托金风科技2MW/120m机型混合塔架，构件由预制混凝土构件与现浇空心基础拼接而成。混凝土段高32m，分为9段，预制率75%，装配率90%。预制构件与现浇构件可根据不同项目灵活组合，适应不同地形区域的要求。目前混合塔架项目面临以下五个问题：

（1）混塔项目推广中业主缺乏对混塔的设计、生产、工艺、工期等的形象概念，难以理解混塔的建筑细节、装配方式和施工方法等。

（2）设计工作量大，设计难度高。混合塔架项目由国内自主创新开发，结构形式新颖，设计在保证结构可靠性、安全性的前提下，使结构相对经济适用，与传统钢塔在经济性上保持优势。设备附件空间布置要求高，混凝土段内含有大量预埋、开孔构造。分段处的构造形式、连接方式等都需要特殊处理。

（3）施工难度大，安装精度要求高。预制构件制作中混凝土部分预埋件必须精确定位，才能保证螺栓就位。项目现场需合理安排吊装时间和次序，尽量少占用土地资源，对构件吊装过程的水平度、垂直度控制严苛。风力发电塔架内部设备安装要求精度高、速度快，并网时间节点明确，对施工水平、安装控制提出更高要求。

（4）作业人员经验不足。目前多数施工单位对装配式混合塔架施工尚无经验，专项施工技术能力不足。一般劳务队伍对产业化施工要求了解不够，技术水平不足，采用常规的技术交底，对施工及管理人员的培养效率较低，不利于工程质量的控制，也不利于建立专业化施工队伍。

（5）协同工作数据量大，专业之间、上下游之间数据交换难，项目监测点极多，监测构件复杂。项目涉及地域时间空间跨度大，因而数据快速、准确地进行交换非常重要。在监测与管理阶段，要求对整个项目进行方案制定、结构设计、构件监造、精度算量、施工深化设计、施工进度控制、施工成本控制、施工安全控制、健康监测的控制与管理等。

2 BIM技术解决方案

2.1 设计阶段装配式建筑设计中，由于需要对预制构件进行各类预埋和预留设计，所以更加需要各专业设计人员的密切配合。装配式建筑设计中的各专业设计人员能够快速地传递各自专业的设计信息，对设计方案进行“同步”修改[2]。模型信息以此为基础，通过不同专业模型的集成交流，实现协同设计。项目利用Prostructure模块所构建的设计模型，可为设计人员提供一个三维空间进行设计。

（1）方案设计：使用BIM技术，除了能进行混塔造型、工程量和空间分析外，还可对结构的分段、分缝构造合理性进行判别，使得初期方案决策更具有科学性。三维模型可为业主、设计人员提供设计方案、构件制作、施工模拟动画等可视化参考。本项目的三维风电场方案、混塔内附件、设备模型和内部空间一览无余，使客户能够直观地感受到建筑物的形象，进行VR虚拟体验（如图1所示），带来直接的视觉冲击。

（2）设计协同：多专业协同设计，包括设计计划、模型同步、互提资料、校对审核、版本控制等[3]。通过Proconcrete、Prosteel主要完成混塔模型的精确设计及搭建任务，并通过参考功能，完成对各专业的分层分专业建模，为施工精度控制提供坚实的基础。通过平台建设使内附件设计、电气设计、基础设计等专业实现模型修改同步（如图2所示），达到协同工作的目的，大大减少了传统沟通中产生的设计不同步、修改不及时的问题，节约了大量设计资源，提高了效率。

（3）模型建立：建筑、结构、机电各专业建立模型，利用模型信息进行能结构等分析，进行各种干涉检查，以及工程量统计。通过Navigator的功能模块进行碰撞检测（如图3所示）。三维模型碰撞检查可解决建筑物空间关系上的冲突，检查出设计中存在的错误[4]，并利用专业知识查勘缺失项目。碰撞检查门洞钢筋碰撞56处，埋件干涉3处，基础钢筋碰撞269多处，从而优化工程设计，最大程度地避免返工。

（4）图纸输出：各种平面、里面、剖面图纸和统计报表都可从模型中得到。通过动画模拟功能，完成对不同专业模型的拼接。通过对整体模型信息，进行材料统计和图纸输出（如图4所示）。

2.2 施工阶段模拟施工方案，有效协同参建方。在模型三维可视化的基础上增加时间维度，结合施工组织设计和施工方案，能够进行施工进度的模拟。参建方可以在虚拟现实环境中体验和检验工程施工的内容，以便即时调整设计方案和施工方案。

目前施工企业对装配式混凝土结构施工尚缺少经验，现场应依据工程特点和技术的难易程度选择不同的技术交底形式，例如套筒灌浆、定位稍的使用、各节段构件的吊装等施工方案通过三维直观展示，模拟现场构件安装过程和周边环境。对于劳务人员，则采用三维技术交底[5]，交底内容明确直观，方便施工现场对分包工程质量的控制，如模型可直观地表达出配筋的三维布筋情况，降低了布筋技术交底难度，帮助工人更好地理解设计意图[6]。交底内容明确直观，方便对分包工程质量的控制；通过三维模型渲染以及动画模拟（如图5所示），使良好的信息得以传递，大大提高了施工质量，同时也提高了项目参建方的沟通水平。

本工程采用三维技术交底的方式，建立了产业化施工标准，拥有了产业化设计施工团队，培养了专业化人才，提高了对工程质量的控制水平。

2.3 运维阶段混塔项目监测点多，监测周期长，项目涉及时间和空间的跨度大。目前样机结构监测基本上采用现场采集数据，现场人员到达机位进行数据的拷贝，然后传回数据处理中心进行数值分析等工作。这种方式获取数据时效性差，不能达到实时监测的效果。利用BIM+互联网监测技术，将样机的监测数据利用网络实时传递回数据处理中心，根据监测数据可得到样机结构受力状态等信息，节省了大量的人工成本。

结语

随着风电市场的竞争日趋激烈，市场进一步细化，混合塔架以其优越的稳定性，批量化项目迅速在国内外得到实施。项目引用BIM技术，使设计与施工得到很好的衔接，强化了业主、设计单位、施工单位、生产单位之间的沟通。通过构件自身及构件间的碰撞检查优化了设计，减少现场误差，保证了施工质量，提高了生产效率。通过可视化模拟各种装配关系、施工方案等，为快速决策提供了技术支撑。建筑模型信息化技术的研究应用是混塔项目推广实现产品价值的重要途径。

未来BIM技术将扩展到风机全寿命监测、运维管理、三维风电场建设、资产管理等环节，我们将对相关软件进行二次开发，获得快速形成全构件的三维模型，充分发挥信息集成与分析优势。BIM技术对于风电行业提效减排和增加收益将起到至关重要的作用。