黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司 閆 新 中冶焦耐（大連）工程技術(shù)有限公司 張小粟

1 國(guó)電投長(zhǎng)垣惱里90MW風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目概況

國(guó)電投長(zhǎng)垣惱里90MW風(fēng)電場(chǎng)工程場(chǎng)址位于河南省長(zhǎng)垣縣惱里鎮(zhèn)黃河倒灌區(qū)內(nèi)，距離長(zhǎng)垣縣15.0km，海拔高程為60～80m。本工程總裝機(jī)容量為90MW，設(shè)計(jì)安裝28臺(tái)單機(jī)容量為3000kW風(fēng)電機(jī)組，另選4臺(tái)機(jī)位點(diǎn)作為備選機(jī)位，通過(guò)4條架空線(xiàn)路（總長(zhǎng)約28km）接至新建的110kV升壓變電站。項(xiàng)目擬建設(shè)一座110kV升壓站，單回架空線(xiàn)送出。本風(fēng)電場(chǎng)工程年上網(wǎng)電量19793.22萬(wàn)kWh，年等效滿(mǎn)負(fù)荷小時(shí)數(shù)2199h，平均容量系數(shù)為0.251。

該項(xiàng)目建設(shè)場(chǎng)區(qū)范圍約40萬(wàn)km2，位于封丘倒灌區(qū)內(nèi)。封丘倒灌區(qū)東起貫孟堤，西至紅旗總干渠，南依黃河大堤，北靠太行堤，面積約575km2。封丘倒灌區(qū)的地勢(shì)為西南高，東北低，東北面依靠太行堤和黃河大堤約束，東面有長(zhǎng)21.12km的貫孟堤，貫孟堤末端姜堂至長(zhǎng)垣孟崗有長(zhǎng)約8km的缺口，形成封丘倒灌區(qū)的倒灌口門(mén)，歷史上曾發(fā)生多次大洪水的倒灌。本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)實(shí)施過(guò)程中，項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)的防洪影響評(píng)價(jià)成為本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)先置文件。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)裝機(jī)容量90MW，按照《風(fēng)電場(chǎng)工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)（試行）》（FD002-2007），風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)規(guī)模等級(jí)劃分為中型。電站需根據(jù)風(fēng)電場(chǎng)場(chǎng)址的地形、交通運(yùn)輸情況、風(fēng)資源條件和風(fēng)況特征，結(jié)合國(guó)內(nèi)外商品化風(fēng)電機(jī)組的制造水平、技術(shù)成熟程度以及風(fēng)電機(jī)組本地化率的要求，進(jìn)行風(fēng)電場(chǎng)機(jī)組型式選擇。本工程全場(chǎng)共28臺(tái)3MW風(fēng)機(jī)，采用一機(jī)一變單元接線(xiàn)方式，每臺(tái)風(fēng)電機(jī)組配置1座箱式變壓器，風(fēng)機(jī)電纜經(jīng)過(guò)風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)引至附近箱式變壓器低壓側(cè)，通過(guò)箱式變壓器就地升壓至35kV，通過(guò)35kV集電線(xiàn)路接入110kV風(fēng)電場(chǎng)升壓站的35kV母線(xiàn)。風(fēng)電場(chǎng)升壓站35kV母線(xiàn)側(cè)采用單母線(xiàn)接線(xiàn)形式，設(shè)置1回出線(xiàn)，通過(guò)共箱母線(xiàn)與主變壓器相連。

1.2 項(xiàng)目特點(diǎn)

綜合分析，國(guó)電投長(zhǎng)垣惱里90MW風(fēng)電場(chǎng)工程具有以下工程特點(diǎn)：一是該項(xiàng)目為黃河下游首座灘區(qū)風(fēng)力發(fā)電工程，工程建設(shè)和運(yùn)維對(duì)黃河行洪的影響是項(xiàng)目的一項(xiàng)重要因素，需要在設(shè)計(jì)工作中進(jìn)行充分的考慮與模擬。二是本項(xiàng)目占地近40km2，單位工程分散，建設(shè)周期短，涉及專(zhuān)業(yè)多，普通的軟件手段實(shí)現(xiàn)大范圍場(chǎng)區(qū)的數(shù)字化設(shè)計(jì)存在困難。三是風(fēng)力發(fā)電項(xiàng)目具有短平快、可變因素多的特點(diǎn)，因此項(xiàng)目需要進(jìn)行數(shù)字化手段進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)、快速化反饋，加強(qiáng)專(zhuān)業(yè)協(xié)同，提升設(shè)計(jì)效率。四是本工程要實(shí)現(xiàn)對(duì)整體工程的全生命周期信息化、智能化。針對(duì)這些特點(diǎn)，國(guó)電投長(zhǎng)垣惱里90MW風(fēng)電場(chǎng)工程采用了風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計(jì)技術(shù)。

2 風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計(jì)技術(shù)方案探索

2.1 場(chǎng)區(qū)數(shù)字化地形分析

風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計(jì)技術(shù)方案，可根據(jù)相關(guān)專(zhuān)業(yè)提供的測(cè)繪資料對(duì)項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)進(jìn)行數(shù)字化地形分析，主要有數(shù)字化地形高程圖譜分析、數(shù)字化地形等高線(xiàn)分析和精細(xì)化地形體生成，并可以對(duì)地形資料中的細(xì)微錯(cuò)誤進(jìn)行軟件自動(dòng)修復(fù)。項(xiàng)目經(jīng)過(guò)反復(fù)研究，采用CATIA 3DE平臺(tái)Digitized Shape Editor（DSE）、Shape Sculptor、Quick Surface Reconstruction（QSR）模 塊 進(jìn) 行CAD點(diǎn) 云 數(shù)據(jù)的處理及地形重構(gòu)、地形變形、分割修改、地形mesh面轉(zhuǎn)換成曲面等建立場(chǎng)區(qū)實(shí)際地形模型。多種分析手段的融合既滿(mǎn)足直觀(guān)形象的三維地形分析需求，又有傳統(tǒng)的等高線(xiàn)作為輔助，對(duì)于平坦的大場(chǎng)區(qū)設(shè)計(jì)十分方便[1]。

圖1 數(shù)字化地形等高線(xiàn)分析

2.2 風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化BIM模型

本項(xiàng)目采用標(biāo)準(zhǔn)化的BIM模型進(jìn)行建模。BIM建模采用UDF模塊進(jìn)行參數(shù)化建模，如風(fēng)電場(chǎng)設(shè)計(jì)采用的架空線(xiàn)路模型，采用線(xiàn)路懸鏈線(xiàn)模型，線(xiàn)路導(dǎo)線(xiàn)的應(yīng)力、荷載、風(fēng)速、導(dǎo)線(xiàn)直徑等參數(shù)均可以由設(shè)計(jì)人員結(jié)合項(xiàng)目情況自主設(shè)置。線(xiàn)路方程如下：

相關(guān)架空線(xiàn)路的桿塔布置采用參數(shù)化表格自動(dòng)控制，通過(guò)Office數(shù)據(jù)導(dǎo)入，桿塔布置可以實(shí)現(xiàn)5s內(nèi)生成整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的所有架空線(xiàn)路的生成。項(xiàng)目采用經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的仿真算法，所建模型的參數(shù)可以依據(jù)不同的工作環(huán)境進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)對(duì)于其他相關(guān)自動(dòng)化設(shè)計(jì)手段的復(fù)核性校驗(yàn)。

項(xiàng)目建模通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)化的模板，配合設(shè)計(jì)業(yè)務(wù)流程的設(shè)計(jì)規(guī)則，就可以形成標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)流程。根據(jù)實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)對(duì)比，這種方法可以提高2倍以上的速度。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)化的BIM仿真模型

2.3 黃河行洪對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)影響的動(dòng)態(tài)化分析

由于本項(xiàng)目位于黃河下游灘區(qū)，項(xiàng)目工程建設(shè)及運(yùn)維中需要考慮黃河行洪對(duì)場(chǎng)區(qū)的影響。

根據(jù)《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項(xiàng)目技術(shù)審查標(biāo)準(zhǔn)》第十條規(guī)定，設(shè)計(jì)洪水除滿(mǎn)足建設(shè)項(xiàng)目自身防洪標(biāo)準(zhǔn)外，還應(yīng)與建設(shè)項(xiàng)目所在河段的防洪及水電工程標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)，水位流量關(guān)系應(yīng)與建設(shè)項(xiàng)目所在河段的防洪及水電工程標(biāo)準(zhǔn)相協(xié)調(diào)。風(fēng)電場(chǎng)工程洪水設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及洪水位確定時(shí)，考慮與所在河段的防洪要求相協(xié)調(diào)。

風(fēng)電場(chǎng)工程上端距離上游夾河灘水文站27.8km，下端距離下游石頭莊水位站12.4km。工程河段的設(shè)防流量為21500～21200m3/s，50年一遇洪水流量為11700～11200m3/s，30年一遇洪水流量為11200～11100m3/s。根據(jù)本項(xiàng)目防洪影響評(píng)價(jià)報(bào)告，長(zhǎng)垣惱里風(fēng)電項(xiàng)目工程首尾端設(shè)防流向下水位見(jiàn)表1。

壅水分析采用平面二維數(shù)學(xué)模型的控制方程進(jìn)行分析：

表1 長(zhǎng)垣惱里風(fēng)電項(xiàng)目工程首尾端設(shè)防流向下水位表(單位：m)

水流連續(xù)方程：

水流動(dòng)量方程：

利用CATIA 3DE設(shè)計(jì)平臺(tái)，結(jié)合規(guī)劃專(zhuān)業(yè)提供的防洪影響評(píng)價(jià)報(bào)告，通過(guò)自主開(kāi)發(fā)的功能模塊，可以仿真的是不同高度的洪水水位在場(chǎng)區(qū)的淹沒(méi)情況。設(shè)計(jì)人員也可選取任意一臺(tái)風(fēng)機(jī)進(jìn)行了放大顯示，可以看到水位的上升。在這種數(shù)字化手段下，場(chǎng)區(qū)的受影響程度可以一目了然，也為風(fēng)機(jī)的機(jī)位選擇、項(xiàng)目建設(shè)及運(yùn)行決策提供輔助性支撐。

圖3 66.9m洪水位對(duì)于場(chǎng)區(qū)的影響

圖4 67.9m洪水位對(duì)于場(chǎng)區(qū)的影響

2.4 BIM智能化風(fēng)力發(fā)電升壓站設(shè)計(jì)

風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的升壓變電站設(shè)計(jì)，通過(guò)使用REVIT BIM智能化設(shè)計(jì)平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)建筑三維配筋，二維三維聯(lián)動(dòng)的建筑結(jié)構(gòu)出圖，自動(dòng)核算混凝土、鋼筋工程量。REVIT還可以動(dòng)態(tài)化實(shí)現(xiàn)以供電回路為單位的建筑照明計(jì)算，采用三維模型模擬照度計(jì)算，統(tǒng)計(jì)電氣元件、電纜工程量，實(shí)現(xiàn)綜合樓內(nèi)電氣設(shè)備埋管碰撞檢測(cè)。本項(xiàng)目相關(guān)材料清單也可以一鍵生成。

圖5 風(fēng)電場(chǎng)升壓站BIM設(shè)計(jì)效果

3 風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計(jì)技術(shù)創(chuàng)新及優(yōu)勢(shì)

國(guó)電投長(zhǎng)垣惱里90MW風(fēng)電場(chǎng)BIM智能化設(shè)計(jì)具有如下創(chuàng)新：

一是利用CAITA 3DE平臺(tái)進(jìn)行大尺度風(fēng)電場(chǎng)地形處理。本項(xiàng)目場(chǎng)區(qū)范圍近40km2，利用CATIA 3DE平臺(tái)進(jìn)行大尺度地形體處理，并利用其中最新的地形處理模塊，實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)區(qū)的精細(xì)化處理，為地形的開(kāi)挖工程量核算提供了基礎(chǔ)。

二是結(jié)合相關(guān)公式、數(shù)據(jù)，首次實(shí)現(xiàn)相關(guān)BIM參數(shù)化模型的建立及應(yīng)用。架空線(xiàn)路、風(fēng)機(jī)機(jī)組、戶(hù)外變配電設(shè)備等設(shè)備全部實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，相關(guān)BIM參數(shù)化模型成果亦可應(yīng)用于后續(xù)其他風(fēng)力發(fā)電相關(guān)項(xiàng)目。

三是實(shí)現(xiàn)了通過(guò)BIM手段實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場(chǎng)區(qū)受黃河行洪影響的動(dòng)態(tài)分析。通過(guò)BIM設(shè)計(jì)手段，可以實(shí)現(xiàn)仿真不同洪水位高度對(duì)于場(chǎng)區(qū)的淹沒(méi)影響。

四是實(shí)現(xiàn)了基于Revit與CATIA 3DE軟件融合方式下的聯(lián)合BIM設(shè)計(jì)。通過(guò)中間IFC文件接口，實(shí)現(xiàn)了Revit與CATIA軟件的融合，聯(lián)合實(shí)施升壓變電站設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了升壓變電站的照明智能化設(shè)計(jì)、建筑智能化設(shè)計(jì)、管線(xiàn)智能化設(shè)計(jì)、景觀(guān)智能化設(shè)計(jì)[2]。

風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于利用數(shù)字化設(shè)計(jì)手段，針對(duì)國(guó)電投長(zhǎng)垣惱里90MW風(fēng)電場(chǎng)工程的眾多特點(diǎn)、難點(diǎn)，采用精細(xì)化、快速化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，大幅提高設(shè)計(jì)感。同時(shí)，利用動(dòng)態(tài)化的手段，突破了以往二維平面設(shè)計(jì)不夠直觀(guān)形象的特點(diǎn)，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)全建設(shè)生命周期內(nèi)的每個(gè)階段都進(jìn)行設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)實(shí)踐比較，本次利用風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計(jì)方式，可節(jié)約設(shè)計(jì)周期30%左右，同時(shí)提高相關(guān)設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度10%以上。與此同時(shí)，本方案也可以有效降低施工交底難度和提高施工效率。

4 結(jié)語(yǔ)

在國(guó)電投長(zhǎng)垣惱里90MW風(fēng)電場(chǎng)工程項(xiàng)目中，通過(guò)詳細(xì)分析和反復(fù)探索，采用風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計(jì)。本成果的優(yōu)點(diǎn)在于采用精細(xì)化、快速化、標(biāo)準(zhǔn)化的設(shè)計(jì)，在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，大幅提高設(shè)計(jì)感。同時(shí)，可利用動(dòng)態(tài)化的手段，突破了以往二維平面設(shè)計(jì)不夠直觀(guān)形象的特點(diǎn)，針對(duì)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)全建設(shè)生命周期內(nèi)的每個(gè)階段都進(jìn)行設(shè)計(jì)。風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計(jì)手段了保證國(guó)電投長(zhǎng)垣惱里90MW風(fēng)電場(chǎng)工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作的可靠性、安全性及經(jīng)濟(jì)性，該成果的成功運(yùn)行可為其他工程設(shè)計(jì)借鑒。