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

1 國電投長垣惱里90MW風(fēng)電場項目概況

1.1 項目概況

國電投長垣惱里90MW風(fēng)電場工程場址位于河南省長垣縣惱里鎮(zhèn)黃河倒灌區(qū)內(nèi)，距離長垣縣15.0km，海拔高程為60～80m。本工程總裝機容量為90MW，設(shè)計安裝28臺單機容量為3000kW風(fēng)電機組，另選4臺機位點作為備選機位，通過4條架空線路（總長約28km）接至新建的110kV升壓變電站。項目擬建設(shè)一座110kV升壓站，單回架空線送出。本風(fēng)電場工程年上網(wǎng)電量19793.22萬kWh，年等效滿負荷小時數(shù)2199h，平均容量系數(shù)為0.251。

該項目建設(shè)場區(qū)范圍約40萬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21.12km的貫孟堤，貫孟堤末端姜堂至長垣孟崗有長約8km的缺口，形成封丘倒灌區(qū)的倒灌口門，歷史上曾發(fā)生多次大洪水的倒灌。本次項目設(shè)計實施過程中，項目場區(qū)的防洪影響評價成為本項目的設(shè)計先置文件。

本項目設(shè)計裝機容量90MW，按照《風(fēng)電場工程等級劃分及設(shè)計安全標準（試行）》（FD002-2007），風(fēng)電場建設(shè)規(guī)模等級劃分為中型。電站需根據(jù)風(fēng)電場場址的地形、交通運輸情況、風(fēng)資源條件和風(fēng)況特征，結(jié)合國內(nèi)外商品化風(fēng)電機組的制造水平、技術(shù)成熟程度以及風(fēng)電機組本地化率的要求，進行風(fēng)電場機組型式選擇。本工程全場共28臺3MW風(fēng)機，采用一機一變單元接線方式，每臺風(fēng)電機組配置1座箱式變壓器，風(fēng)機電纜經(jīng)過風(fēng)機基礎(chǔ)引至附近箱式變壓器低壓側(cè)，通過箱式變壓器就地升壓至35kV，通過35kV集電線路接入110kV風(fēng)電場升壓站的35kV母線。風(fēng)電場升壓站35kV母線側(cè)采用單母線接線形式，設(shè)置1回出線，通過共箱母線與主變壓器相連。

1.2 項目特點

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

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

2.1 場區(qū)數(shù)字化地形分析

風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計技術(shù)方案，可根據(jù)相關(guān)專業(yè)提供的測繪資料對項目場區(qū)進行數(shù)字化地形分析，主要有數(shù)字化地形高程圖譜分析、數(shù)字化地形等高線分析和精細化地形體生成，并可以對地形資料中的細微錯誤進行軟件自動修復(fù)。項目經(jīng)過反復(fù)研究，采用CATIA 3DE平臺Digitized Shape Editor（DSE）、Shape Sculptor、Quick Surface Reconstruction（QSR）模 塊 進 行CAD點 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)換成曲面等建立場區(qū)實際地形模型。多種分析手段的融合既滿足直觀形象的三維地形分析需求，又有傳統(tǒng)的等高線作為輔助，對于平坦的大場區(qū)設(shè)計十分方便[1]。

圖1 數(shù)字化地形等高線分析

2.2 風(fēng)力發(fā)電場標準化BIM模型

本項目采用標準化的BIM模型進行建模。BIM建模采用UDF模塊進行參數(shù)化建模，如風(fēng)電場設(shè)計采用的架空線路模型，采用線路懸鏈線模型，線路導(dǎo)線的應(yīng)力、荷載、風(fēng)速、導(dǎo)線直徑等參數(shù)均可以由設(shè)計人員結(jié)合項目情況自主設(shè)置。線路方程如下：

相關(guān)架空線路的桿塔布置采用參數(shù)化表格自動控制，通過Office數(shù)據(jù)導(dǎo)入，桿塔布置可以實現(xiàn)5s內(nèi)生成整個風(fēng)電場的所有架空線路的生成。項目采用經(jīng)過驗證的仿真算法，所建模型的參數(shù)可以依據(jù)不同的工作環(huán)境進行修改，實現(xiàn)對于其他相關(guān)自動化設(shè)計手段的復(fù)核性校驗。

項目建模通過采用標準化的模板，配合設(shè)計業(yè)務(wù)流程的設(shè)計規(guī)則，就可以形成標準的設(shè)計流程。根據(jù)實際操作經(jīng)驗對比，這種方法可以提高2倍以上的速度。

圖2 標準化的BIM仿真模型

2.3 黃河行洪對于風(fēng)電場影響的動態(tài)化分析

由于本項目位于黃河下游灘區(qū)，項目工程建設(shè)及運維中需要考慮黃河行洪對場區(qū)的影響。

根據(jù)《黃河河道管理范圍內(nèi)建設(shè)項目技術(shù)審查標準》第十條規(guī)定，設(shè)計洪水除滿足建設(shè)項目自身防洪標準外，還應(yīng)與建設(shè)項目所在河段的防洪及水電工程標準相協(xié)調(diào)，水位流量關(guān)系應(yīng)與建設(shè)項目所在河段的防洪及水電工程標準相協(xié)調(diào)。風(fēng)電場工程洪水設(shè)計標準及洪水位確定時，考慮與所在河段的防洪要求相協(xié)調(diào)。

風(fēng)電場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)本項目防洪影響評價報告，長垣惱里風(fēng)電項目工程首尾端設(shè)防流向下水位見表1。

壅水分析采用平面二維數(shù)學(xué)模型的控制方程進行分析：

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

水流連續(xù)方程：

水流動量方程：

利用CATIA 3DE設(shè)計平臺，結(jié)合規(guī)劃專業(yè)提供的防洪影響評價報告，通過自主開發(fā)的功能模塊，可以仿真的是不同高度的洪水水位在場區(qū)的淹沒情況。設(shè)計人員也可選取任意一臺風(fēng)機進行了放大顯示，可以看到水位的上升。在這種數(shù)字化手段下，場區(qū)的受影響程度可以一目了然，也為風(fēng)機的機位選擇、項目建設(shè)及運行決策提供輔助性支撐。

圖3 66.9m洪水位對于場區(qū)的影響

圖4 67.9m洪水位對于場區(qū)的影響

2.4 BIM智能化風(fēng)力發(fā)電升壓站設(shè)計

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

圖5 風(fēng)電場升壓站BIM設(shè)計效果

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

國電投長垣惱里90MW風(fēng)電場BIM智能化設(shè)計具有如下創(chuàng)新：

一是利用CAITA 3DE平臺進行大尺度風(fēng)電場地形處理。本項目場區(qū)范圍近40km2，利用CATIA 3DE平臺進行大尺度地形體處理，并利用其中最新的地形處理模塊，實現(xiàn)了場區(qū)的精細化處理，為地形的開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)，首次實現(xiàn)相關(guān)BIM參數(shù)化模型的建立及應(yīng)用。架空線路、風(fēng)機機組、戶外變配電設(shè)備等設(shè)備全部實現(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)項目。

三是實現(xiàn)了通過BIM手段實現(xiàn)風(fēng)電場區(qū)受黃河行洪影響的動態(tài)分析。通過BIM設(shè)計手段，可以實現(xiàn)仿真不同洪水位高度對于場區(qū)的淹沒影響。

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

風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計的優(yōu)點在于利用數(shù)字化設(shè)計手段，針對國電投長垣惱里90MW風(fēng)電場工程的眾多特點、難點，采用精細化、快速化、標準化的設(shè)計，在提升生產(chǎn)效率的同時，大幅提高設(shè)計感。同時，利用動態(tài)化的手段，突破了以往二維平面設(shè)計不夠直觀形象的特點，針對風(fēng)力發(fā)電場全建設(shè)生命周期內(nèi)的每個階段都進行設(shè)計。經(jīng)過實踐比較，本次利用風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計方式，可節(jié)約設(shè)計周期30%左右，同時提高相關(guān)設(shè)計準確度10%以上。與此同時，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

在國電投長垣惱里90MW風(fēng)電場工程項目中，通過詳細分析和反復(fù)探索，采用風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計。本成果的優(yōu)點在于采用精細化、快速化、標準化的設(shè)計，在提升生產(chǎn)效率的同時，大幅提高設(shè)計感。同時，可利用動態(tài)化的手段，突破了以往二維平面設(shè)計不夠直觀形象的特點，針對風(fēng)力發(fā)電場全建設(shè)生命周期內(nèi)的每個階段都進行設(shè)計。風(fēng)力發(fā)電BIM智能化設(shè)計手段了保證國電投長垣惱里90MW風(fēng)電場工程項目設(shè)計工作的可靠性、安全性及經(jīng)濟性，該成果的成功運行可為其他工程設(shè)計借鑒。