邸南思

(上?？睖y設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200335)

我國“十二五”、“十三五”期間海上風(fēng)電場建設(shè)逐漸增多，相關(guān)的規(guī)范、技術(shù)研究呈井噴式發(fā)展，隨著平價(jià)上網(wǎng)時(shí)代的到來，勘察設(shè)計(jì)、建設(shè)應(yīng)盡快改變粗放式發(fā)展局面，對相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工工藝開展系統(tǒng)性、精細(xì)化研究。技術(shù)人員以往更多的關(guān)注基礎(chǔ)及塔架設(shè)計(jì)，而對附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)探索不足，附屬結(jié)構(gòu)包括內(nèi)外平臺(tái)、靠泊、海纜管、爬梯及欄桿、吊機(jī)支撐結(jié)構(gòu)等[1]，通常是與人或設(shè)備直接接觸的部位，除結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足要求外，還需考慮人機(jī)工程學(xué)及美觀性。

基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)作為海上風(fēng)電附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要一部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足風(fēng)機(jī)廠家接口設(shè)計(jì)要求，同時(shí)為檢修及運(yùn)維提供必要的空間。研究3種典型的海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)形式，為實(shí)現(xiàn)不同基礎(chǔ)直徑內(nèi)平臺(tái)參數(shù)化設(shè)計(jì)打下基礎(chǔ)。類比分析的方法也可橫向拓展到其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，明確不同結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)劣，為優(yōu)化設(shè)計(jì)指明方向。

1 基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

海上風(fēng)電機(jī)組通常由塔頭(風(fēng)輪與機(jī)艙)、塔架和基礎(chǔ)三大部分組成[2]，以目前企業(yè)合作模式看設(shè)計(jì)分工，塔頭及塔架由風(fēng)機(jī)主機(jī)廠設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)由設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，塔架與基礎(chǔ)之間采用法蘭連接。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)一般位于基礎(chǔ)頂法蘭面以下1.0～1.5 m的高程區(qū)間，便于施工人員站立于內(nèi)平臺(tái)上緊固基礎(chǔ)頂法蘭與塔架底法蘭的連接螺栓。內(nèi)平臺(tái)上通常承載多種電氣、監(jiān)測設(shè)備，如變壓器、基礎(chǔ)監(jiān)測柜、有害氣體風(fēng)機(jī)等，除此之外往往還設(shè)有電纜支架、人行爬梯、滅火器、接地塊、檢修孔、吊物孔等，在有限的空間將設(shè)備合理擺放，同時(shí)保證內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度與材料經(jīng)濟(jì)性，可謂是螺絲殼里做道場，非常考驗(yàn)設(shè)計(jì)工程師的空間布局能力。在類比分析三種典型結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)之前，首先討論一下內(nèi)平臺(tái)設(shè)計(jì)普適性的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

1)設(shè)備擺放及接口形式。內(nèi)平臺(tái)設(shè)計(jì)首先應(yīng)明確設(shè)備擺放的位置、接口形式以及設(shè)備荷載。設(shè)計(jì)及制作時(shí)均應(yīng)以塔筒門方位為定位基準(zhǔn)，劃線標(biāo)記，所有設(shè)備平面布置根據(jù)塔筒門逆時(shí)針或順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角度加以定位。在以往工程中由于制造時(shí)未事先標(biāo)記塔筒門方位，塔架與基礎(chǔ)海上拼裝時(shí)，很容易造成內(nèi)部設(shè)備接口位置不對應(yīng)。例如，從塔架平臺(tái)下到基礎(chǔ)平臺(tái)的豎直爬梯，無法落于預(yù)先焊接在基礎(chǔ)平臺(tái)的爬梯底座上，現(xiàn)場臨時(shí)修改對安裝工期造成延誤。各設(shè)備與底座的連接接口盡量采用螺栓或J型夾等非焊接方式，避免焊接引起電氣設(shè)備失火風(fēng)險(xiǎn)，且現(xiàn)場焊接造成原有防腐涂層的破壞，現(xiàn)場補(bǔ)涂防腐涂層由于施工環(huán)境較差，往往達(dá)不到廠內(nèi)防腐的質(zhì)量，也成為運(yùn)行期首先開始腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。設(shè)備荷載由相關(guān)設(shè)備廠家提供，未堆放設(shè)備的區(qū)域根據(jù)風(fēng)機(jī)廠家運(yùn)維需求確定，一般按4 kN/m2均布荷載考慮。

2)電纜走向。海底電纜經(jīng)過J型管進(jìn)入基礎(chǔ)(或塔架)內(nèi)部后，為預(yù)留一段電纜長度，電纜可直接在基礎(chǔ)平臺(tái)上盤繞，或在相應(yīng)電纜支架上盤繞。在基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)運(yùn)維空間規(guī)劃上應(yīng)充分考慮不與電纜盤繞產(chǎn)生干涉。照明、監(jiān)測等電氣設(shè)備的走線及開孔也應(yīng)充分考慮美觀及運(yùn)維需求。

3)安全設(shè)施。內(nèi)平臺(tái)設(shè)計(jì)中需充分考慮設(shè)備安全及人身安全：①為內(nèi)平臺(tái)上儀器設(shè)置可靠的接地塊，儀器與內(nèi)平臺(tái)連接，內(nèi)平臺(tái)與基礎(chǔ)連接，從而避免雷電危害。②在內(nèi)平臺(tái)上配備滅火器，防止內(nèi)部電氣電纜火災(zāi)。③內(nèi)平臺(tái)上開孔應(yīng)設(shè)置有效遮擋蓋板或防護(hù)欄桿，防止運(yùn)維人員跌落風(fēng)險(xiǎn)[3]。④單樁基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)下方直接通到海床面，內(nèi)平臺(tái)上所有縫隙需密封處理，避免基礎(chǔ)內(nèi)沼氣流竄到內(nèi)平臺(tái)上方，給運(yùn)維人員帶來窒息風(fēng)險(xiǎn)。有條件可在內(nèi)平臺(tái)上方配備有害氣體排出風(fēng)機(jī)，將內(nèi)平臺(tái)下方沼氣通過風(fēng)機(jī)管道排放到外部。

4)防腐蝕設(shè)計(jì)。內(nèi)平臺(tái)防腐蝕設(shè)計(jì)年限應(yīng)與風(fēng)電機(jī)組的設(shè)計(jì)使用年限相匹配，一般內(nèi)平臺(tái)采用鍍鋅加油漆防腐，但需注意其中的接地塊、接地螺柱等接地件僅采用鍍鋅防腐，不加涂層。

2 三種典型結(jié)構(gòu)對比分析

風(fēng)機(jī)塔架內(nèi)也設(shè)有承載設(shè)備的內(nèi)平臺(tái)，塔架內(nèi)平臺(tái)與基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)有很多相似點(diǎn)，但也存在明顯差異。其中最大的差異點(diǎn)在于基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)位于連接法蘭下方，根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)，法蘭內(nèi)徑一般比基礎(chǔ)直徑小500～800 mm，為保證基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)能順利吊裝到基礎(chǔ)內(nèi)部，需要將內(nèi)平臺(tái)分塊安裝。根據(jù)分塊形式的不同，將基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)分為環(huán)板式內(nèi)平臺(tái)、分片式內(nèi)平臺(tái)、整體式內(nèi)平臺(tái)三種形式，三種形式的名稱由本文作者首次提出，僅為便于后續(xù)分析方便。

2.1 環(huán)板式內(nèi)平臺(tái)

環(huán)板式內(nèi)平臺(tái)主體結(jié)構(gòu)為梁系同層布置的焊接板梁結(jié)構(gòu)，由內(nèi)圈圓型模塊和外圈環(huán)板組成。內(nèi)平臺(tái)支撐件包括下層牛腿和上層圈板，均需預(yù)先焊接于基礎(chǔ)內(nèi)壁。內(nèi)平臺(tái)圓形模塊支撐于牛腿上，定位準(zhǔn)確后，通過螺栓與牛腿連接，再安裝外圈環(huán)板。環(huán)板式內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)拆解如圖1所示。

圖1 環(huán)板式內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)拆解視圖

圓形模塊邊緣處直徑需小于基礎(chǔ)頂法蘭內(nèi)徑100～200 mm，以便于吊裝。背側(cè)梁系典型布置采用工字鋼拼接成兩個(gè)方框錯(cuò)位45°重合在一起，方框尖角位置對應(yīng)牛腿方向，方框內(nèi)側(cè)可根據(jù)承載重物位置調(diào)整。環(huán)板分為若干片，環(huán)板外圈搭接于上層圈板上，內(nèi)圈搭接于圓形模塊邊緣，均通過螺栓連接。環(huán)板安裝大樣圖見圖2。

圖2 環(huán)板安裝大樣圖

環(huán)板式內(nèi)平臺(tái)由梁系承擔(dān)主要荷載，受力情況良好?，F(xiàn)場吊裝過程只需將內(nèi)圈圓形模塊吊裝到位，外圈環(huán)板較輕人工可搬運(yùn)，占用吊機(jī)時(shí)間短，可有效縮短安裝周期。

但支撐內(nèi)平臺(tái)的牛腿尺寸較大，由于內(nèi)圈圓形模塊較基礎(chǔ)頂法蘭尺寸小，牛腿焊接于基礎(chǔ)內(nèi)壁，需增大懸挑長度及板厚滿足承載需求。設(shè)置牛腿及圈板兩層焊接件，且環(huán)板安裝螺栓較多，均需與對應(yīng)部件配鉆，提高了加工精度要求。

2.2 分片式內(nèi)平臺(tái)

分片式內(nèi)平臺(tái)由型鋼組合梁作為主受力框架，上方鋪設(shè)格柵板，型鋼支撐于焊接在樁基礎(chǔ)內(nèi)壁的牛腿上，型鋼與牛腿、型鋼與型鋼之間均采用螺栓連接，型鋼梁的位置根據(jù)支架或承載重物的位置調(diào)整。分片式內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)拆解如圖3所示。

圖3 分片式內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)拆解視圖

分片式內(nèi)平臺(tái)焊接工作量少，加工簡單快捷。對于需在內(nèi)平臺(tái)上開設(shè)較多孔洞的情況，設(shè)計(jì)簡單，按需要調(diào)整梁系位置即可。采用單層牛腿支撐，牛腿外伸尺寸小，牛腿工程量較小。

安裝時(shí)需先將貫穿主梁安裝于牛腿上，其它型鋼梁再逐根拼接，現(xiàn)場拼裝所需時(shí)間較長。對于單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)沒有安裝平臺(tái)，現(xiàn)場操作不便利，而且采用格柵鋪裝無法隔絕單樁基礎(chǔ)下部有害氣體，因此分片式內(nèi)平臺(tái)不適合應(yīng)用于單樁風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)中。

2.3 整體式內(nèi)平臺(tái)

整體式內(nèi)平臺(tái)由圓形厚鋼板和背側(cè)少量肋板焊接組成，厚鋼板直接支撐于預(yù)焊接在基礎(chǔ)內(nèi)壁的圈板上，與圈板通過螺栓連接。整體式內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)拆解如圖4所示。

圖4 整體式內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)拆解視圖

整體式內(nèi)平臺(tái)的優(yōu)勢在于其結(jié)構(gòu)簡單，加工制造工作量小，且只需一次吊裝，方便快捷。對于需在內(nèi)平臺(tái)上開設(shè)較多孔洞的情況，孔洞不易與肋板位置發(fā)生干涉，設(shè)計(jì)簡單。

但整體式內(nèi)平臺(tái)由于主要受力構(gòu)件是面板，面板邊緣較易產(chǎn)生應(yīng)力集中，因此不適合擺放較重設(shè)備，會(huì)造成工程量過大。預(yù)先焊接于基礎(chǔ)內(nèi)壁的圈板寬度較大(圈板內(nèi)徑需小于基礎(chǔ)頂法蘭內(nèi)徑300～500 mm)，圈板下方需設(shè)肋板支撐，整體工程量較大。

2.4 對比分析

本文所介紹的3種內(nèi)平臺(tái)形式涵蓋了目前主流的設(shè)計(jì)思路，其它結(jié)構(gòu)形式的內(nèi)平臺(tái)基本也都可在此3種形式的基礎(chǔ)上演變而來。通過對三種形式內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的分析，明確了不同形式內(nèi)平臺(tái)的優(yōu)缺點(diǎn)，以及更適合應(yīng)用的場合，見表1。

表1 三種內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)對比分析表

由此可見，未來風(fēng)機(jī)內(nèi)平臺(tái)發(fā)展方向主要集中在以下幾個(gè)方面：①輕量化。例如，國外風(fēng)電場項(xiàng)目中幾年前已出現(xiàn)用玻璃鋼代替普通鍍鋅鋼的內(nèi)平臺(tái)，隨著我國玻璃鋼拉擠制品制造的自動(dòng)化程度提高，產(chǎn)品質(zhì)量日趨穩(wěn)定，產(chǎn)品價(jià)格達(dá)到合理區(qū)間，用玻璃鋼材料制作的內(nèi)平臺(tái)也在個(gè)別項(xiàng)目中有所運(yùn)用。玻璃鋼密度約為普通鋼材的1/4，輕質(zhì)高強(qiáng)，且具有良好的耐腐蝕性，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)且易于安裝，這些都為其在海上風(fēng)電市場的應(yīng)用帶來廣闊前景。未來隨著更多新材料的出現(xiàn)，內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)的不斷優(yōu)化，輕量化將是內(nèi)平臺(tái)發(fā)展必由之路。②安裝便利化，或稱為模塊化。尤其對于海上風(fēng)電場，降低船只租賃費(fèi)用以及人員現(xiàn)場作業(yè)時(shí)間可大幅縮減施工成本，這就要求內(nèi)平臺(tái)安裝便捷，甚至可以作為樁體的一部分共同沉樁。③低運(yùn)維化。內(nèi)平臺(tái)的運(yùn)行維護(hù)主要體現(xiàn)在由于海洋環(huán)境或大氣腐蝕造成的材料損耗，以及在波浪、船舶撞擊等力的作用下產(chǎn)生的螺栓松動(dòng)，選用更耐腐蝕的材料、有效的防松措施可降低運(yùn)維成本，保障使用年限。

3 參數(shù)化建模應(yīng)用

基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)參數(shù)化建?；趕olidworks軟件的尺寸驅(qū)動(dòng)機(jī)制，通過“配置”以及“設(shè)計(jì)表”功能實(shí)現(xiàn)變參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。參數(shù)化模型與普通模型相比，增加了具有參數(shù)驅(qū)動(dòng)功能的系列零件設(shè)計(jì)表和方程式(見圖5)。

圖5 建立參數(shù)化模型

基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)按照前述3種典型結(jié)構(gòu)加以分類，每個(gè)類型中梁肋位置拓?fù)潢P(guān)系相對穩(wěn)定，從而可提取約束參數(shù)加以定義。以環(huán)板式內(nèi)平臺(tái)為例，建立參數(shù)化模型。

3.1 繪制幾何模型

繪制普通模型，關(guān)鍵是約束圖形的幾何特征，即保證連續(xù)、相切、垂直、平行等關(guān)系不變。在保證關(guān)系不變的前提下，對各個(gè)尺寸數(shù)值進(jìn)行完全約束，為后續(xù)添加方程式提供條件。幾何模型的建立采用自頂向下的建模方式，將關(guān)鍵尺寸及主要的位置關(guān)系在草圖層加以約束，見圖6。

圖6 定義草圖幾何關(guān)系

3.2 增加方程式

SolidWorks中方程式的應(yīng)用主要是以表達(dá)式的形式將其草圖或特征的尺寸轉(zhuǎn)化為參數(shù)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)。它能在零件的結(jié)構(gòu)特征設(shè)計(jì)中控制尺寸參數(shù)之間的數(shù)量關(guān)系，使尺寸能在一定范圍之內(nèi)，快速的根據(jù)設(shè)計(jì)要求調(diào)整尺寸參數(shù)[4]。此外還可以利用方程式來添加全局變量和有條件的設(shè)置特征的壓縮狀態(tài)。對于環(huán)板式內(nèi)平臺(tái)，主參數(shù)為基礎(chǔ)直徑，從而可建立內(nèi)圈直徑、方形框長度等參數(shù)與基礎(chǔ)直徑的關(guān)聯(lián)方程式，如表2所示。

表2 增加方程式

3.3 系列化設(shè)計(jì)表應(yīng)用

SolidWorks的配置功能可以開發(fā)和管理一組有著不同尺寸、零部件或者其他參數(shù)的模型，運(yùn)用配置可以在單一的文件中對零件或者裝配體生成多個(gè)設(shè)計(jì)變化。而在SolidWorks中系列零件設(shè)計(jì)表是生成配置的非常好的方法[5]。借助嵌入的Microsoft Excel文件表格，設(shè)定不同基礎(chǔ)直徑下內(nèi)平臺(tái)相關(guān)參數(shù)，可以生成多個(gè)不同配置的內(nèi)平臺(tái)模型，見圖7。

圖7 利用設(shè)計(jì)表生成多種配置

為普通模型添加方程式和系列零件設(shè)計(jì)表，即可將普通模型轉(zhuǎn)化成參數(shù)化模型。參數(shù)化設(shè)計(jì)則是在參數(shù)化模型基礎(chǔ)上通過編寫窗口程序，實(shí)現(xiàn)參數(shù)驅(qū)動(dòng)的界面化。應(yīng)用SolidWorks軟件對海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)可以高效、快捷的生成系列產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)快速出圖的目標(biāo)。一次建?？芍貜?fù)利用，存儲(chǔ)一個(gè)文件可生成不同規(guī)格模型，讓以后的設(shè)計(jì)工作高效省力。

4 結(jié) 語

海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)作為風(fēng)機(jī)內(nèi)部重要的承載部件，設(shè)計(jì)過程需要注意設(shè)備擺放方位及接口形式、電纜走向、安全設(shè)施配備以及防腐蝕設(shè)計(jì)。通過對海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)內(nèi)平臺(tái)三種典型結(jié)構(gòu)對比分析，闡述了不同形式內(nèi)平臺(tái)在施工及安裝過程中的優(yōu)勢及不足，明確了更適宜使用的條件及場合，在后續(xù)內(nèi)平臺(tái)設(shè)計(jì)中可直接使用，也為相關(guān)衍生形式內(nèi)平臺(tái)設(shè)計(jì)提供參考。內(nèi)平臺(tái)未來將朝著輕量化、模塊化、低運(yùn)維化方向發(fā)展，這也要求設(shè)計(jì)更高效快捷，參數(shù)化要求應(yīng)運(yùn)而生。將內(nèi)平臺(tái)結(jié)構(gòu)分類，每一種類型內(nèi)平臺(tái)梁系布置拓?fù)潢P(guān)

系相對穩(wěn)定，是建立參數(shù)化模型的基礎(chǔ)。應(yīng)用Solid-Works軟件的“配置”及“設(shè)計(jì)表”功能生成不同基礎(chǔ)直徑下內(nèi)平臺(tái)系列產(chǎn)品，可實(shí)現(xiàn)一次建模重復(fù)利用，提高設(shè)計(jì)效率。