晁孌孌CHAO Luan-luan；呂村LV Cun

（①菏澤城建工程發(fā)展集團(tuán)有限公司，菏澤274000；②青島工學(xué)院建筑工程學(xué)院，青島266300）

0 引言

我國海上風(fēng)電發(fā)展?jié)摿薮?，截?022 年，海上風(fēng)電裝機(jī)容量已達(dá)30GW，成為了僅次于英國和德國的全球海上風(fēng)電裝機(jī)容量的第三大國[1]。發(fā)展海上風(fēng)電是我國“十四五”新能源開發(fā)的重要方向，符合國家的重大發(fā)展戰(zhàn)略目標(biāo)和方向，同時可緩解環(huán)境污染、能源緊缺等問題，尤其可以緩解沿海發(fā)達(dá)地區(qū)長期的用電緊張局面[2]。海上環(huán)境復(fù)雜多樣，如海床地質(zhì)結(jié)構(gòu)及海床表面地形的多樣性，風(fēng)荷載、洋流荷載和波浪荷載的聯(lián)合作用，以及洋流沖刷導(dǎo)致的海床表面地形變化等，從而影響海上風(fēng)電場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的承載性能與穩(wěn)定性。海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性又是海上風(fēng)機(jī)正常運行至關(guān)重要的組成部分。目前，海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式主要大直徑單樁基礎(chǔ)、群樁基金、重力式基礎(chǔ)以及吸力基礎(chǔ)。大直徑單樁及群樁基礎(chǔ)的安裝需要重型的打樁設(shè)備，使其只能適用于淺海區(qū)域，而重力式基礎(chǔ)由鋼筋混凝土澆筑而成，依靠其自身的重力來承載，需要由大型拖船托運至預(yù)定的海域海床現(xiàn)場吊裝，基礎(chǔ)吊裝前還需要平整海床地基，因此施工造價較高，且基礎(chǔ)只能適用于淺水區(qū)[3-4]。此外，大直徑樁基礎(chǔ)、群樁基金及重力式基礎(chǔ)在服役期滿（一般為25 年）后無法移除或回收，造成風(fēng)電風(fēng)機(jī)服役接受后風(fēng)場棄置現(xiàn)象，造成資源浪費。吸力基礎(chǔ)是一種新型的海上風(fēng)場風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)形式，因其鋼材用量及工程造價低、施工安裝簡單、服役期滿可回收利用等優(yōu)點備受關(guān)注，當(dāng)前已投入工程實踐使用。吸力基礎(chǔ)最早應(yīng)用于海洋油氣平臺的基礎(chǔ)和錨固漂浮結(jié)構(gòu)物[5]，近年來被用作海上風(fēng)電塔架、測風(fēng)塔以、升壓站基礎(chǔ)等，尤其適合應(yīng)用于深海海域。

隨著新一輪科技創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)變革進(jìn)程的推進(jìn)，建筑信息模型技術(shù)（building information model，簡稱BIM）在風(fēng)電場基礎(chǔ)工程的應(yīng)用開始被發(fā)掘。如Chao[6]介紹了BIM 在綠色能源風(fēng)能和地?zé)崮艿裙こ涕_發(fā)上的應(yīng)用；劉占省[7]將BIM 技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工過程中，尹碩[8]則探討了BIM 技術(shù)在桶式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計中的應(yīng)用，完善了鋼筋混凝土桶式基礎(chǔ)的鋼筋配筋設(shè)計。BIM 技術(shù)最早用于建筑行業(yè)中，致力于建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計優(yōu)化、工程量與造價計算、施工方案交底與變更、虛擬施工及碰撞檢測，被稱為建筑行業(yè)的第二次革命，倍受政府推崇。例如BIM技術(shù)在香港港島東中心項目、上海國際金融中心項目、國家游泳中心（水立方）、港珠澳大橋、深水航道、山體邊坡支護(hù)及隧道工程項目中得到較好的應(yīng)用[9]。工程實踐表明，在建筑行業(yè)中應(yīng)用BIM 技術(shù)具有許多的優(yōu)勢，為工程項目的方案優(yōu)化及科學(xué)施工提供了參考依據(jù)，還便于工程項目各方的協(xié)調(diào)管理。

本文為拓展BIM 技術(shù)在海上風(fēng)電工程中的應(yīng)用，主要探討了BIM 在海上風(fēng)電吸力基礎(chǔ)建模、施工模擬、運營維護(hù)及全生命周期數(shù)據(jù)共享和信息化管理等方面的優(yōu)勢，并對海上風(fēng)電工程的協(xié)同管理與信息共享提出了一些設(shè)想，使海上風(fēng)電工程逐步從“粗放型”轉(zhuǎn)變?yōu)椤百|(zhì)量和效益”并重的發(fā)展模式。此研究結(jié)構(gòu)可提升海上風(fēng)電風(fēng)機(jī)吸力基礎(chǔ)的建模效率、施工質(zhì)量及施工過程中施工進(jìn)度安排，以及預(yù)測服役期間基礎(chǔ)的承載性能、穩(wěn)定性、沉降量等，進(jìn)而為海上風(fēng)電場防災(zāi)減災(zāi)措施的建立提供參考依據(jù)。

1 BIM 在海上風(fēng)電工程的應(yīng)用意義

1.1 BIM 在地質(zhì)模擬中的優(yōu)勢

與其他建筑工程相比，海上風(fēng)電工程及風(fēng)電場建設(shè)具有體量大、建造復(fù)雜、設(shè)計專業(yè)多及受環(huán)境因素影響較大的特點，困擾施工進(jìn)度安排及施工質(zhì)量。復(fù)雜的海洋環(huán)境條件（如不良的地質(zhì)條件、復(fù)雜的海床地形及惡劣的自然環(huán)境），會增加風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的工程造價，延緩施工進(jìn)度，甚至?xí)绊懟A(chǔ)工程的施工質(zhì)量。然而，常規(guī)的地質(zhì)報告及配合查閱資料能夠大概的了解海床地質(zhì)分布情況，若想詳細(xì)的掌握海上地質(zhì)特征、地質(zhì)巖土層的走向，僅靠查閱圖紙是難以實現(xiàn)的。而且采用模型試驗和數(shù)值模擬研究方法時，其地質(zhì)、地形模型不能很好地的模擬現(xiàn)場海床地形、海上環(huán)境實際。

BIM 具有強大的建模能力，通過建立三維地質(zhì)模型，將大量的巖土工程參數(shù)及地質(zhì)信息整合在同一模型中，可以完整地展示海床地質(zhì)、地形分布情況，還能任意的選擇某層地質(zhì)進(jìn)行剖切、查看及標(biāo)注，實現(xiàn)了地質(zhì)勘測最可能的接近工程實際。由此，本文根據(jù)江蘇龍源蔣家沙海上風(fēng)電工程的勘測數(shù)據(jù)，由BIM 軟件Civil 3D 建立地質(zhì)模型，再由Revit 軟件將其轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字化、形象化的三維可視化地質(zhì)模型（圖1），用于分析海床地質(zhì)巖土層類型、土層走向、海床地形分布規(guī)律等，為后續(xù)開展吸力基礎(chǔ)循環(huán)承載有限元分析提供依據(jù)。其中，Revit 軟件由歐泰克公司開發(fā)的，是面向建造行業(yè)的BIM 三維設(shè)計與建模軟件。主要功能含有：專業(yè)設(shè)計模型創(chuàng)建、結(jié)構(gòu)管線設(shè)計、碰撞檢查及監(jiān)測、繪制施工圖紙、模擬施工現(xiàn)場日照采光和降雨降雪分析等等，此外Revit 軟件還可以進(jìn)行二次開發(fā)，實現(xiàn)建筑施工過程模擬。因此，可采用Revit 軟件的二次開發(fā)功能，進(jìn)行吸力基礎(chǔ)貫入預(yù)定海床地基的過程，指導(dǎo)工程實踐中吸力大小及貫入量的計算。

圖1 風(fēng)電場地土層類型及分布

1.2 BIM 在吸力基礎(chǔ)模型建立中的優(yōu)勢

BIM 便于建立不同結(jié)構(gòu)型式的吸力基礎(chǔ)模型，即通過建立“專用族庫”的方式進(jìn)行基礎(chǔ)建模。模型參數(shù)類型包括：①幾何參數(shù)；②材料參數(shù)；③成本參數(shù)。由此，在基礎(chǔ)建模時，可直接從族庫中選取不同結(jié)構(gòu)型式的吸力基礎(chǔ)，并任意調(diào)整幾何尺寸、材料屬性，其對應(yīng)的基礎(chǔ)成本會自動輸出。而且，利用BIM 的三維可視化功能，可將吸力基礎(chǔ)立體實物全方位、多角度及可視化的展現(xiàn)。圖2 給出了不同結(jié)構(gòu)形式吸力基礎(chǔ)的三維模型。

圖2 BIM 建立的基礎(chǔ)模型

同時，對地質(zhì)模型與吸力基礎(chǔ)模型設(shè)置相同的項目基點及原點坐標(biāo)，以進(jìn)行模型整合與裝配。注：在地基模型和吸力基礎(chǔ)模型建立時，需精確定位模型的參考點，即確保地質(zhì)模型與吸力基礎(chǔ)模型的坐標(biāo)系一致。由此，若將BIM創(chuàng)建的地質(zhì)模型、吸力基礎(chǔ)模型引入有限元分析軟件（Abaqus、Ansys、Plaxis）中[10]，可克服有限元軟件建立的地質(zhì)模型不夠精確、改變基礎(chǔ)尺寸必須重新建模的不足，既能節(jié)省建模時間，還能提升數(shù)值模擬精度。

1.3 BIM 在吸力基礎(chǔ)施工動態(tài)模擬的優(yōu)勢

海上風(fēng)電吸力基礎(chǔ)施工時，面臨著諸多困難：①受海上氣候、洋流和風(fēng)速的影響，有效施工工期較短。②復(fù)雜的海床地形及分散的施工位置，使機(jī)械設(shè)備移動頻繁。③吸力基礎(chǔ)采用負(fù)壓沉貫方法將其貫入海床，使其施工技術(shù)與傳統(tǒng)海上風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的施工技術(shù)不同。為克服這些困難，可將吸力基礎(chǔ)施工及進(jìn)度計劃與BIM 結(jié)合起來，并引入時間維度（即時間參數(shù)），可對吸力基礎(chǔ)安裝、基礎(chǔ)上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)（塔筒、輪轂、葉片等）吊裝等施工過程進(jìn)行動態(tài)模擬，直觀地展現(xiàn)施工進(jìn)度在各個時間節(jié)點上的分布，從而控制施工進(jìn)度。此外，考慮海上氣候、地質(zhì)條件等復(fù)雜環(huán)境，通過施工動態(tài)模擬完善施工工序安排，便于規(guī)劃施工機(jī)械設(shè)備布置及碰撞檢測，從而提前將吸力基礎(chǔ)施工過程中可能存在的問題充分暴露出來，以確保吸力基礎(chǔ)安裝至指定的海床位置，以及保證上部風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)的順利安裝，避免工程返工，造成經(jīng)濟(jì)損失。

有限元數(shù)值模擬時，建模的精度會對模擬結(jié)果產(chǎn)生影響，同樣BIM 模型的精度決定了具體實施應(yīng)用過程中的深度。一般來說，模型參量信息越全，模擬精度及模擬結(jié)果的參考性越高，但相應(yīng)的時間成本越高。因此，由BIM 建立桶型基礎(chǔ)、地質(zhì)模型模型時，可依據(jù)其應(yīng)用的深度來區(qū)分模型精度，模型精度要求（在模型創(chuàng)建初期就應(yīng)確定）見表1。

表1 模型精度要求

1.4 BIM 在海上風(fēng)電運營維護(hù)中的優(yōu)勢

海上風(fēng)電場的建設(shè)工程，需要有大量的專業(yè)施工及設(shè)計人員參與其中，各項工作交叉互聯(lián)，而且牽一發(fā)動全身，需要各個分部項目的協(xié)同合作。BIM 技術(shù)的優(yōu)勢體現(xiàn)在建模和設(shè)計方面，便于各個行業(yè)專業(yè)設(shè)計人員之間更多的合作，但海上風(fēng)電場的運維的階段也至關(guān)重要。因此，在BIM的虛擬模型中，對施工建造過程、服役期間風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)使用模擬的細(xì)節(jié)進(jìn)行充分的討論，使得施工建設(shè)過程中的沖突大大減少、效率顯著提高。

由此，BIM 不僅能模擬吸力基礎(chǔ)的安裝過程，還能在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)服役期內(nèi)的運營、維護(hù)方面發(fā)揮作用，即通過BIM 技術(shù)整合整個風(fēng)電場的氣象信息、風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)工作信息及結(jié)構(gòu)自身的建筑結(jié)構(gòu)信息，對整個風(fēng)電場的運營進(jìn)行綜合管控，體現(xiàn)了全生命周期內(nèi)海上風(fēng)電場的運營情況，并為其維護(hù)、維修及防災(zāi)減災(zāi)措施的建立提供依據(jù)。一般來說，BIM 施工建模及后期運營維護(hù)過程規(guī)劃越高效，業(yè)主方、設(shè)計方、施工承包方、監(jiān)理方及監(jiān)測單位消耗的經(jīng)歷越少，從而可以更優(yōu)化的配置管理人員。因此，通過BIM 技術(shù)的輔助工作，可以指定最佳的施工方案、風(fēng)電機(jī)組設(shè)備維護(hù)方案，并通過風(fēng)機(jī)服役期間運行模擬及數(shù)據(jù)的采集，及時預(yù)測和進(jìn)行設(shè)備維護(hù)與更換，做好防災(zāi)減災(zāi)的工作。

由于海上風(fēng)電工程常處于復(fù)雜的地質(zhì)、地形條件及多變的海洋環(huán)境中，所涉及的數(shù)據(jù)信息量巨大，而且針對這些數(shù)據(jù)信息的管理也缺乏一個統(tǒng)一的協(xié)調(diào)管理平臺，而BIM 技術(shù)為建立協(xié)同管理平臺提供了可能。因此，針對海上風(fēng)電工程，可建立覆蓋其工程建設(shè)及服役過程中的全生命周期（規(guī)劃、設(shè)計、施工及后期運維）的BIM 協(xié)同管理平臺框架（圖3）。進(jìn)而，通過此平臺實現(xiàn)多方協(xié)同作業(yè)、避免時間沖突和空間沖突，并在風(fēng)電工程施工進(jìn)度、造價、質(zhì)量、安全及運營維護(hù)等方面得到實時反饋的數(shù)據(jù)信息，從而對風(fēng)電場建設(shè)及運營進(jìn)行有效的管理，既能節(jié)約成本，還能顯著提高海上風(fēng)電場運營產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益。

圖3 協(xié)同管理平臺架構(gòu)示意圖

2 結(jié)論

①針對海上復(fù)雜的地形條件和多變的海洋環(huán)境，建立覆蓋海上風(fēng)電及服役過程的全生命周期的BIM 協(xié)同管理平臺，可實現(xiàn)多發(fā)協(xié)同作業(yè)和信息數(shù)據(jù)共享，為海上風(fēng)電場建設(shè)及運營進(jìn)行有效的管理。

②利用BIM 建立海上風(fēng)電吸力基礎(chǔ)模型專用族庫，便于快速調(diào)整吸力基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)形式、幾何尺寸及材料屬性，克服了有限元軟件建模時，改變基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、幾何尺寸必須重新建模的不足。再依據(jù)海上風(fēng)電工程實際，建立海床地質(zhì)模型和吸力基礎(chǔ)模型，并將其引入有限元軟件來分析裙式吸力基礎(chǔ)的水平循環(huán)承載特性。