一种基于BIM技术的海上升压站导管架建造方法

技术领域

本发明涉及海上升压站建造技术领域，具体地说是一种基于BIM技术的海上升压站导管架建造方法。

背景技术

风能是一种价值十分可观的清洁能源，在陆上风电开发进入成熟期之后，为了实现碳达峰、碳中和，国家也把风电开发的重点转向海上。海上风电具有资源丰富、发电利用小时数高、不占用土地、不消耗水资源和适宜大规模开发的特点，许多大型风电开发企业、设备制造企业都在积极探索、开发海上风电设备。

海上升压站是海上风电场的“心脏”，导管架是海上升压站不可或缺的结构，随着海上风电场选址越来越远离海岸线，导管架将越做越大、越高、越重。小型导管架将慢慢退出舞台，大型复杂的导管架将取而代之。大型复杂的导管架必将成为将来的发展趋势，因此，如何高效又经济建造完成大型复杂的导管架成为各个设备制造企业探求的方向。传统的海上升压站导管架建造方法，耗时耗力，建造成本高，尤其在建造大型复杂的导管架时，更是困难重重。

BIM(Building Information Modeling)技术，即建筑信息模型是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，进行建筑模型的建立，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。

发明内容

本发明之目的是弥补上述之不足，向社会公开建造成本低、建造高效的一种基于BIM技术的海上升压站导管架建造方法。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种基于BIM技术的海上升压站导管架建造方法，包括以下步骤：

步骤一、采用BIM技术进行建模，根据起重能力分片、分段，计算各片、各段的理论重量，对各个部件进行3D模拟预拼装；

步骤二、杆件预制：根据BIM建模软件导出各钢结构杆件的单件施工图，标注其各理论数据，作为车间杆件加工的依据，根据施工图完成各钢结构杆件的制备；

步骤三、片体组装：

将防沉板定义为F面、导管架轴线2轴、4轴、B轴、D轴分别定义为2面、4面、B面和D面，导管架将分段的2面、4面、B面、D面分为上下，导管架的四根立柱分别拼装在B面/D面，导管架带立柱的两个面可进行上、下面整片制作，分段处固定但不焊接，防沉箱与桩靴单独建造；

步骤四、场外分段组装：导管架按上下段分别组装，下段总装顺序为：F面-B面-2面-4面-D面，上段总装顺序为：B面-2面-4面-D面；

步骤五、运输船上整体合拢：安装导管架运输工装，就位4个防沉箱，吊装导管架下部结构，依次吊装4个桩靴，吊装上部结构；

步骤六、发运：升压站导管架到达海上安装地点后采用大型浮吊船吊装就位。

进一步优化本技术方案的措施是：

作为改进，所述的步骤一中，利用Tekla软件进行建模，检查结构碰撞，确定各个杆件相互间的配合间隙并导出各个杆件的施工图、各个片体组装布置图，标注其理论数据，完成理论尺寸组装。

作为改进，所述的步骤一中，进行3D模拟预拼装的具体过程为：利用模型分析软件IN-ANALY里的标注功能，根据数据采集位置进行设计点标注；利用模型分析软件IN-ANALY将测量数据与设计数据进行数据匹配，使现场测量点位与BIM模型点位匹配一致，实测点与设计点进行绑定计算得出偏差，并出具检验报告。

作为改进，在3D模拟预拼装过程中，利用Ansys软件进行吊点强度及刚度的计算分析，在Ansys软件的“solution”选项中插入等效应力及总体变形结果选项，并进行求解，求解后得到平台整体的的等效应力云图和变形云图。

作为改进，在3D模拟预拼装过程中，利用Ansys软件对导管架下段上口刚度变形的计算分析，在导管架下段上口位置增加规格为325*20的钢管支撑后，计算上口整体变形情况。

作为改进，所述的步骤二中，在片体制作完成后进行防腐处理，并进行检验。

作为改进，所述的步骤四中，安装导管架运输工装的具体步骤为：运输工装需将防沉箱架空并将支撑结构设计于导管架立柱底部，根据4个立柱底部间距理论尺寸在运输船上完成运输工装的定点放样，复核放样尺寸无误后完成运输工装吊装、就位及焊接固定。

作为改进，根据导管架防沉箱的外形尺寸，已立柱定位点为基准，对防沉箱内侧4块防沉裙板的定位尺寸进行放样，并设置临时工装夹紧防沉裙板，使其垂直立于船甲板上。

作为改进，所述的钢结构杆件包括焊接钢管类杆件、无缝钢管类杆件、H型钢类杆件及U型杆件。

本发明与现有技术相比的优点是：

本发明的海上升压站导管架建造方法，利用BIM技术进行建模，进行3D模拟预拼装，导出各钢结构杆件的单件施工图，导管架片体制作在厂房内进行，不易受天气影响，建造工期可以得到保证。片体拼装可在厂房内完成，减少了对拼装场地的要求，无需成片加固，片体组装无需预备杆件堆放场地。减少拼装场地上的工作量，特别是焊接工作和吊装工作，大部分的附件均在厂房内安装焊接完成，尽可能减少室外焊接作业，减少高空和交叉作业，保证施工安全。室外仅完成分段组装和整体合拢工作，大大减少了室外的工作量，减少了天气的影响，能够保证工期进步，大大提高建造效率，降低建造成本。

附图说明

图1是本发明建造方法的工艺流程图；

图2是F面预拼装效果图；

图3是下B面预拼装效果图；

图4是下2面和下4面预拼装效果图；

图5是下D面预拼装效果图；

图6是上B面预拼装效果图；

图7是上2面和下4面预拼装效果图；

图8是上D面预拼装效果图；

图9是导管架整体预拼装效果图；

图10是防沉箱内侧裙板船上就位模拟示意图；

图11是导管架下段上船就位模拟示意图；

图12是运输工装与主腿底部模拟示意图；

图13是桩靴防沉箱组合件模拟示意图；

图14是Ansys软件计算得出的吊装整体应力分布图；

图15是Ansys软件计算得出的吊装吊点局部应力分布图；

图16是上口支撑位置模拟示意图；

图17是吊装上口变形量云图。

具体实施方式

下面结合附图进一步详细描述本发明：

如图1所示，一种基于BIM技术的海上升压站导管架建造方法，包括以下步骤：

步骤一、采用BIM技术进行建模，根据起重能力分片、分段，计算各片、各段的理论重量，对各个部件进行3D模拟预拼装。这里利用Tekla软件进行建模，检查结构碰撞，确定各个杆件相互间的配合间隙并导出各个杆件的施工图、各个片体组装布置图，标注其理论数据，完成理论尺寸组装。

进行3D模拟预拼装的具体过程为：利用模型分析软件IN-ANALY里的标注功能，根据数据采集位置进行设计点标注；利用模型分析软件IN-ANALY将测量数据与设计数据进行数据匹配，使现场测量点位与BIM模型点位匹配一致，实测点与设计点进行绑定计算得出偏差，并出具检验报告。

在3D模拟预拼装过程中，利用Ansys软件进行吊点强度及刚度的计算分析，在Ansys软件的“solution”选项中插入等效应力及总体变形结果选项，并进行求解，求解后得到平台整体的的等效应力云图和变形云图。吊点强度及刚度的计算为Ansys软件自带功能，无需额外开发，只需输入所需的各项参数便可以完成计算。

在3D模拟预拼装过程中，利用Ansys软件对导管架下段上口刚度变形的计算分析，在导管架下段上口位置增加规格为325*20的钢管支撑后，计算上口整体变形情况。同样的，导管架下段上口刚度变形的计算为Ansys软件自带功能，无需额外开发，只需输入所需的各项参数便可以完成计算。

步骤二、杆件预制：根据BIM建模软件导出各钢结构杆件的单件施工图，标注其各理论数据，作为车间杆件加工的依据，根据施工图完成各钢结构杆件的制备；在片体制作完成后进行防腐处理，并进行检验，以保证各钢结构杆件的防腐性以及质量。

上述的钢结构杆件包括焊接钢管类杆件、无缝钢管类杆件、H型钢类杆件及U型杆件。

步骤三、片体组装：

将防沉板定义为F面、导管架轴线2轴、4轴、B轴、D轴分别定义为2面、4面、B面和D面，导管架将分段的2面、4面、B面、D面分为上下，导管架的四根立柱分别拼装在B面/D面，导管架带立柱的两个面可进行上、下面整片制作，分段处固定但不焊接，防沉箱与桩靴单独建造。上述的2轴、4轴、B轴、D轴为平面设计图的轴线，其中，2轴和4轴是沿X轴方向，B轴和D轴是沿Y轴方向。

步骤四、场外分段组装：导管架按上下段分别组装，下段总装顺序为：F面-B面-2面-4面-D面，上段总装顺序为：B面-2面-4面-D面；

步骤五、运输船上整体合拢：安装导管架运输工装，就位4个防沉箱，吊装导管架下部结构，依次吊装4个桩靴，吊装上部结构。具体过程为：运输工装需将防沉箱架空并将支撑结构设计于导管架立柱底部，根据4个立柱底部间距理论尺寸在运输船上完成运输工装的定点放样，复核放样尺寸无误后完成运输工装吊装、就位及焊接固定；根据导管架防沉箱的外形尺寸，已立柱定位点为基准，对防沉箱内侧4块防沉裙板的定位尺寸进行放样，并设置临时工装夹紧防沉裙板，使其垂直立于船甲板上。

步骤六、发运：升压站导管架到达海上安装地点后采用大型浮吊船吊装就位。

下面通过具体实施案例来进行进一步阐述：

项目的施工环境概况：一海上风电场位于浙江省苍南县东部海域，属于浙江地区近海水深最深，海况复杂多变，台风多发海域，场区中心离岸距离约36km，水深约27m～35m。此项目导管架外形尺寸为长44m、宽39m、高60.4m，总重约2300吨，导管架立柱底部的标高高于防沉桶的底部标高，防沉桶自身高度约5米，且防沉桶结构柔软无法单独承载整体导管架的重量。

一种基于BIM技术的海上升压站导管架建造方法，包括以下步骤：

步骤一、采用BIM技术进行建模，利用Tekla软件进行建模，检查结构碰撞，确定各个杆件相互间的配合间隙并导出各个杆件的施工图、各个片体组装布置图，标注其理论数据，完成理论尺寸组装。从Tekla模型导出车间需求的3D构件图，并将生成的DWG或DXF格式的CAD图纸导入已安装3D看图软件的智能手机，可实现在手机端上观看构件BIM模型,更加直观的了解构件结构。

根据起重能力分片、分段，计算各片、各段的理论重量，对各个部件进行3D模拟预拼装。3D模拟预拼装顺序与实际拼装顺序相同，按照以下顺序进行模拟预拼装：如图2所示，进行F面拼装，如图3所示，进行下B面拼装，如图4所示，进行下2面和下4面拼装，如图5所示，进行下D面拼装，如图6所示，进行上B面拼装，如图7所示，进行上2面和下4面拼装，如图8所示，进行上D面拼装，如图9所示，完成导管架整体模型的3D模拟预拼装。

由于导管架主结构立面都向中心倾斜一定的角度，而附属结构大部分都是水平或者垂直于地面，组装时主结构一般为水平放置，故附属结构需相应调整组装角度。因此建模软件需按实际拼装方式导出安装图，利用建模软件提供的尺寸标注来指导施工人员拼装定位。通过BIM技术能直观地反应拼装顺序，有利于实体拼装的提前筹备，减少实体拼装的返工工作量。

基于BIM基础进行3D预拼装，通过IN-ANALY软件提取模型设计点位，与实测数值进行对比分析，可根据检验报告的误差数据指导现场生产。具体操作是利用IN-ANALY软件里的标注功能，根据数据采集位置进行设计点标注；利用模型分析软件IN-ANALY将测量数据与设计数据进行数据匹配，使现场测量点位与BIM模型点位匹配一致；实测点与设计点进行绑定计算得出偏差(误差＝实测值-设计值)，数据误差分析最佳后出具有效的、准确的检验报告。检验报告可出据：构件车间摆放姿态三维报告(坐标系转换)、设计理论姿态三维报告(原始整体坐标系)、EXCEL三维报告、2D尺寸报告。

导管架下段顶部无连接水平管无法形成框架，吊装时立柱的间距和对角线尺寸容易出现大偏差，因此在将立柱与剪刀撑采用临时支撑进行加固，并在立柱中下段设置吊耳后采用Ansys软件进行起吊模拟分析，确定变形量满足组装要求。由于Tekla软件无法完成内力分析，需要借助其它结构设计及分析软件。具体操作是根据图纸信息借助Solidworks软件建立Ansys可以读取的模型，然后再进行计算分析。

(1)吊点强度及刚度的计算分析

通过Ansys软件分析计算，在“solution”选项中插入等效应力及总体变形结果选项，并进行求解。求解后便得到平台整体的的等效应力云图和变形云图，并可以得出吊装整体应力分布图(如图14所示)和吊装吊点局部应力分布图(如图15所示)。吊点位置附近最大应力为189.41MPa，小于许用应力241MPa，满足强度要求；吊点位置附近变形只有0.27mm，在允许范围内，满足刚度要求。

(2)导管架下段上口刚度变形的计算分析

在导管架下段上口位置增加规格为325*20的钢管支撑(4根)后(如图16所示)，计算上口整体变形情况，计算得到最大变形量在3mm左右(如图17所示，图中的形变量分别为3.7916mm、3.1092mm、3.0349mm、2.4903mm)，其变形量在允许范围内，满足刚度要求。

步骤二、杆件预制：根据BIM建模软件导出各钢结构杆件的单件施工图，标注其各理论数据，作为车间杆件加工的依据，根据施工图完成各钢结构杆件的制备。

步骤三、片体组装：

如图9所示，2轴、4轴、B轴、D轴为平面设计图的轴线。将防沉板定义为F面、导管架轴线2轴、4轴、B轴、D轴分别定义为2面、4面、B面和D面，导管架将分段的2面、4面、B面、D面分为上下，导管架的四根立柱分别拼装在B面/D面，导管架带立柱的两个面可进行上、下面整片制作，分段处固定但不焊接，端部无固定的可采用临时支撑固定防止变形，防沉箱与桩靴单独建造。

步骤四、场外分段组装：导管架按上下段分别组装，下段总装顺序为：F面-B面-2面-4面-D面，上段总装顺序为：B面-2面-4面-D面。

步骤五、运输船上整体合拢。

导管架在运输船上完成整体合拢施工需提前设计并制作运输工装，主要吊装工作量包含导管架下段、导管架上段、桩靴、防沉箱各部件及运输工装，需保证各部件重量未超过大型龙门吊的起重能力。吊装顺序如下：安装导管架运输工装→就位4片防沉裙板→吊装导管架下部结构→依次吊装4个桩靴→吊装上部结构。

依据导管架底部特点设计相应的运输工装，工装需将防沉箱架空并将支撑结构设计于导管架立柱底部，根据4个立柱底部间距理论尺寸在运输船上完成运输工装的定点放样，复核放样尺寸无误后完成运输工装吊装、就位及焊接固定。防沉裙板位于防沉板下方，导管架下段就位后，无法使用起重设备吊装，需提前就位。如图10所示，根据导管架防沉箱的外形尺寸，已立柱定位点为基准，对防沉箱内侧4块防沉裙板的定位尺寸进行放样，并设置临时工装(H型钢)夹紧防沉裙板，使其垂直立于船甲板上，方便后续微调。

如图11所示，导管架下段上船就位，导管架下段起吊、平移后缓慢放下导管架至4条主腿落在支撑底座上。如图12所示，为运输工装与主腿底部示意图。

桩靴和防沉箱地面完成整体组装后依次吊装与导管架下段完成装配，桩靴防沉箱组合件示意图如图13所示。完成4个桩靴组合件吊装和焊接后进行导管架上段的吊装，为保证导管架上下段顺利合拢，提前对导管架下段上开口和上段下开口进行外形尺寸复核。另外，可提前在下段四根主腿上各安装3个导向块，方便上段就位。

步骤六、发运：升压站导管架由运输船运输到达海上安装地点后采用大型浮吊船吊装就位。

项目验收：

导管架验收相关尺寸允许偏差与实际偏差如下表：

本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。