基于BIM的复杂工业厂房屋面光伏系统设计与施工技术研究

摘要： 传统的光伏工程测绘技术效率和精准性低、安全风险高，竖直摄影只能呈现测绘区域的地形地貌情况，无法呈现更立体的三维信息。本光伏工程采用倾斜摄影测量，应用BIM技术，彻底改变了人工建模的弊端，在保证项目质量情况下，大大缩短了工期，降低了施工安全风险，可广泛应用于国内外大型复杂工业厂房分布式光伏项目屋面施工。

关键词：复杂工业厂房；屋面光伏；BIM；倾斜摄影

引言

2022年国家发改委、国家能源局印发《“十四五”现代能源体系规划》[1]，提出积极推动屋顶光伏建设。“十四五”期间，分布式光伏必将成为以新能源为主体的新型电力系统的重要组成部分。目前应用最广泛的分布式光伏电站是建设在建筑物屋顶的光伏发电站。随着集中式光伏可用地面积不断减少，分布式光伏的发展利好逐渐显现。分布式光伏，是指在建筑的屋顶、外墙等各种分散的空间里安装光伏设备，将太阳能转换为电能。太阳能是一种可再生能源，与传统能源发电相比，分布式光伏发电产生的首要积极影响就是对环境的保护和一定程度上能阻止气候变暖加剧[2-3]。在发电过程中，这种能源系统无噪声且不会产生污染，是真正意义上的零排放。工业企业拥有大量的厂房建筑，利用其屋顶安装光伏发电设备，发出的电能可由本企业就地消化[4]，对企业节能减排和实现碳中和起到积极的促进作用。

1  前言

工业厂房分布式光伏发电项目屋顶有圆弧屋顶和坡屋面，在设计中需要现场确认复核水平距离、高程差、空间距离，光伏项目测绘初步设计时，均基于现场测绘或航拍测绘数据进行设计。一般现场测绘显示方式上普遍二维化，只能呈现测绘区域的地形地貌情况，无法呈现更立体的三维信息。精度或勘测数据也存在误差，无法直观。传统测图技术主要依靠人工进行，不仅考察整个测绘队伍的测绘水平，还受测绘设备、测绘环境和技术多种因素影响，整个绘图环节投入的时间、人力和物力较多，但回报较低，测绘数据精准性也得不到有效保障。传统的竖直摄影只能获取地物顶部信息，对于地物侧面信息则无法获得。无法从多个角度观察被制作建筑，真实地反映地物的实际情况。部分地区地形恶劣，采用人力需要耗费大量的人力、精力，在测绘时还存在一定的安全风险。本光伏工程采用倾斜摄影测量，应用BIM技术，彻底改变了人工建模的弊端。大大加快了大场景精细三维模型的生成速度。倾斜摄影测量技术也颠覆了传统低空摄影测量只能从垂直角度获取数据的局限，在无人机上同时搭载多个传感器，从多个角度获取影像数据，能够更加真实全面立体反映地表物体的局部细节和整体层次。

2 光伏工程BIM应用技术

光伏工程BIM技术应用的技术路线为通过倾斜摄影测量技术获取纹理信息数据，生成密集三维点云和TIN格网模型，结合自动化实景建模模型，利用AgisoftPhotoscan、Smart3D capture等相关软件生成场区原始1：1平面及3D模型，通过BIM模型，可在细部体现地形，进行精细化设计，同时利于后续施工。在项目红线范围确定后对场区或建筑群进行倾斜摄影，利用AgisoftPhotoscan、Smart3D capture等相关软件生成场区原始1：1平面及3D模型，在设计中存在水平距离、高程、高差、空间距离等需要确认或进行现场复核时，可利用倾斜摄影模型进行数据复核，以减少复核工作重复性，大幅减少测绘时间。针对分布式光伏设计阶段普遍需要考虑的组件布置阴影遮挡问题，通过BIM建模及光影模拟，解决了厂区的建筑物阴影遮挡对光伏组件的影响，实现光伏组件布置最优化；基于三维模型细节，对电缆路径进行精细化设计，对初步的电缆路径进行优化，可最大限度的合理布置电缆；基于生成的三维模型进行施工模拟，可对生命线施工、围栏施工、吊车吊装进行模拟，还原现场施工环境，对后期施工提供指导作用。

2.1 建模

中维空间通过倾斜摄影测量技术获取纹理信息数据，生成密集三维点云和TIN格网模型，结合自动化实景建模模型，实现三维场景的快速、高效、低成本的真实还原。

2.2倾斜摄影

在项目红线范围确定后对场区或建筑群进行倾斜摄影，利用AgisoftPhotoscan、Smart3D capture 等相关软件生成场区原始1：1平面及3D模型，在设计中存在水平距离、高程、高差、空间距离等需要确认或进行现场复核时，可利用倾斜摄影模型进行数据复核，以减少复核工作重复性。

2.2.1倾斜摄影无人机操作

倾斜摄影测量主要有地面飞控系统、无人机、控制测量三个部分组成。地面飞控系统部分主要规划设计无人机的飞行航线、航高、以及对无人机飞行监视控制和数据通信等。无人机部分主要由机载定位系统和多视相机组成，控制测量主要是航测区域的控制网设计和像控点的测量。

（1）无人机航拍前需要对测区进行现场踏勘，首先根据已有GPS 控制点位去合理布设像控点，像控点的数量和位置依据实际测量规程要求的精度和测区范围的大小均匀布设。其次，根据申请的空域时间和范围合理规划飞行航线，保证影像的航向重叠、旁向重叠、分辨率等符合作业要求。

（2）在航线的设计中，一般设置30%的旁向重叠度，66%的航向重叠度。对于模型的自动生成，旁向重叠和航向重叠会要求更高。在已知的高精度点位上架设基站，在无人机起飞规定时间前开机，降落后在规定时间内关机。在测量时，需要量取天线高，记录基站开关机的具体时间，并进行像控点的测量。

（3）最后组装无人机和设置相机参数，实施无人机航拍。飞行结束后，分别下载无人机数据和基站数据。

2.2.2影像数据处理

在影像数据的获取过程中，会受到相机镜头畸变在内的仪器本身以及天气变化在内的外界自然影响而产生的不可避免的误差。如果不对原始影像进行预处理，会直接影响到后期成果数据的精度和质量。影像数据后续处理基于数字摄影测量、多视影像联合平差、计算机视觉等相关算法，数据处理过程中无须人工干预，具有高伸缩性和高效性。利用AgisoftPhotoscan、Smart3D capture 等相关软件，在有无控制点的情况下，都可以实现多视图多视角的三维重建，还原最真实的三维场景。同时利用相关数据处理软件实现对三维模型的高度、面积、长度、体积等实现精准量测。倾斜摄影测量技术获取多视角的高分辨率影像数据，并实现大场景精细三维场景的最真实还原。

2.3光伏平面布置设计

针对分布式光伏设计阶段普遍需要考虑的组件布置阴影遮挡问题，通过BIM建模及光影模拟，可直观排查组件是否被遮挡，能更直观的进行光伏组件布置，显著提高了设计质量和设计效率。为设计光伏平面布置提供依据，充分利用屋面资源，提高光伏装机容量。

2.4屋面光伏布置

针对屋面光伏设计，通过三维模型，能更直观的进行光伏组件布置及临边围栏、生命线的防护设施布置。

2.5 电缆路径设计优化

通过三维模型对电缆的路径进行精细化设计，避免二维视角观察不到的高差、障碍物等影响电缆路径的事物，更加合理规划电缆路径。

2.6施工模拟

基于生成的三维模型进行施工模拟，可对水平生命线施工、围栏施工、吊车吊装进行模拟，还原现场施工环境，可对后期施工提供指导作用，提高施工工效。

3 结语

本光伏工程采用倾斜摄影测量，彻底改变了人工建模的弊端，通过自动化的数据处理手段大大加快了大场景精细三维模型的生成速度。针对分布式光伏设计阶段普遍需要考虑的组件布置阴影遮挡问题，通过BIM建模及光影模拟，解决了厂区的建筑物阴影遮挡对光伏组件的影响，实现光伏组件布置最优化。基于三维模型细节，对电缆路径进行精细化设计，对初步的电缆路径进行优化，可最大限度的合理布置电缆。基于生成的三维模型进行施工模拟，可对生命线施工、围栏施工、吊车吊装进行模拟，还原现场施工环境，对后期施工提供指导作用。

参考文献：

[1]国家发展改革委 国家能源局.关于印发《“十四五”现代能源体系规划》的通知：发改能源[2022]210号[EB/OL]（2022-01-29）[2024-11-25].https：//www.gov.cn/zhengce/zhengceku/2022-03/23/content_5680759.htm.

[2]曾阔.双碳目标背景下分布式光伏发电的发展前景分析[J].中国战略新兴产业，2024，（30）：76-78.

[3]房宜盼.分布式光伏发电的发展状况分析[J].集成电路应用，2024，41（09）：390-391.DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2024.09.183.

[4]季爱晖.分布式光伏发电在钢铁企业厂房屋顶的应用[J].冶金自动化，2018，42（02）：63-67.

[作者简介]李丹（1982-），女，汉，湖北省京山市，本科，学士，高级经济师/工程师，研究方向：输变电及新能源工程设计与施工研究及科研成果总结。