數字化場坪設計在昭通±500kV換流站中的應用

朱紋羲，李越茂，姚楓

(西南電力設計院，成都市610021)

數字化場坪設計在昭通±500kV換流站中的應用

朱紋羲，李越茂，姚楓

(西南電力設計院，成都市610021)

數字化場坪設計能夠提高設計精度和效率，并且能夠滿足工程數字化移交的需求。在昭通±500 kV換流站工程中，采用數字化場坪設計方法建立了場地的三維模型，在三維模型中進行精確的土方量計算、高程分析和站址模擬。通過與傳統場坪設計進行對比，得出數字化場坪設計更能夠適應現代工程的結論。

數字化場坪設計；土方量計算；三維模型；高程分析；站址模擬

0 引 言

昭通±500 kV換流站是溪洛渡右岸電站送電廣東同塔雙回直流工程的送端換流站。本工程是云南至廣東跨區域高壓直流輸電電網的重要組成部分，是世界上首個采用2回±500 kV直流線路同塔雙回架設，2個±500 kV換流站同期同址合建，2回直流共用接地極的輸電工程，是進一步落實國家“西部大開發”戰略，實現南方電網“西電東送”總體規劃目標，促進區域內資源優化配置的一項重要舉措。本工程動態總投資為171.78億元。本文論述數字化場坪設計在該工程中的應用。

1 數字化場坪設計方法介紹

1.1 數字化場坪設計的概念

數字化場坪設計是數字化設計中的一個部分，為數字化設計提供最基本的模型和基礎數據。

通過數字化的面向對象技術，使場坪內的各設計元素轉換為數字化三維模型，方便后期對各個模型的數據處理，保證與實際工程的一致，并且為后期的三維布置提供了基礎數據模型。

1.2 與傳統場坪設計方法的對比

傳統的場坪設計方法如格網法、斷面法等，不論采用哪一種方式，都有其自身的局限性。

格網法是將場地劃分為若干個具有一定間距的正方形方格。在格網點測定點位高程,對每一格網面按四角高程的平均值計算土方。挖填方宜分別冠以“-”“ + ”號以示區別，然后分別計算每一方格的挖填土方。將所有方格計算的土方匯總，即得場地挖方和填方的總土方量。方格越小計算的結果越精確,當方格的大小與實地地形最小的區別尺寸相近時最好。格網法室外作業工作量大,測點可能受地形限制，優點是：直觀、易懂、計算簡單，但由于每點高程的權不一樣，邊界點、格網交叉點、格網線上點、格網中間點不能分別確權，故計算精度較差。若要提高計算精度，可適當減小方格網的尺寸，但相應的室外工作量也會加大。

斷面法是根據場地形狀沿某一平直方向一一測定垂直于該方向的斷面數據,斷面間土方量以斷面平均截面積與斷面間距確定,進而由此計算總土方量。斷面法外業操作相對復雜，工作量大，精度取決于外業橫斷面密度(精度與間距L的長度有關，L越小，精度就越高)，但是這種方法內業計算量大，尤其是在范圍較大、精度要求較高的情況下更為明顯。若是為了減少計算量而加大斷面間隔，則會降低計算結果的精度，所以斷面法存在計算精度和計算速度的矛盾。

而數字化場坪設計軟件是在數字地形模型的基礎上采用不規則三角網法來對土方量進行計算。

不規則三角網法計算土方量是利用實測地形碎部點、特征點進行三角構網,對計算區域按三棱柱法計算土方,最后累計得到指定范圍內填方和挖方的土方量，其實質就是在坐標數據的基礎上建立不規則三角網后再計算土方量。因為三角網中的點和線的分布密度和結構完全可以與地表的特征相協調，不改變原始數據和精度，保存原有關鍵的地形特征，能夠很好地適應復雜不規則地形，因此該種計算方法計算精度相對較高。圖1中Z1、Z2、Z3為三角形角點挖填高差，S3為三棱柱底面積,土石方量計算公式為

V3=S3(Z1+Z2+Z3) /3

(1)

整個區域的土石方量為

(2)

圖1 不規則三角網法

綜上所述，因傳統場坪設計土方量計算是在二維圖紙上發揮工程師的空間想象能力進行的，數據檢查完全依靠人工進行，不但需要大量的人力和時間，而且計算結果誤差較大，且不能夠動態分析各個階段的土方量，沒有直觀的三維模型，工作效率低下。而數字化場坪設計是在三維模型的基礎上采用不規則三角網法進行計算，整個過程中自動檢查數據，在保證數據正確的前提下進行計算，并且能夠根據需要迅速調整場坪設計方案得到計算結果。

2 數字化場坪設計在本工程中的應用

在本工程中，由于地形起伏，方案設計和土方計算難度比較大。最初采用傳統的方格網近似算法計算出的場坪土方量為填方84萬m3，與實際相差較大，在采用數字化場坪設計方法對場坪進行重新計算后，場坪土方量為填方94余萬m3。經過優化設計，通過降低設計標高、增加場地內豎向等高線的方式再次將場坪土方量降低到填方90余萬m3，計算結果和實際工程量基本相同，如表1所示。

表1土方量優化

Tab.1Earthworkoptimization

本工程施工時正逢雨季，強夯處理方案不能順利開展，需在填土中增加20%～30%碎石，造成費用大量增加。此時，需要快速調整設計方案，盡可能減少填土量以保障工期和減少投資。

通過數字化場坪設計，多次調整設計方案，最終減少了15%土方造價，縮短了約20%土建工期。

數字化場坪設計主要包含土方量計算和場地數字模擬2個部分。土方量計算是通過對原始場地和場坪曲面進行三維建模，然后采用棱柱體法對這2個曲面進行分析。場地數字模擬可以模擬站址區周邊的地形、地貌(包含農田、農房、道路)等信息，從而獲取更直觀的站址模型，以便幫助設計方向業主更高效地傳達設計意圖，加深對基礎設施設計方案的理解。

2.1 土方量計算

在數字化場坪設計中，根據勘測專業提供的原始地形高程點，在Civil3D中新建三角網曲面，將地形點添加入曲面即完成“數字化地形”(圖2)的建立，再采用軟件中“創建道路”的方式創建“數字化場地邊坡曲面”(圖3)模型，最后在這2個曲面之間進行矢量疊加形成體積曲面(圖4)，在體積曲面中按不規則三角網法計算土方。

圖2 數字化地形

圖3 場坪邊坡曲面

圖4 體積曲面

經過計算，昭通換流站的土方量如圖6所示。

圖5 挖填方量

2.2 生成土方圖

對工程進行精確的土方量計算后，生成土方圖(圖6)。土方圖中清晰地反映出了每一個網格中的挖方和填方的數值，可以用于指導施工。

圖6 土方圖

2.3 站址區模擬

在數字化場坪設計中，采用AIW軟件對站址區進行模擬。

將勘測專業提供的地形圖中的農田、農房、道路等導出為SDF或者IMX格式，再將原始地形曲面和場坪邊坡曲面分別以LandXML格式導出。

在AIW中新建一個工程，設置好坐標系，將準備好的模型數據分別導入，設置和工程相同的坐標系，分別設置每個數據源的顯示樣式，刷新模型后即初步完成站址區模擬，如圖7所示。

圖7 站址區模擬

完成模擬后，可以再從數據庫下載站址區地圖，通過設置經緯度范圍來確定下載范圍，如圖8所示。

最后采用數字化場坪設計軟件中的Raster對圖片進行編輯和定位，將帶經緯度信息的圖片移動到模型所在坐標系，并將坐標系信息放在和圖片同名的*.jgw文件中。在AIW中，通過添加Raster格式的數據源將圖片添加進模型，使得模型展示的信息更完整，如圖9所示。

圖8 地圖下載

圖9 模擬效果

AIW除了可以對站址區進行模擬外，還能對地形進行高程、坡向和坡度的分析，并使用云圖的方式顯示(圖10)。

圖10 高程分析

通過AIW的高程分析，可以很直觀地看出該場坪場地的挖方區和填方區，從而可以更好地進行場坪高程和位置的調整，更好地達到挖填平衡的目的。

3 結 語

與傳統場坪設計方法相比，數字化場坪設計具有傳統方法不可比擬的優勢，主要有以下幾個方面：

(1)自動進行數據檢查和三維模型的生成；

(2)快速完成整個場地的土方量計算，并迅速動態地修改和顯示各個設計階段的土方量，并附有三維圖形顯示；

(3)站址模擬能夠快速地進行多個場坪方案的展示，幫助業主進行方案的選擇；

(4)反映較為真實的站址區地形地貌，大致了解占用農田、農房等信息；

(5)在進站道路優化選線方面也能夠給設計人員提供較大的幫助；

(6)適應建筑信息模型(building information model, BIM)的要求，能夠給后續數字化移交等工作提供場地數據支持。

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(編輯：劉文瑩)

ApplicationofDigitalSiteDesigninZhaotong±500kVConverterStation

ZHU Wenxi, LI Yuemao, YAO Feng

(Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

Digital site design can improve the accuracy and efficiency of design and meet the demands of digital transfer. The 3D site model was established by using digital site design in Zhaotong ± 500 kV converter station, in which the accurate calculation of earthwork, the elevation analysis and the site simulation were carried out. Compared with the traditional site design, it is shown that digital site design is more suitable for modern engineering.

digital site design; earthwork calculation; 3D model; elevation analysis; station site simulation

TM 72

： A

： 1000-7229(2014)02-0062-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.012

2013- 08- 21

：2013- 10- 23

朱紋羲(1986)，男，本科，助理工程師，主要從事變電數字化設計工作，E-mail：510323570@qq.com；

李越茂(1982)，男，本科，工程師，主要從事變電數字化設計工作；

姚楓(1979)，女，本科，工程師，主要從事變電數字化設計工作。