輸電線路鐵塔參數化模型的桿件信息拓展研究

(西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

目前，輸電線路工程正在大力推行三維數字化設計，對于鐵塔模型，國網企業標準[1]規定鐵塔通用模型和產品模型采用參數化建模，裝配模型采用圖形化建模。現在行業內通用的參數化建模方式是通過MOD文件表達鐵塔的幾何結構信息。這種方式數據結構簡單明了，能直觀描述鐵塔的外形尺寸和桿件型式，從而使鐵塔模型成為具備三維實體信息并可采用結構化語言描述的數據結構形式。

但現實空間的鐵塔如角鋼塔和鋼管塔等是由具有一定尺寸外形的板、桿件和螺栓等構件組成的空間結構，而且桿件受構造因素影響其端點與節點之間存在一定的位置偏移，進而導致實際安裝位置與理論模型存在差異。由于角鋼并非中心對稱截面，因此這種差異對于角鋼塔尤為明顯。

鐵塔參數化模型目前僅能表述節點編號、相對坐標、桿件規格、桿件材質、角鋼肢(或鋼管)朝向、掛點屬性和坐標信息，對于桿件之間實體層面的相對位置關系缺乏相應的細節描述，可能導致不同軟件平臺復原實體模型時有差異。因此參數化模型文件格式和信息還需要進行拓展和深化，建立統一標準才能滿足鐵塔數字化模型的遠期需要。

下面首先對鐵塔參數化模型文件的數據結構進行了介紹；然后從細化桿件相對位置關系的角度出發，分析了桿件空間位置的計算方法，指出目前參數化模型文件在表達鐵塔桿件構造信息上存在不足之處；最后提出一種能更詳細表達桿件相對位置關系的方法。

1 鐵塔模型文件格式

國家電網公司三維設計技術標準[2-3]規定鐵塔模型包括通用模型、產品模型和裝配模型，并對模型深度和包含信息作出了如下規定：

1)通用模型采用參數化模型，文件格式為MOD，文件內容包含節點、桿件(不含規格、材質)、掛點、接身接腿、呼高信息；

2)產品模型采用參數化模型，文件格式為MOD，文件內容包含節點、桿件(含規格、材質、肢朝向)、掛點、接身接腿、呼高信息；

3)裝配模型采用圖形化建模，文件格式為STL。

MOD格式的參數化模型文件的數據結構繼承了TTA和滿應力鐵塔計算程序的數據結構形式，信息表達直觀明了，便于信息的交互和應用。

2 鐵塔參數化模型文件解析軟件

在三維數字化設計過程中，鐵塔參數化模型文件可以解析并通過三維平臺進行顯示。圖1、圖2為解析完成的通用模型和產品模型示例。

圖1 鐵塔通用模型

解析鐵塔參數化模型文件需要使用三維建模軟件。目前行業內的商業三維建模軟件均可生產和解析參數化模型文件，主要包括TMA、TwSolid、博超TLD三維平臺、國遙三維平臺等。對以上建模軟件進行比較分析，結果如表1所示。

圖2 鐵塔產品模型

表1 鐵塔參數化建模軟件比較

由表1可知，TMA和TwSolid為兩款專業的放樣軟件，在國內的鐵塔加工廠家已經有多年的應用經驗。而另外3種建模軟件主要服務于設計單位的三維設計平臺中的鐵塔參數化建模和數字化移交。因此TMA和TwSolid的適用性更強，從而選擇TMA軟件平臺進行參數化模型文件的研究測試。

3 鐵塔信息參數化表達的拓展

3.1 差異分析

從圖1和圖2可以看出，通用模型只能顯示節點和線條，產品模型則能表達構件規格。這是因為產品模型MOD文件信息是由模型參數信息、掛點信息和接身接腿信息3部分構成，其中模型參數信息中的桿件信息決定了模型顯示的桿件三維效果。從表2產品模型參數信息可以看出，桿件信息一般是通過計算模型文件中的節點坐標和桿件規格信息轉換生成。

表2 產品模型參數信息表

圖3 構件空間位置計算

構件空間位置簡圖如圖3所示。鋼管構件為中心對稱的截面型式，則生成三維模型時只需要獲取節點坐標和鋼管規格即可，但角鋼并非截面中心對稱構件，因此MOD文件中將角鋼棱線作為默認芯線。角鋼桿件的空間位置計算方法為：1)根據文件中節點坐標信息確定桿件的起止端點及位置；2)根據文件中桿件規格信息確定截面尺寸；3)確定截面X和Y肢的矢量方向，注意X和Y肢均垂直于端點連線方向，且X和Y肢正交。

圖4為MOD文件生成產品模型節點圖，從圖中可以看出，由于MOD文件對角鋼芯線沒有定義，程序默認角鋼棱線為鐵塔模型的芯線，即棱線和芯線默認是重合的。

圖4 MOD文件生成產品模型節點

但實際鐵塔構圖時，為了保證受力合理通常是將角鋼的第1排芯線(或中心線)作為構圖準線，如圖5所示。

圖5 按常規構圖生成產品模型節點

從圖4可以看出，角鋼棱線的兩個端點與單線節點重合后，模型外形與圖5有一定差異。這是因為常規鐵塔的桿件均由等邊角鋼組成，等邊角鋼是一種軸對稱的截面形式，由相互正交的X肢和Y肢組成，Z方向為構件軸向。在實際構造處理時，角鋼連接必須先確定芯線的位置，才能確保構造合理、受力清晰。而MOD文件未明確角鋼芯線的距離，如果僅以角鋼棱線作為理論芯線，則必然會造成生成的數字化模型角鋼外楞線無法對齊。這就造成參數化模型與實際模型存在構造尺寸的差異。

因此MOD格式的參數化模型尚不能正確表達出產品模型的尺寸信息，只有對構件的數據結構進一步補充拓展，才能將上述構造信息表達出來。

3.2 確定構圖基準面

為了建模方便，統一取角鋼中心線為建模芯線。結合結構圖繪制的一般原則，先確定塔身變坡所在平面為基準面，使變坡處主材的芯線交點之間的距離與變坡寬度相等。則變坡上下桿件的芯線偏移值按照棱線對齊的原則計算，定義Δx和Δy為角鋼芯線相對于節點連線的偏移值。變坡位置鐵塔芯線如圖6所示。

圖6 變坡位置鐵塔芯線

3.3 桿件之間相對位置關系的表達

角鋼塔的構件類型一般包括單角鋼、十字雙組合角鋼、T型雙組合角鋼和四組合角鋼，角鋼塔構件類型見表3。

表3 角鋼塔構件類型

3.3.1 單角鋼

上下單角鋼建模偏移值計算如圖7所示，當上下角鋼的外棱平面對齊后，上面較小的角鋼相對于節點連線存在X肢和Y肢兩個方向的芯線偏移值。

圖7 上下單角鋼建模偏移值計算

通過計算，則

Δx上=Δy上=(B下-B上)/2

(1)

Δx下=Δy下=(B上-B下)/2

(2)

式中：Δx上和Δy上為上主材角鋼的芯線偏移值；Δx下和Δy下為下主材角鋼的芯線偏移值；B上和B下分別為上、下主材的肢寬。

3.3.2 十字組合角鋼

在MOD文件中，對于組合角鋼采用每根角鋼逐行描述的方式，如：

R,2813,3023,L200X24,Q420,0.986 248,0.027 696,-0.162 937,-0.027 696,-0.986 248,-0.162 937；

R,2813,3023,L200X24,Q420,-0.986 248,-0.027 696,0.162 937,0.027 696,0.986 248,0.162 937。

上面兩行在MOD文件中表達的是2813-3023桿件采用了L200X24的雙組合角鋼。鐵塔十字型雙組合和四組合兩種構造方式類似，因此下面僅針對十字型雙組合角鋼進行分析。

對十字型雙組合角鋼，其構造中心為角鋼的形心，因此A和B角鋼的偏移值均可以通過單角鋼中心與組合角鋼形心的距離來計算，如圖8所示。

通過計算，則

ΔxA=-B十/2

(3)

ΔxB=B十/2

(4)

ΔyA=-B十/2

(5)

圖8 單角鋼與十字組合角鋼連接偏移值計算

(6)

式中：ΔxA和ΔyA為十字組合A角鋼的芯線偏移值；ΔxB和ΔyB為十字組合B角鋼的芯線偏移值；B十為十字組合角鋼中單根角鋼的肢寬。

3.3.3 T型組合角鋼

同理，對于T型組合角鋼，一般可認為其構造中心軸為X肢中心連線，因此A和B角鋼的偏移值均可以通過中心線交點與構造中心的距離來計算。T型組合角鋼偏移值計算如圖9所示。

圖9 T型組合角鋼偏移值計算

從圖中可以得出，對T型組合角鋼A和B角鋼的X肢偏移值相同，Y肢偏移值相反。

通過計算，則

ΔxA=ΔxB=-(BT-B單)/2

(7)

ΔyA=(BT-B單)/2

(8)

ΔyB=-(BT+B單)/2

(9)

式中：ΔxA和ΔyA為T型組合A角鋼的芯線偏移值；ΔxB和ΔyB為T型組合B角鋼的芯線偏移值；BT為T型角鋼中單根角鋼的肢寬；B單是單角鋼肢寬。

3.4 對MOD文件桿件信息的拓展

綜上所述，對MOD文件的桿件信息進行擴展，增加了芯線偏移值，其數據結構如下所示：

“桿件信息R，節點編號1，節點編號2，規格，材質，肢朝向(X肢朝向，Y肢體)，芯線偏移值(X肢，Y肢)”。

示例如下：

R,2813,3023,L200X24,Q420,0.986 248,0.027 696,-0.162 937,-0.027 696,-0.986 248,-0.162 937,-100,-100；

R,2813,3023,L200X24,Q420,-0.986 248,-0.027 696,0.162 937,0.027 696,0.986 248,0.162 937,100,100。

其中最后2個數值表示角鋼X肢和Y肢芯線的偏移值。

4 鐵塔MOD拓展信息的應用

TMA軟件支持用戶設置構件以棱線或者芯線方式建模。下面以一種500 kV同塔雙回路耐張塔為例，通過TMA軟件測試了鐵塔模型增加了芯線偏移值前后的解析結果。該塔型塔身主材采用了單角鋼和十字組合角鋼。單角鋼接頭位置和單變雙位置的節點示例如圖10和圖11所示。

圖10 單角鋼調整前后MOD文件解析結果

圖11 單變雙角鋼調整前后MOD文件解析結果

從圖10和圖11可以看出，增加了角鋼芯線偏移值后，鐵塔三維模型的信息表達和實際結構更加接近，因此這種拓展方式是可行的。

5 結 語

鐵塔參數化模型是對鐵塔模型尺寸和構造信息的數字化表達，MOD文件是當前通用的參數化建模方式。從增加桿件相對位置關系的角度出發，分析了桿件空間位置的計算方法，指出目前參數化模型文件在表達鐵塔桿件構造信息上存在不足之處；最后提出一種能更詳細表達桿件相對位置關系的方法。由于真實鐵塔是由桿件、聯板、螺栓等組成的空間結構體，而MOD文件目前僅能描述桿件和節點坐標信息，還不能延伸至節點板和螺栓信息的表達。因此探討更全面的鐵塔參數化建模方式將成為三維數字化建模后續研究的方向之一。