沿海山區輸電線路工程數字化設計深化應用

林 銳，李逸健，秦紀賓，方 序，張文翔，李宏進，林原辰

( 中國電建集團福建省電力勘測設計院有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

我國電網規模目前已居世界第一位，數字化電網建設、環境友好型電網建設、現代企業管理和設計發展的戰略需求[1]都對設計技術的發展提出了新的挑戰，采用三維數字化設計技術是電網設計行業發展的必然選擇，也是大數據時代發展的必然要求。以建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術為基礎的三維設計工作經過多年的發展日趨成熟[2-3]，近些年，在民用建筑、水利水電等大型工程項目中已經廣泛采用基于BIM 技術的三維設計工作，并逐步取得了良好的效益。在提升設計質量、節約管理成本、提高交流效率等方面，BIM 較傳統設計都有更出色的表現。

相比建筑領域，電網工程特別是輸電線路建設領域開展三維數字化設計相關的研究起步較晚，但在國家電網有限公司的大力推動下，市場上幾個主流廠商已初步開發出適用于輸電線路工程的三維數字化設計商用平臺[4-6]，目前國內輸電線路工程對數字化設計技術的應用逐漸由三維設計成果的管理及展示向真正意義上的工程應用及全過程協同設計轉變[7-13]。本文依托福建漳州—泉州500 kV I、II 回線路開斷進集美變工程，結合沿海山區輸電線路的特點，對數字化設計在輸電線路工程設計中的深化應用進行論述。

1 數字化平臺功能

輸電線路三維數字化設計平臺實現了測量、地質、水文氣象、電氣、結構、技經等專業的“橫向協同”和各設計階段的“縱向貫通”，可滿足線路工程可研、初設、施工圖及竣工圖設計等階段要求，完成線路走廊地理信息數字化、線路工程本體設計、經濟指標計算及數字化移交等功能，如圖1 所示。

圖1 數字化平臺總體功能

2 依托工程特點

工程位于廈門市經濟發達地區，線路沿線障礙物及敏感點眾多、路徑走廊極為擁擠、工程多數塔位基面地形陡峭、塔位相對高差較大，線路連續跨越500 kV 電力線4 次，受山地塔位地形及障礙物影響，跨越點及跨越方案選擇困難。同時工程所在地區經常受到臺風侵襲，提高抗風能力是工程設計考慮的重點之一。工程地理位置如圖2 所示。

圖2 依托工程地理位置

3 線路走廊信息模型

傾斜攝影測量技術是國際測繪領域近年來發展起來的一項高新技術[14]，通過航空器搭載相機對地表進行拍攝，相機對地進行一定角度的傾斜，能有效獲取地表各個角度的信息。本工程傾斜攝影建模使用ZR-60M 六軸碳纖維無人機平臺，搭載SONY DSC-RX1RM2 相機、自動化航攝飛行控制系統和全球定位系統(GPS)，單次續航時間60 min，巡航速度：65 km/h。工程攝影成果如圖3 所示。

圖3 線路走廊傾斜攝影成果

4 三維數字化平臺深化應用

4.1 線路選線及優化

在三維系統中通過建立矢量地理信息、設置障礙物緩沖半徑，系統可自動分析輸電線路周邊敏感點的影響，在交互設計過程中對控制線路走向的自然保護區、大型建筑、礦區等設施進行繞避。

1)進出線段路徑優化

針對變電站出線段障礙物密集的情況，結合傾斜攝影數據所建立通道范圍內重要設施三維模型，運用空間三維分析技術及平臺電磁環境計算，通過對鄰近多層結構房屋進行空間距離及電磁環境準確評估，如圖4、圖5 所示。

圖4 避讓大型樓房

圖5 樓房附近空間電場強度計算

在確保線路出線偏角在安全范圍前提下，合理控制出線終端塔立塔位置及鐵塔高度，減少房屋拆遷量約6 500 m2。

2)采石場附近線路三維選線

利用采石場及輸電線路的數字高程模型(digital elevation model，DEM)數據，結合爆破飛石運行軌跡理論，實現爆破飛石運行軌跡三維模擬(見圖6)，組建起一個集數字模擬、空間分析、影響評價于一體的輸電線路與采石場安全距離的評價體系，充分考慮山體對爆破飛石的遮蔽效應，輸電線路與采石場的避讓距離可由500 m 縮小至280 m，從而合理優化了路徑長度及轉角塔數量。

圖6 爆破飛石飛行軌跡三維模擬

4.2 桿塔排位及桿塔規劃

充分利用三維數字化設計系統二、三維場景聯動設計功能，能夠做到三維地理信息實時分析、線路路徑方案實時調整、二三維平斷面桿塔布置實時校驗(見圖7)，提高了線路設計排塔定位的工作效率。

圖7 二、三維協同排位

利用三維數字化設計平臺進行桿塔排位成果，進行桿塔使用條件的統計分析。綜合考慮線路走廊、防風偏、防雷性能、結構布置、美觀等因素，直線塔采用“3V 串”布置，為解決大風區因V 串夾角大帶來的電氣間隙問題，懸垂塔設計為雁翅形狀拱形橫擔，造型靈動優美，與常規平橫擔相比，層高降低0.4 m，走廊寬度減小27.5%，電氣間隙緊湊、結構受力合理。桿塔規劃及建模計算成果如圖8 所示。

圖8 桿塔規劃及三維建模成果

4.3 桿塔結構優化

針對本工程屬于臺風多發區的特點，塔身變坡以下增加兩處橫隔面(見圖9)。無橫隔面方案塔身段4 階模態為交叉斜材局部振動，增加橫隔面方案前4 階模態沒出現局部振動，可以看出增加橫隔面可有效避免局部振動及變形，提升桿塔抗風承載力和變形能力。

圖9 增加塔身橫隔面前后示意圖及模態對比

4.4 基礎選型及優化

1)新型復合式基礎

針對山地比例大，塔位常遇到上部為土層、下部為堅硬巖石層情況，以往設計中，沒有考慮土層—巖體與基礎的共同作用機理，按傳統方法采用單一基礎型式進行設計，存在經濟性和可靠性上的不足。

圖10 山區段三維地質模型

圖11 掏挖錨桿復合基礎計算模型及位移云圖

2)螺桿樁基礎

變電站出線終端地質條件為素填土、粉質粘土、砂質粘性土地質，采用螺桿樁基礎。變電站出線段螺桿樁計算模型如圖12 所示，螺桿樁復合地基由螺桿樁和褥墊層組成，螺桿樁成樁過程擠壓樁周土體，提高了樁周土體的強度，螺桿樁上部圓柱段分擔了下部螺紋段的荷載，減少了樁長，與常規灌注樁基礎相比可減少混凝土方量約30%。

圖12 變電站出線段螺桿樁基礎模型

4.5 重要交叉跨越校驗

可研路徑方案在連續跨越兩條500 kV 線路時從被跨線路桿塔的塔頭上方跨越，這將使跨越塔的呼高增高，且跨越檔檔距較大，不利于帶電施工封網跨越。在三維真實場景中，對區域附近地形、跨越線路及周圍設施進行分析，對跨越點進行優化(見圖13)，避免跨越原線路塔頭，且使跨越交叉角度更大、使檔距分布更加合理，跨越塔呼高由81 m 降低至60 m，經濟效益顯著。

圖13 跨越500 kV線路區段跨越點優化

4.6 電氣間隙三維校驗

利用三維鐵塔模型，采用三維“間隙球”“間隙柱”的方式，展現導線及絕緣子串在靜止狀態和風偏擺動狀態下的真實空間姿態，實現電氣間隙自動校驗，如圖14 所示。有效的解決了山區工程設計中大高差條件下跳線對鐵塔間隙、導線小弧垂對鐵塔間隙等電氣間隙校驗的技術難題。

圖14 跳線三維“間隙柱”電氣校驗

4.7 碰撞檢查和連接校驗

如圖15 所示，利用金具三維組裝系統實現對金具串的組裝，系統可以自動進行碰撞實驗、判斷能否連接并進行強度校核。桿塔放樣后可在三維模型上直觀體現塔材之間、螺栓與塔材、螺栓之間的碰撞。基礎三維模型可校核基礎地腳螺栓或插入角鋼與桿塔模型能否正確組裝，校驗地腳螺栓和鋼筋的碰撞。通過三維碰撞校驗可大大節省人工校驗的時間，提高效率約25%。

圖15 三維碰撞檢查和連接校驗

4.8 線路通道清理設計

線路通道清理設計主要包含了房屋拆遷圖設計和林木砍伐圖設計，利用傾斜攝影數據結合測量專業現場補充調查的信息進行房屋、林木實景進行參數化建模(房屋位置、房屋面積、林木位置、林木種類、林木高度等)。

通過系統對實景模型的建立，可以在指定走廊寬度內進行房屋面積量測、統計，利用我院自主研發的房屋信息處理系統全自動生成房屋拆遷分布圖、一戶一卡圖，如圖16 所示。

圖16 通道內房屋及自動生成的房屋分布圖

山區地形起伏較大，同時受檔距和弧垂影響，線路風偏時檔距中央偏離線路中心最遠而塔身處偏離最近，導線實際影響范圍的水平投影為紡錘形狀，傳統二維平面難以繪制林木風偏砍伐斷面。在三維場景中，把導線懸鏈線投影離散為多邊形，并給出各個點的坐標，自動計算導線風偏與林木的位置關系確定砍伐范圍并對樹木砍伐進行自動判斷和統計。

山區導線風偏及紡錘形砍樹示意如圖17所示。

圖17 山區樹木三維實景及砍伐示意圖

紡錘形砍樹方案減少了10%～20%的林木砍伐量，節省了工程投資。既保障了線路安全運行，又保護了生態環境。

4.9 輔助環水保設計

通過高精度地理影像，利用三維數字化設計平臺，真實還原原始地形和地貌，可準確進行全方位長短腿和不等高基礎的配置，同時邊坡三維設計能充分考慮水保措施與原狀地形的貼合，如圖18 所示。實現了塔基環水保設計由傳統的粗放式變為精細化設計，最大程度減小工程建設對生態環境的擾動。

圖18 三維輔助設計塔基護坡

4.10 輔助施工組織設計

利用輸電三維數字化設計平臺構建的三維環境，結合現場踏勘情況，在平臺進行臨時道路繪制，區分道路修筑、道路拓寬、道路硬化等不同修筑方案，滿足施工機械道路需求，減少臨時道路修建量。通過數字化平臺，結合地形和牽張分段，初定牽張場位置，并采用三維手段進行精細化布置，如圖19 所示。

圖19 施工道路分布圖及牽張場三維布置

5 結語

充分發揮三維可視化優勢，彌補傳統二維設計在工程路徑優化、桿塔排位及桿塔規劃、桿塔結構優化、基礎選型及優化、重要交跨校驗、電氣三維校驗、碰撞檢查、通道清理、輔助環水保設計等方面的不足，有效提高設計質量。

雖然目前相對于傳統二維設計，還存在著模型構建工作量大、缺乏配套的數字化設計技術和質量管理體系、設計輔助工具與平臺兼容性不強、對設計人員要求高等問題，但隨著數字化技術的深入探索和廣泛應用，其技術優勢和潛在價值將得到充分發揮，實現環境友好型、資源節約型的高端數字化輸電線路設計目標，為智能化電網建設和管理打下堅實的基礎。