一種基于三維模型的輸電線路塔基設(shè)計(jì)方法

李美峰，馮運(yùn)超，駱俊林，黃 興，梁 明，李 力

(中國電力工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

目前輸電線路塔基設(shè)計(jì)方案一般是在塔基斷面圖和塔基地形圖上標(biāo)繪的，塔位范圍為寬30～50 m的方形區(qū)域。設(shè)計(jì)單位對塔基區(qū)的塔腿、基礎(chǔ)、防護(hù)設(shè)施、水保措施進(jìn)行設(shè)計(jì)和計(jì)算后，將圖紙交付施工單位。由于線路工程大多位于野外，塔位范圍內(nèi)存在地形起伏且與周邊環(huán)境關(guān)系密切，尤其是在設(shè)計(jì)水土保持方案時(shí)需要考慮塔基對周邊100～200 m內(nèi)外部環(huán)境的影響。因此，在塔位地形圖和斷面圖上標(biāo)繪的方式不能充分體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖。在工程實(shí)施的過程中，常常發(fā)生施工人員對塔基設(shè)計(jì)圖紙理解偏差、設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)工程量考慮不全面等問題。

近年來，三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)在輸電工程中逐步推廣應(yīng)用。采用三維數(shù)字化的設(shè)計(jì)手段建立三維模型，可更直觀地表達(dá)設(shè)計(jì)意圖；通過數(shù)據(jù)庫技術(shù)來管理和分析各種設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可更快捷地查詢各種信息，使數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)更加精確從而提高設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量。因此，塔基設(shè)計(jì)也可利用三維數(shù)字化技術(shù)進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

國內(nèi)對塔基設(shè)計(jì)及優(yōu)化工作做了大量研究。文獻(xiàn)[1]提出了一種塔基數(shù)字地面建立的方法。文獻(xiàn)[2]研究了基于地理信息系統(tǒng)平臺ArcGIS和可視化類庫VTK(visualization toolkit)的等高線地形圖三維可視化技術(shù)。文獻(xiàn)[3]提出了一種基于ObjectARX應(yīng)用程序的塔腿基礎(chǔ)接腿自動配置以及塔基地形和斷面自動繪制技術(shù)。文獻(xiàn)[4]提出了基于軟件開發(fā)包Teigha的塔基斷面圖自動繪制及長短腿自動配置技術(shù)。文獻(xiàn)[5-9]分析和研究了塔基設(shè)計(jì)中的水土保持措施、環(huán)境保護(hù)措施和基礎(chǔ)選型等內(nèi)容。文獻(xiàn)[10]研究了鐵塔長短腿和高低基礎(chǔ)配置的優(yōu)化方法。文獻(xiàn)[11]研究和應(yīng)用了輸電線路三維基礎(chǔ)設(shè)計(jì)場景構(gòu)建技術(shù)。上述文獻(xiàn)雖然從不同層面研究了塔基設(shè)計(jì)的相關(guān)技術(shù)，但是沒有涉及對整個(gè)塔基設(shè)計(jì)方案的綜合評價(jià)，因而無法從根本上提升塔基設(shè)計(jì)的精細(xì)化水平。

目前輸電工程塔基設(shè)計(jì)和施工所依據(jù)的文件仍是二維圖紙。但是，基于三維數(shù)字化技術(shù)對二維成果進(jìn)行驗(yàn)證并輔助完成方案優(yōu)化是可行的。下面從二維設(shè)計(jì)的薄弱點(diǎn)入手提出一種基于三維模型的塔基設(shè)計(jì)方法。該方法從建模規(guī)則和軟件架構(gòu)兩個(gè)方面出發(fā)，首先借鑒參數(shù)化建模的思路，建立塔基設(shè)計(jì)主要元素的三維數(shù)字化模型體系。然后，基于開源的三維平臺，開發(fā)了一款塔基設(shè)計(jì)三維建模軟件。最后，針對工程中實(shí)際塔位進(jìn)行建模，驗(yàn)證并分析了三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用于塔基設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性與合理性。

1 塔基設(shè)計(jì)主要內(nèi)容

結(jié)合工作過程分析，塔基設(shè)計(jì)主要的工作內(nèi)容如表1所示。

表1 塔基設(shè)計(jì)工作內(nèi)容

輸電線路塔基設(shè)計(jì)的最終成果主要是以圖紙的形式體現(xiàn)，其常規(guī)格式如圖1所示，其中包含鐵塔使用條件、塔腿配置、基礎(chǔ)配置、地形地貌描述、施工說明、水土保持設(shè)計(jì)等模塊。

圖1 塔基設(shè)計(jì)二維成果

2 塔基設(shè)計(jì)優(yōu)化的技術(shù)方案

2.1 二維設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)及對策分析

從圖1可以看出，用二維圖紙描述塔基設(shè)計(jì)方案存在以下缺點(diǎn)：

1)空間位置關(guān)系表達(dá)不直觀

二維圖紙只能表達(dá)塔腿方向剖面和地形平面中地物模型的相對位置關(guān)系，當(dāng)?shù)匦纹鸱^大時(shí)，平面表達(dá)方式不夠直觀明確。另外，當(dāng)塔基范圍內(nèi)修筑防護(hù)措施時(shí)，斷面圖上只能反映塔腿方向的相對位置關(guān)系，超出斷面則無法準(zhǔn)確測量。

2)工程量計(jì)算與實(shí)際存在差異

由于塔基設(shè)計(jì)過程中的基面土石方、基礎(chǔ)外露、防護(hù)措施工程量均需計(jì)入地形影響，而二維圖紙只能從平斷面上進(jìn)行簡化計(jì)算，容易造成工程量與實(shí)際發(fā)生量存在差異。

3)塔位與環(huán)境的關(guān)系表達(dá)不全面

從宏觀來看，塔基是線路工程的一連串節(jié)點(diǎn)。當(dāng)需要對線路工程進(jìn)行總體評價(jià)時(shí)，這種一塔一圖的表達(dá)方式不能體現(xiàn)出線路工程在整個(gè)通道范圍內(nèi)對周邊環(huán)境的影響。

針對二維設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)，三維數(shù)字化技術(shù)可以利用二維設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)建立三維模型，從而直觀表達(dá)模型之間的位置關(guān)系，還可進(jìn)行距離測算；而地理信息系統(tǒng)(grographic information system,GIS)平臺可在更大范圍內(nèi)體現(xiàn)整個(gè)工程在現(xiàn)實(shí)世界中的位置。因此，提出基于當(dāng)前廣泛應(yīng)用的三維數(shù)字化技術(shù)和GIS平臺，根據(jù)塔基設(shè)計(jì)二維成果數(shù)據(jù)建立塔基范圍內(nèi)三維小場景和三維GIS平臺中大場景的優(yōu)化方案，如圖2所示。

圖2 塔基三維設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

2.2 塔位小場景優(yōu)化方案

塔位小場景方案指通過三維建模軟件將塔基區(qū)工程實(shí)地測量范圍內(nèi)的主要設(shè)施進(jìn)行建模，通過三維模型表達(dá)塔位地形、塔腿、基礎(chǔ)、防護(hù)措施、地質(zhì)條件等信息，如圖3所示。這種方式可直觀體現(xiàn)出各種設(shè)施的空間位置關(guān)系，同時(shí)還能進(jìn)行距離測算，當(dāng)方案不合理時(shí)，重新修改二維設(shè)計(jì)方案，從而綜合評價(jià)塔基設(shè)計(jì)方案的合理性。

圖3 塔位小場景構(gòu)建

2.3 塔位大場景優(yōu)化方案

由于塔基工程測量范圍一般不超過50 m，因此在考慮100～200 m更大范圍的場地因素時(shí)，必須借助GIS平臺進(jìn)行建模分析。塔位大場景方案即通過GIS系統(tǒng)可視化技術(shù)將塔基三維模型與GIS平臺相結(jié)合，在輸電線路全景模型中仿真模擬塔基設(shè)計(jì)方案，從而綜合評價(jià)方案的合理性，如圖4所示。

圖4 塔位大場景構(gòu)建

3 塔基設(shè)計(jì)三維建模流程

結(jié)合圖2的技術(shù)路線，對塔基設(shè)計(jì)三維建模流程如下：

1)完成塔基二維設(shè)計(jì)，形成基礎(chǔ)配置成果。

2)構(gòu)建鐵塔塔腿、基礎(chǔ)、防護(hù)設(shè)施的參數(shù)表。

3)輸入基礎(chǔ)配置成果(包含排位信息、塔腿配置、基礎(chǔ)配置等)。

4)輸入勘測提資的塔位地形數(shù)據(jù)和巖土信息。

5)調(diào)用參數(shù)表，通過基礎(chǔ)配置成果和勘測數(shù)據(jù)生成塔位小場景。

6)在塔位小場景中，根據(jù)設(shè)計(jì)要求添加防護(hù)措施模型，通過空間距離分析確定防護(hù)措施合理性。隨后確定其他水土保持措施和施工措施，統(tǒng)計(jì)工程量。

7)當(dāng)方案不合理時(shí)，返回步驟1重新設(shè)計(jì)。

8)進(jìn)入GIS平臺，將塔基設(shè)計(jì)三維模型經(jīng)坐標(biāo)變換后加載到大場景中，隨后完成方案評價(jià)。不合理的方案重新返回步驟1進(jìn)行調(diào)整。

工作流程如圖5所示。

圖5 塔基三維設(shè)計(jì)工作流程

4 塔基設(shè)計(jì)建模規(guī)則

塔基三維設(shè)計(jì)的主要元素包括地形、地質(zhì)、塔腿、基礎(chǔ)和防護(hù)設(shè)施。參照國家電網(wǎng)公司《輸變電工程三維設(shè)計(jì)建模規(guī)范》[12]的規(guī)定，三維模型應(yīng)描述類型、空間位置、幾何尺寸信息和材料屬性，盡量采用參數(shù)化建模。下面分別分析各種要素的建模規(guī)則。

4.1 塔基地形模型

由于塔基地形圖是由一系列離散高程點(diǎn)和等高線組成的測繪數(shù)據(jù)，不含絕對坐標(biāo)，因此不屬于涉密資料。塔基地形圖的文件格式一般為*.dwg或*.dxf，通過格式轉(zhuǎn)換可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)文件，利用程序生成三維地形模型。圖6為通過等高線拉伸形成的地形曲面模型。

圖6 塔基地形圖三維建模示例

4.2 地質(zhì)模型

塔基地質(zhì)模型主要用于體現(xiàn)A、B、C、D 4個(gè)接腿下的巖土分層信息，主要參數(shù)為塔腿序號、巖土類型、巖層厚度，其中地質(zhì)的巖土類型和巖層厚度根據(jù)巖土專業(yè)提資來確定。表2展示了某個(gè)常規(guī)塔位各塔腿的巖土分層信息。

表2 某塔位各接腿巖土分層信息

由于現(xiàn)場勘測時(shí)，地質(zhì)專業(yè)一般只提供4個(gè)塔腿位置的地質(zhì)分層信息，而構(gòu)建三維模型需要反映整個(gè)塔基范圍內(nèi)的地質(zhì)分層情況，因此接腿之間的區(qū)域通過插值計(jì)算，從而形成分層的地質(zhì)三維模型，如圖7所示。

圖7 塔基地質(zhì)模型三維建模示例

4.3 基礎(chǔ)模型

輸電線路常用的樁基、大板、承臺樁等基礎(chǔ)形式，均可通過參數(shù)化構(gòu)建。以樁基礎(chǔ)為例，其參數(shù)包括樁基全高H、直段高度H1、擴(kuò)底斜段高度H2、擴(kuò)底直段高度H3、基礎(chǔ)立柱直徑d、擴(kuò)底直徑D，三維模型及參數(shù)如圖8所示。另外，直接讀取基礎(chǔ)*.mod文件也可獲取基礎(chǔ)尺寸信息。

圖8 樁基礎(chǔ)三維模型參數(shù)

4.4 塔腿模型

通過輸入塔腿的三維模型參數(shù)包括塔型、單面坡度、變坡口寬、變坡上折減高度、呼高、接身高、接腿高等，即可構(gòu)建塔腿模型，其參數(shù)如圖9所示。另外，直接讀取鐵塔*.mod文件也可獲取接腿信息。

圖9 塔腿三維模型參數(shù)

4.5 防護(hù)措施模型

4.5.1 參數(shù)構(gòu)建

防護(hù)措施主要包括堡坎、護(hù)坡、排水溝、防撞樁、擋土墻等，都可通過參數(shù)構(gòu)建。

1)排水溝建模參數(shù)如圖10所示，包括上口寬度、下口寬度、鎖口寬度、深度、壁厚等。

圖10 排水溝建模參數(shù)

2)護(hù)坡、堡坎、擋土墻建模參數(shù)如圖11所示，包括型號、外露高度、基腳埋深、基底逆坡高度、基底寬度、墻頂寬度等。

圖11 護(hù)坡、堡坎、擋土墻建模參數(shù)

3)防撞樁建模參數(shù)如圖12所示，包括外露高度、基腳埋深、截面寬度、截面長度、間距等。

圖12 防撞樁建模參數(shù)

4.5.2 建模方法

防護(hù)措施按模型的組成要素和表現(xiàn)形態(tài)可分為節(jié)點(diǎn)類和路徑類。模型的建模參數(shù)對應(yīng)設(shè)施類型，空間位置控制參數(shù)按節(jié)點(diǎn)和路徑分別對應(yīng)設(shè)置節(jié)點(diǎn)和開放多線段。在三維建模軟件中以模型參數(shù)為基元，以空間位置控制參數(shù)為設(shè)計(jì)表達(dá)，即可實(shí)現(xiàn)防護(hù)措施的參數(shù)化建模。

防撞樁三維建模采用節(jié)點(diǎn)類繪制法，按照節(jié)點(diǎn)布置單個(gè)防撞柱的位置，如圖13(a)所示；程序根據(jù)尺寸參數(shù)自動完成建模，如圖13(b)所示。

圖13 防撞樁建模方法

護(hù)坡、堡坎、排水溝、擋水墻三維建模采用路徑類繪制法，按照拐點(diǎn)繪制路徑，如圖14(a)所示；程序根據(jù)截面尺寸參數(shù)自動完成建模，如圖14(b)所示。

圖14 護(hù)坡、堡坎、排水溝、擋水墻建模方法

4.6 塔位大場景地理信息模型

通過在GIS平臺加載DEM數(shù)據(jù)和數(shù)字正向影像圖(digital orthophoto map，DOM)數(shù)據(jù)，可構(gòu)建包含整個(gè)線路工程和塔位的三維地理信息模型。GIS平臺選擇易智瑞(北京)軟件研發(fā)中心有限公司發(fā)布的ArcGIS 10.7系統(tǒng)[13]，該系統(tǒng)具有突出的數(shù)據(jù)處理能力和兼容性。由于所提研究的目的是完成塔基設(shè)計(jì)方案的綜合評估，僅使用網(wǎng)絡(luò)公開的高程和影像數(shù)據(jù)即可滿足要求，而不需要高精度的DEM和DOM數(shù)據(jù)等涉密資料，因此該系統(tǒng)不存在涉密問題。

5 軟件實(shí)現(xiàn)方案

5.1 程序架構(gòu)

行業(yè)內(nèi)尚沒有專門用于輸電線路塔基設(shè)計(jì)三維建模的通用軟件，因此在開源平臺的基礎(chǔ)上，自主開發(fā)了一款輸電線路塔基設(shè)計(jì)三維建模軟件。該軟件可實(shí)現(xiàn)塔位小場景的構(gòu)建，同時(shí)還可導(dǎo)出鐵塔、基礎(chǔ)、防護(hù)設(shè)施的三維模型。由于塔位小場景采用局部坐標(biāo)系，因此需經(jīng)坐標(biāo)變換才可將模型加載到GIS平臺構(gòu)建的塔位大場景中。三維建模軟件的程序架構(gòu)主要分為功能組件、平臺組件和基礎(chǔ)技術(shù)組件3部分，如圖15所示。

圖15中的基礎(chǔ)技術(shù)組件提供軟件的必要技術(shù)支撐。其中，Open Cascade是一個(gè)專業(yè)的幾何構(gòu)型軟件，適用于各類參數(shù)化零部件的建模，這里使用Open Cascade構(gòu)建塔腿、基礎(chǔ)和防護(hù)設(shè)施等。VTK是一個(gè)網(wǎng)格操作庫，用于將地形圖*.dwg文件進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)地形的三維建模以及挖填方操作。SQLITE是用于管理模型的數(shù)據(jù)庫平臺。BCGPControl是一個(gè)控件庫。

圖15 塔基設(shè)計(jì)三維建模軟件架構(gòu)

平臺組件為軟件提供基礎(chǔ)功能，比如命令管理、工程管理之類。主要服務(wù)于交互操作，可滿足二三維聯(lián)動、多窗口應(yīng)用的操作需求。

功能組件即軟件功能模塊，所有基于界面的設(shè)計(jì)交互均通過功能組件封裝和實(shí)現(xiàn)，并提供建模、導(dǎo)出模型和測距等功能。

通過分析與塔基設(shè)計(jì)相關(guān)的要素，構(gòu)建全過程的塔基設(shè)計(jì)數(shù)字化模型。模型通過參數(shù)驅(qū)動，數(shù)據(jù)分布存儲在底層數(shù)據(jù)庫中。塔基設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過對輸入數(shù)據(jù)的解析，逐步形成分層級的塔基設(shè)計(jì)數(shù)字化模型。主要層級包括工程級、塔位級、方案級，如圖16所示。

圖16 塔基設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

5.2 程序界面

該軟件采用一檔多視的界面布局，可以同時(shí)查看一個(gè)塔基的俯視二維圖、剖面圖以及三維視圖。軟件功能遵循二三維實(shí)時(shí)聯(lián)動的原則進(jìn)行功能開發(fā)，以俯視二維圖為操作核心，以三維及剖面圖作為輔助設(shè)計(jì)視圖，幫助設(shè)計(jì)人員實(shí)時(shí)檢查自己的設(shè)計(jì)效果。圖17為程序界面。

圖17 軟件二三維聯(lián)動界面示例

5.3 操作方法

塔基地形、地質(zhì)、塔腿和基礎(chǔ)模型可直接通過導(dǎo)入勘測提資和配置成果表批量生成。防護(hù)設(shè)施建?？赏ㄟ^設(shè)計(jì)人員在軟件的二維地形圖視口中繪制路徑并修改截面參數(shù)完成。

6 工程應(yīng)用實(shí)例

下面以某山區(qū)線路工程為例，對三維建模方法進(jìn)行驗(yàn)證。某塔位位于山脊頂部，A腿位于山脊后側(cè)斜坡，坡度為25°～30°；C腿位于山脊前側(cè)斜坡，坡度為15°～20°；B、D腿位于脊頂，坡度為10°～15°。設(shè)計(jì)采用人工挖孔樁基礎(chǔ)，配置成果如表3所示。

表3 某塔位塔基設(shè)計(jì)成果

由于余土外運(yùn)困難，設(shè)計(jì)方案經(jīng)評估后采取在C腿左側(cè)約4 m外修筑棄土堡坎的措施，堡坎外露1.2 m，埋深0.8 m，長20 m，二維設(shè)計(jì)地形如圖18所示。

圖18 二維設(shè)計(jì)地形

將二維設(shè)計(jì)的成果數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件中，然后根據(jù)二維設(shè)計(jì)圖在程序中繪制堡坎模型。點(diǎn)擊堡坎模型，軟件自動生成剖切斷面和屬性信息，如圖19所示。從圖中可以看出，堡坎右側(cè)(黃色方框內(nèi))已埋入土體中，因此需要對方案進(jìn)一步優(yōu)化。

(a)三維視圖窗口

(b)三維視圖窗口圖19 根據(jù)二維設(shè)計(jì)三維建模成果

重新調(diào)整堡坎的路徑和露高，使其斷面更加合理，如圖20所示。堡坎長度從20 m減小到15 m，露高從1.2 m調(diào)整為1.5 m。

圖20 三維建模成果調(diào)整

塔位小場景建模完成后，將模型導(dǎo)出，加載到ArcGIS平臺中。從三維地圖視口可以看出，塔位處于山脊，兩側(cè)不適合堆積棄土，修筑堡坎的位置具有合理性和唯一性，如圖21所示。

圖21 模型加載到GIS平臺

綜上所述，經(jīng)過塔位小場景調(diào)整和大場景綜合評估，優(yōu)化后的方案更加合理準(zhǔn)確。

7 結(jié) 論

上面基于三維數(shù)字化技術(shù)，將塔基設(shè)計(jì)成果轉(zhuǎn)化為三維模型，實(shí)現(xiàn)從“二維圖紙繪制”到“三維優(yōu)化設(shè)計(jì)”的轉(zhuǎn)變。采用二三維聯(lián)動設(shè)計(jì)和三維場景仿真模擬的技術(shù)，基于二維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)自動建立三維模型，輔助設(shè)計(jì)人員全面分析塔基設(shè)計(jì)的合理性和可行性，從而提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

但在GIS平臺中批量加載模型時(shí)，考慮到模型精度和GIS平臺的高程數(shù)據(jù)的精度可能相差較大，這時(shí)需在每基塔附近(約 100 m范圍 )地形進(jìn)行修正和平滑處理。這一地形修正技術(shù)還在研究中。

另外，目前塔基設(shè)計(jì)三維模型僅能作為方案優(yōu)化和展示，后期還需研究將塔基設(shè)計(jì)數(shù)字化成果的信息傳遞至建設(shè)管理領(lǐng)域的技術(shù)以及數(shù)據(jù)交互方式[14-15]，實(shí)現(xiàn)塔基設(shè)計(jì)三維模型的導(dǎo)出，并根據(jù)需要提供給相關(guān)單位進(jìn)一步應(yīng)用。