三維建模在電力工程勘察設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

郭獻(xiàn)俊

（福建億興電力設(shè)計(jì)院有限公司，福建泉州 362000）

0 引言

以某110 kV架空線路為例，采用北京百合公司“三維輸電線路設(shè)計(jì)系統(tǒng)”，該軟件綜合運(yùn)用數(shù)字化協(xié)同技術(shù)、地理信息技術(shù)、三維建模技術(shù)，依據(jù)輸變電三維設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)研發(fā)的設(shè)計(jì)軟件。系統(tǒng)以三維數(shù)字地球?yàn)樾畔⒔换ズ涂臻g信息展示窗口，集三維測(cè)量數(shù)據(jù)處理、三維桿塔建模、三維金具組裝、三維電氣設(shè)計(jì)和三維基礎(chǔ)設(shè)計(jì)于一體。設(shè)計(jì)完成后，自動(dòng)輸出標(biāo)準(zhǔn)GIM 文件，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)過程可視化、設(shè)計(jì)成果數(shù)字化、設(shè)計(jì)信息一體化。

1 金具串、導(dǎo)地線、桿塔等建模

1.1 金具串建模

應(yīng)用軟件自帶數(shù)據(jù)庫，金具串圖形化三維金具組裝，可快速組裝I 串、V 串，鼠籠跳線串等。組裝過程中支持金具連接檢查、金具配合尺寸檢查、金具碰撞檢查和金具荷載匹配，組裝后自動(dòng)計(jì)算金具串長(zhǎng)度、重量和受風(fēng)面積。

1.2 桿塔建模

桿塔三維模型準(zhǔn)確反映桿塔型式和外形尺寸，包含使用條件、材料、重量、基礎(chǔ)作用力、地腳螺栓等信息。

2 傾斜攝影建立三維地理信息模型

方案比選流程：明確線路起止點(diǎn)、周邊電網(wǎng)規(guī)劃→網(wǎng)絡(luò)下載影像→據(jù)村莊分布初選多個(gè)路徑方案→至市鎮(zhèn)部門搜集路網(wǎng)、基本農(nóng)田、易燃易爆物分布及規(guī)劃→修改路徑方案→確定航拍范圍→多方案比選→確定最優(yōu)方案。近一年多三維設(shè)計(jì)，獲取傾斜攝影航拍細(xì)化地理信息數(shù)據(jù)，各種影像數(shù)據(jù)對(duì)比見表1。

表1 影像數(shù)據(jù)對(duì)比

綜合以上對(duì)比，本工程采用大疆精靈4 RTK 無人機(jī)，以傾斜攝影的形式進(jìn)行信息采集。并將含有POS 數(shù)據(jù)的圖片進(jìn)行三維建模。解決了正攝影像存在需要手工建立地物模型、地物高程不準(zhǔn)確的難題。為控制成本及建模文件便于處理，本次傾斜攝影模型GSD精度3.29～4.30，建模后可看出所有建筑物外觀及三維尺寸。

3 電氣設(shè)計(jì)

3.1 三維選線

根據(jù)前述路徑方案，按桿塔規(guī)劃使用條件，首先確定轉(zhuǎn)角桿塔位置，再“提取高程”生成路徑中心線、邊導(dǎo)線地形曲線。選線時(shí)首先從3D 界面確定轉(zhuǎn)角塔位，因肉眼判斷出線口的最佳塔位會(huì)存在偏差，建議結(jié)合2D 斷面修改塔位，圖1 是線路通道清理控制面。

圖1 線路通道清理控制面

3.2 立塔架線

立塔架線有“單個(gè)立塔”“樁位立塔”“批量立塔”3 種形式，建議先“樁位立塔”確定轉(zhuǎn)角塔塔型，再“單個(gè)立塔”調(diào)整轉(zhuǎn)角塔呼高、立直線塔及配置導(dǎo)地線及金具。

立塔架線也可采用二、三維聯(lián)動(dòng)方式，該方式可以在所制定路徑方案的基礎(chǔ)上生成二維平斷面圖，進(jìn)行二、三維聯(lián)動(dòng)排塔。通過二維平斷面可以準(zhǔn)確控制桿塔使用條件，通過三維場(chǎng)景可以形象地判斷桿塔所處的環(huán)境情況。二、三維聯(lián)動(dòng)排位，可在二維平斷面和三維場(chǎng)景進(jìn)行隨意切換，準(zhǔn)確掌握線路交跨距離。聯(lián)動(dòng)排位可以提高整體桿塔排位質(zhì)量。

3.3 電氣校驗(yàn)

電氣校驗(yàn)包括交叉跨越距離、導(dǎo)線對(duì)地距離、導(dǎo)地線配合、線間距離、絕緣子串強(qiáng)度、風(fēng)偏、塔串碰撞、平行線路間距校驗(yàn)，風(fēng)偏搖擺角校驗(yàn)，塔串碰撞校驗(yàn)。

設(shè)計(jì)一般考慮耐張段兩側(cè)導(dǎo)、地線張力相同，以減少桿塔不平衡張力，架線時(shí)選擇固定的導(dǎo)地線安全系數(shù)及年平系數(shù)。但若檔距較大、地線弧垂特性不佳時(shí)，導(dǎo)地線配合可能存在不滿足“0.012 L+1”，則需調(diào)整地線安全系數(shù)或年平系數(shù)。

“通用設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)”中直線塔提供Kv 值，本工程按國(guó)網(wǎng)深化原則重新規(guī)劃、深化的桿塔也有Kv 值，但是該Kv 值基于特定的金具串長(zhǎng)，而桿塔允許搖擺角隨著串長(zhǎng)變化而變化，因此桿塔允許搖擺角需根據(jù)實(shí)際懸垂串串長(zhǎng)、均壓環(huán)位置、均壓環(huán)大小進(jìn)行修正。一個(gè)工程中同個(gè)塔型可能使用不同的懸垂串型，故在二維軟件中直線塔搖擺角校驗(yàn)需很多時(shí)間。

而三維軟件中有桿塔、金具串完整的數(shù)據(jù)庫，風(fēng)偏搖擺角校驗(yàn)直接以應(yīng)用串型風(fēng)偏后對(duì)塔構(gòu)件距離是否滿足過電壓距離要求來驗(yàn)算，不需要再人為輸入桿塔各工況搖擺角，可提高校驗(yàn)準(zhǔn)確度、提高工作效率。本三維軟件甚至考慮前后桿塔橫擔(dān)等效長(zhǎng)度，計(jì)算各相導(dǎo)線實(shí)際轉(zhuǎn)角，根據(jù)各相掛點(diǎn)實(shí)際高度，計(jì)算各相導(dǎo)線風(fēng)壓再據(jù)實(shí)算風(fēng)速計(jì)算導(dǎo)線風(fēng)偏搖擺角，該軟件顯著提高計(jì)算精度。

塔串碰撞校驗(yàn)中，在三維環(huán)境下對(duì)鐵塔復(fù)雜節(jié)點(diǎn)、鐵塔、鋼管桿重要連接部位等進(jìn)行碰撞和連接校驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)三維可視化校驗(yàn)，提高設(shè)計(jì)精細(xì)化程度和工作效率。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

圖2 是基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程圖，根據(jù)路徑方案，現(xiàn)場(chǎng)勘查水文氣象、地勘。依據(jù)各塔型基礎(chǔ)受力的大小，運(yùn)用“兩型三新”和有利于機(jī)械化施工的理念，優(yōu)選出了適合本工程的基礎(chǔ)型式：直柱全掏挖、帶擋板掏挖基礎(chǔ)、PPG 后注漿樁基礎(chǔ)等環(huán)保基礎(chǔ)型式。

圖2 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)流程

利用三維應(yīng)用軟件完成基礎(chǔ)受力驗(yàn)算，形成滿足工程需求的基礎(chǔ)三維通用模型。在三維基礎(chǔ)建模后，通過應(yīng)用軟件進(jìn)行基礎(chǔ)材料、工程量的統(tǒng)計(jì)，并輸出相應(yīng)基礎(chǔ)圖紙及材料統(tǒng)計(jì)清冊(cè)。軟件具備逐塔基礎(chǔ)規(guī)劃、設(shè)計(jì)、比選能力，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)首先要進(jìn)行“高低腿”配置、桿塔荷載導(dǎo)入、水文地質(zhì)條件輸入、基礎(chǔ)規(guī)劃、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，生成基礎(chǔ)圖。

4.2 桿塔組立及碰撞分析

三維軟件按實(shí)建模，直觀顯示各部位塔材規(guī)格及連接，可用于輔助選擇桿塔選用組立方案，指導(dǎo)構(gòu)件拼裝，檢驗(yàn)鐵構(gòu)件之間、金具串與塔身是否存在碰撞。

5 存在不足

5.1 修改交跨線路舊線路弧垂設(shè)定

軟件中舊線路架線同新建線路，輸入導(dǎo)線型號(hào)、安全系數(shù)、年平系數(shù)，但舊線路弧垂可能與理論偏差，軟件輸入的安全系數(shù)、年平系數(shù)與實(shí)際線路不符，無法準(zhǔn)確模擬實(shí)際弧垂。建議已建線路輸入觀測(cè)工況的氣溫、線路、掛點(diǎn)及導(dǎo)線、氣象條件等參數(shù)后，按圖3 流程反算出計(jì)算工況弧垂。

圖3 舊線路弧垂處理流程

5.2 桿塔使用條件按導(dǎo)地線分別換算

桿塔建模數(shù)據(jù)包含氣象條件、導(dǎo)地線型號(hào)，而工程實(shí)際設(shè)計(jì)條件可能略低于桿塔庫，特別是覆冰厚度，山區(qū)容易出現(xiàn)垂直檔距超設(shè)計(jì)使用條件，而利用覆冰厚度裕度換算后仍是安全的；其次，導(dǎo)、地線弧垂差異大，建議使用條件按導(dǎo)、地線分開換算。

5.3 增加轉(zhuǎn)角塔轉(zhuǎn)角裕度折算水平檔距換算

轉(zhuǎn)角塔設(shè)計(jì)水平檔距較小，一般只有400 m，應(yīng)用中很容易就超過該值，但塔的轉(zhuǎn)角基本都有裕度，而轉(zhuǎn)角裕度可換算水平檔距，按此方法計(jì)算可大幅增加轉(zhuǎn)角塔使用水平檔距，建議軟件增加此換算功能，避免三維評(píng)審出現(xiàn)校驗(yàn)不通過情況。

5.4 針對(duì)傾斜攝影需改進(jìn)之處

5.4.1 AI 識(shí)別地物類型并校驗(yàn)及統(tǒng)計(jì)

使用傾斜攝影技術(shù)全方位獲取地物三維數(shù)據(jù)及影像，減少現(xiàn)場(chǎng)人工測(cè)量交跨物高度及手工建模，大幅提高設(shè)計(jì)精度及效率。但現(xiàn)軟件把所有影像數(shù)據(jù)均視為地面數(shù)據(jù)，按對(duì)地距離進(jìn)行校驗(yàn)，要求軟件增加AI 技術(shù)，智能識(shí)別地物類型，針對(duì)不同地物執(zhí)行不同電氣校驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，并進(jìn)行通道數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

5.4.2 優(yōu)化規(guī)劃路網(wǎng)、專題數(shù)據(jù)顯示模式

線路設(shè)計(jì)時(shí)需參照規(guī)劃路網(wǎng)設(shè)計(jì)、基本農(nóng)田等數(shù)據(jù)，雖然軟件具備加載規(guī)劃數(shù)據(jù)功能，但是市政部門搜集的規(guī)劃資料為二維樣式，非三維結(jié)構(gòu)，加載后規(guī)劃路網(wǎng)能貼合DEM 文件，但不能貼合傾斜攝影，使用傾斜攝影進(jìn)行三維設(shè)計(jì)時(shí)路網(wǎng)顯示困難，后期軟件需解決該貼合問題。

5.5 匯總不滿足要求結(jié)果

“電氣成果”包含“桿塔使用條件”“交叉跨越校核”“搖擺角計(jì)算”“懸掛點(diǎn)應(yīng)力”“導(dǎo)地線絕緣配合”“絕緣子串校核”等11 項(xiàng)內(nèi)容，計(jì)算書數(shù)據(jù)量大，但沒有突出顯示校核不通過地方，也沒匯總不滿足要求結(jié)果，設(shè)計(jì)排查不便。

6 總結(jié)

總體來講，三維設(shè)計(jì)以數(shù)據(jù)建模為核心，替代了以圖紙?jiān)O(shè)計(jì)為核心的工作模式，實(shí)現(xiàn)了二維平面設(shè)計(jì)向三維設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變，其優(yōu)勢(shì)主要有下述5 個(gè)。

（1）視覺直觀。三維軟件基于航拍影像，如實(shí)體現(xiàn)線路周邊地形、地物，線路路徑選擇可完美避讓民房、敏感點(diǎn)，新建線路與敏感地物水平、垂直距離一目了然，設(shè)計(jì)人員排塔定位可全方位檢查，甚至業(yè)余人員也能一眼看懂?dāng)M建線路。

（2）路徑選線方便。三維選線功能，從3D 影像圖上選擇路徑走向，點(diǎn)擊“高程提取”可瞬間提取選定的路徑走向中心及邊導(dǎo)線斷面，直觀顯示有無大檔差、地形突出點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可據(jù)此優(yōu)化路徑方案，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量前根據(jù)生成的斷面確定塔位，避免危險(xiǎn)點(diǎn)遺漏而造成對(duì)地距離不足。

（3）排塔定位快捷。二、三維聯(lián)動(dòng)排塔，立塔、架線時(shí)即進(jìn)行電氣校驗(yàn)，提高設(shè)計(jì)效率。

（4）精確計(jì)算風(fēng)偏搖擺角。二維軟件校驗(yàn)直線塔風(fēng)偏臨界是個(gè)繁瑣的過程，需逐塔型、串型放樣桿塔結(jié)構(gòu)尺寸、金具串，再計(jì)算出桿塔允許搖擺角，計(jì)算量大，且人工容易出錯(cuò)。而三維軟件有桿塔、金具串三維模型，可準(zhǔn)確計(jì)算出風(fēng)偏是否滿足要求，大幅提高設(shè)計(jì)準(zhǔn)確率及效率。

（5）構(gòu)建數(shù)定化管理平臺(tái)。現(xiàn)運(yùn)維PMS 為二維平臺(tái)，包含線路路徑走向、塔位、塔型、導(dǎo)地線型號(hào)、基礎(chǔ)、金具、材料供貨商，受制于平臺(tái)為二維構(gòu)架，只能平面顯示。而引進(jìn)三維設(shè)計(jì)，建設(shè)、運(yùn)維部門可在此基礎(chǔ)上構(gòu)建數(shù)字化管理平臺(tái)，全方位任意角度查看電網(wǎng)，直觀體現(xiàn)電網(wǎng)與周邊地物關(guān)系，為規(guī)劃、建設(shè)、運(yùn)維、搶險(xiǎn)提供有力支撐。