輸電線路桿塔三維數(shù)字化精確模型構(gòu)建方法和應(yīng)用

國網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 戴 亞 李伯頤 張 楠

建筑信息模型化（BIM）技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)硬件和技術(shù)的發(fā)展和建筑行業(yè)的實(shí)際需求而蓬勃發(fā)展，目前已進(jìn)入建筑、水電、石化等行業(yè)的應(yīng)用階段。BIM 技術(shù)實(shí)際運(yùn)用的目標(biāo)是充分融合規(guī)劃、設(shè)計(jì)、深化、加工、施工、運(yùn)維等各階段輸入、輸出信息，使各專業(yè)基于同一個(gè)模型進(jìn)行工作，充分實(shí)現(xiàn)信息共享、三維集成和協(xié)同設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)效率、保證工程質(zhì)量、節(jié)約成本、縮短工期[1]。但電力輸電線路行業(yè)對BIM 技術(shù)運(yùn)用還處于起步探索階段，實(shí)際工程運(yùn)用也僅是作為施工和加工時(shí)的一種輔助措施。建立全線路完整的三維數(shù)字化模型，從而實(shí)現(xiàn)工程地理信息與設(shè)計(jì)、建設(shè)成果資料的數(shù)字化仿真三維集成系統(tǒng)與可視化管理，以便于設(shè)計(jì)、管理與運(yùn)維人員盡可能及時(shí)、全面、直觀地查看工程相關(guān)信息，還需行業(yè)推進(jìn)[2]。

1 輸電線路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型的重要性及現(xiàn)狀

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，數(shù)字化是重要途徑，在能源化的未來，以三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型構(gòu)件為基礎(chǔ)，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)樞紐平臺(tái)，是提高運(yùn)維管理、提升安全管理、優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)、降低成本等方面的重要手段。但就目前而言，電力行業(yè)從業(yè)人員對于BIM 認(rèn)識(shí)不足、BIM 標(biāo)準(zhǔn)未建立、軟件功能與應(yīng)用需求差距較大，也是三維數(shù)字化推行緩慢的原因。

1.1 輸電線路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型的重要性

輸電線路桿塔數(shù)字化精準(zhǔn)模型是指通過數(shù)字化建模技術(shù)將現(xiàn)實(shí)中的輸電線路桿塔的形態(tài)、尺寸、位置等信息進(jìn)行數(shù)字化處理，從而構(gòu)建出精確的三維模型，以供線路桿塔的運(yùn)維管理、安全管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用。其重要性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，提高運(yùn)維管理水平：通過數(shù)字化模型，讓數(shù)據(jù)可視化，使運(yùn)維人員可以實(shí)時(shí)掌握桿塔的位置和狀態(tài)信息，有助于實(shí)現(xiàn)對輸電線路的快速響應(yīng)和優(yōu)化管理，提高設(shè)備的使用效率和可靠性。第二，提升安全管理水平：數(shù)字化模型能夠?qū)崿F(xiàn)對桿塔的精確定位和識(shí)別，有助于發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理線路桿塔的隱患，提高運(yùn)營安全性。第三，優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)：數(shù)字化模型還能夠?yàn)橐?guī)劃設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考，有利于確定桿塔的位置、高度，以及桿塔間距等參數(shù)，從而為輸電線路的合理布局提供支持。在建設(shè)過程中，數(shù)字化模型還可以提供有效的施工方案，降低施工難度，縮短工期，從而節(jié)約時(shí)間和成本。第四，降低成本提高效率：數(shù)字化模型的應(yīng)用能提高工作效率，降低管理成本，同時(shí)也有利于優(yōu)化設(shè)備的使用和資源配置，從而進(jìn)一步提高整個(gè)輸電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和降低運(yùn)行成本。

1.2 輸電線路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型現(xiàn)狀

架空輸電線路作為電力輸送通道，在整個(gè)電網(wǎng)建設(shè)中體量巨大，如何解決架空輸電線路BIM 模型的創(chuàng)建是BIM 技術(shù)在電力行業(yè)中推廣應(yīng)用必須面對的問題。目前，已有部分單位提出了自己的解決方案，如中國電力科學(xué)研究院開發(fā)的架空輸電線路三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、北京道亨公司開發(fā)的道亨送電線路設(shè)計(jì)成果三維電子化移交平臺(tái)和北京博超時(shí)代軟件有限公司推出的TLD 數(shù)字化三維送電設(shè)計(jì)平臺(tái)。其中，中國電力科學(xué)研究院和北京博超時(shí)代軟件有限公司的平臺(tái)主要側(cè)重的是三維設(shè)計(jì)的過程，在三維模型、特別是鐵塔的三維模型上均只有鐵塔的三維實(shí)體框架，而無桿件間連接的節(jié)點(diǎn)板、螺栓和附屬設(shè)施等零部件，在角鋼的朝向上也比較隨意，無法反映工程現(xiàn)場的實(shí)際情況；道亨公司的平臺(tái)雖然在鐵塔三維模型上面較前面兩家有較大的優(yōu)勢，但是，在創(chuàng)建模型過程中和后期工程信息查詢時(shí)需結(jié)合一系列道亨公司開發(fā)的多款軟件，具有較大的局限性。其實(shí)，以上解決方案均是在滿足國網(wǎng)數(shù)字化移交要求的基礎(chǔ)上開發(fā)出來的產(chǎn)品，但在整體模型的精度和包含工程信息的廣度上離真正的BIM 模型仍有較大的差距，同時(shí)，模型移交后若想在模型中補(bǔ)充工程相關(guān)信息、運(yùn)行維護(hù)信息等也存在一定的困難，從而限制了模型在后續(xù)階段的應(yīng)用。

2 輸電線路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型創(chuàng)新思路

目前，利用三維GIS 的海量影像數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)以及豐富的專題圖數(shù)據(jù)，已實(shí)現(xiàn)對輸電線路三維場景的模擬，雖然在精度上還有所欠缺，但已基本可以滿足前期應(yīng)用的需求；金具、絕緣串和鐵塔基礎(chǔ)涉及的零部件數(shù)量和工程信息相對較少，BIM 模型的創(chuàng)建相對簡單，可用的軟件也較多；唯有鐵塔BIM 模型因其包含的零件數(shù)量多，空間構(gòu)造復(fù)雜，目前已有的解決方案無論在模型的精度上還是在信息的完善程度上均無法滿足后期應(yīng)用的要求。為此，本公司于2013年開展了基于某鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件的研究，該軟件已經(jīng)在土木工程、機(jī)械工程及能源工程得到了廣泛運(yùn)用[3]。為使其運(yùn)用于鐵塔BIM 模型創(chuàng)建，本公司進(jìn)行了研究深入如下。

2.1 論證此軟件創(chuàng)建鐵塔BIM 模型的可行性

此軟件含有豐富的鋼結(jié)構(gòu)材料、截面、螺栓等數(shù)據(jù)庫，同時(shí)，具有完善的復(fù)雜空間碰撞校核功能，適用于各類鋼結(jié)構(gòu)精確三維模型的創(chuàng)建和出圖；其自帶的信息管理功能，能夠快速、便捷地錄入和維護(hù)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、加工、施工和運(yùn)維等全壽命周期的各類信息；具備的強(qiáng)大的二次開發(fā)功能為其在各行各業(yè)的本地化應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。因此，利用此軟件創(chuàng)建鐵塔BIM 模型是可行的。

2.2 對此軟件進(jìn)行二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)鐵塔BIM 模型的快速創(chuàng)建

鐵塔計(jì)算軟件（道亨、TTA）與此軟件的接口程序開發(fā)：通過本接口程序，建模人員可以直接讀取道亨或TTA 的模型數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，在此軟件中快速搭建鐵塔三維實(shí)體框架，減少數(shù)據(jù)傳遞過程中錯(cuò)誤發(fā)生的概率，達(dá)到提高建模效率的目的，如圖1、圖2所示。

圖1 道亨-TTA 與此軟件接口程序

圖2 導(dǎo)入截面和效果

輸電鐵塔智能節(jié)點(diǎn)庫開發(fā)：此軟件提供了一套內(nèi)置的智能節(jié)點(diǎn)庫，但僅有少數(shù)幾個(gè)適用于輸電鐵塔，為了快速、精確建模，要開發(fā)一套適用于輸電鐵塔的節(jié)點(diǎn)，如鐵塔中常用的X 型節(jié)點(diǎn)、K 型節(jié)點(diǎn)等，如圖3所示。

圖3 開發(fā)的鐵塔常用節(jié)點(diǎn)（部分）

圖4 鐵塔工程應(yīng)用

圖5 鋼管桿工程應(yīng)用

工程應(yīng)用。利用此軟件可快速精準(zhǔn)地將模型的復(fù)雜部分處理剖析，并為后續(xù)加工及施工階段增加便利。不僅如此，三維建模在工程中的實(shí)際應(yīng)用，可為大跨越、鋼管塔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的輸電線路項(xiàng)目順利進(jìn)行提供技術(shù)支持。此類塔形節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，且連接構(gòu)件數(shù)量較多，節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的空間角度及布置形式也不規(guī)則，因此三維技術(shù)在工程中的應(yīng)用，如快速建模、碰撞檢查，并可以實(shí)現(xiàn)透視功能和創(chuàng)建任意切割面，以全面展現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)布置就顯得至關(guān)重要。

通過本課題的研究和應(yīng)用結(jié)果表明，利用此軟件強(qiáng)大的二次開發(fā)功能和信息管理功能，完全能夠?qū)崿F(xiàn)鐵塔BIM 模型的創(chuàng)建，同時(shí)，模型的精度和信息的完善程度也可滿足后期應(yīng)用的要求。

3 輸電線路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型展望

目前，電力行業(yè)BIM 應(yīng)用大家普遍關(guān)注的焦點(diǎn)還停留在滿足國網(wǎng)數(shù)字化移交的層面，隨著行業(yè)軟件的開發(fā)、改進(jìn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，相信BIM 技術(shù)將被電力工程項(xiàng)目越來越多的環(huán)節(jié)所采用：在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)各專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、模型硬碰撞和軟碰撞校核、造價(jià)分析等，使設(shè)計(jì)工作變得更加合理、高效，減少施工階段的變更；在施工階段進(jìn)行施工重點(diǎn)難點(diǎn)模擬、施工路徑和場地規(guī)劃、施工物料堆放地點(diǎn)布置、施工過程監(jiān)控等，在保證施工質(zhì)量和安全的前提下縮短施工工期，節(jié)約施工成本；在運(yùn)行維護(hù)階段結(jié)合先進(jìn)的通信和傳感技術(shù)，對已建項(xiàng)目的所有設(shè)備和零部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測、對超過指標(biāo)范圍的設(shè)備進(jìn)行提前預(yù)警，降低各類事故發(fā)生概率、快速定位故障具體位置（特別是對于一些隱蔽工程的故障監(jiān)測），提高事故響應(yīng)速度和故障搶修效率，減少經(jīng)濟(jì)損失[4]。

4 結(jié)語

BIM 技術(shù)的應(yīng)用將電力行業(yè)從傳統(tǒng)的基于圖形的信息表達(dá)方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀Ｐ偷男畔⒔Y(jié)構(gòu)化管理和形象化展示方式，這是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢，其大大提高了工程項(xiàng)目的集成化和信息化水平，在控制項(xiàng)目成本、縮短施工工期、提高工程質(zhì)量的同時(shí)為工程項(xiàng)目帶來更安全、更低碳、更科學(xué)的管理手段。