三維技術在輸電線路結構設計中的應用

孫 威

（湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430040）

從2010年國家電網公司出臺電網工程信息數字化移交規范開始，輸電線路三維設計歷經10多年發展，三維設計軟件，由簡單三維模型展示，逐步發展到如今包含多專業協同設計、模型批量導入、施工圖聯動生成等功能的操作平臺，實現了工程精細化設計，減少了設計誤差，提高了設計效率。三維設計軟件發展至今，在一定程度上，改變了以往設計習慣。作為輸電線路結構工作者，在使用三維平臺過程中，發現在結構設計過程中，基礎還未能實現自動選配功能，山區線路桿塔長短腿配置也許要人為干預，未能實現自動化配減腿，塔腿處塔腳板螺栓碰撞問題也未能在平臺中進行校驗[1]。

針對上述問題，本文在已有技術基礎上進行提煉創新，提出了多指標選配、最優迭代以及參數化模型校驗方法來解決以上問題。

1 基礎自動選配

傳統的基礎設計，首先需要根據不同的地質條件選擇基礎形式，進而根據具體塔位的基礎作用力計算出相應基礎規格。基礎形式的選擇，人為干預度較大，經驗成分較多，不同設計人員對基礎選配原則的理解也不一定相同，這就導致了在選擇基礎形式的時候，難以統一標準。現階段三維設計平臺納入了強大的空間地形模型和空間地質模型，以及國網通用典設桿塔庫，庫中包含了基礎設計所需的作用力數據。三維設計平臺現已具備了線路自動選配基礎的硬件條件。所缺的是如何定義基礎選配原則，使平臺自動選配的基礎既安全，又經濟環保[2]。

1.1 多指標選配

在基礎選型和設計中，安全、經濟和環保三個指標既獨立又相互關聯。僅考慮安全因素，可能選配的基礎并不經濟；僅考慮經濟，可能又不環保。因此，程序自動選配基礎，需從多指標角度來考慮。基礎安全性指標在基礎設計時已考慮，基礎經濟指標既需考慮基礎方量，也需考慮基礎造價，基礎環保指標需考慮基礎施工過程中的環境友好程度，是否為大開挖基礎，泥漿池是否會污染周邊環境等[3]。

多指標選配計算公式如下：

1.2 案例分析

以某一工程基礎設計為例，桿塔位于水田中，含有地下水，地下6米范圍內為可塑粉質黏土，6米以下為強風化片麻巖，基礎上拔作用力代表值為250 kN，基礎離土路50米距離。根據該塔位條件，可選擇基礎類型有板式基礎和灌注樁基礎，當選為板式基礎時，基礎混凝土方量7.18 m3，鋼筋461.37 kg；當選為灌注樁基礎時，基礎混凝土方量4.16 m3，鋼筋344.22 kg；僅從材料量上來看，板式基礎混凝土方量略大于灌注樁基礎，但考慮到不同施工工藝帶來的費用差異，從造價方面來看，板式基礎造價相對灌注樁基礎便宜2 000元。最后，從環保角度來看，板式基礎屬于大開挖基礎，對環境破壞較大，灌注樁基礎為原狀土基礎，對環境影響小[4]。兩種基礎形式指標詳見表1。

表1 板式基礎和灌注樁基礎指標對比

根據多指標計算公式可得，板式基礎多指標得分為6，灌注樁基礎得分為23，因此，本算例桿塔宜選用灌注樁基礎形式。

2 桿塔長短腿自動配置

在三維設計平臺中選好路徑方案后，需確定桿塔基面值，以便校核導線對地距離以及三跨線間距。山區段線路桿塔基面值的確定，不能簡單的以塔位中心樁高程作為參考，還需考慮將最長腿與中心樁高程的差值作為降基數值。因此山區桿塔基面值需在配好桿塔長短腿后才能確定。在以往工程中，桿塔長短腿的配置是通過Excel電子表格手動試算，效率很低，也容易出錯。桿塔長短腿配置示意圖如圖1所示。

圖1 山地塔長短腿計算示意圖

圖中，J為塔位中心樁與最長腿基面高程差值；H1為對應施工實際地面的基礎實際露出地面值；S為基礎設計計算假定的基礎露頭值。

以某工程山地塔為例，其減腿配置表如表2所示。

表2 桿塔減腿配置表

表2中，2B2-ZMCK-54桿塔A腿為最長腿，當基面值取為1.0，未配置減腿時，A腿基礎露頭值為1.0，B腿基礎露頭值為-0.2，C腿基礎露頭值為-0.8，D腿基礎露頭值為-1.2。基礎自然露頭一般高出地面0.2～1.5 m，因此，B腿減腿-1 m，C腿減腿-1 m，D腿減腿-2 m，配置減腿后，A、B、C、D腿基礎自然露頭分別為1.0、0.8、0.2、0.8，滿足基礎自然露頭基本要求。

2.1 最優迭代法選配減腿

通過表2案例可以發現，鐵塔的減腿配置與現場定位數據（即塔位地形）有直接關系，同時又受限于自然露頭與懸臂高度，因此，可將基礎自然露頭和懸臂高度作為基面和減腿配置成功的判斷依據。基面初始值可取為A、B、C、D四腿基礎中心定位高程最小值+0.2 m，迭代增量為0.1 m，在每次迭代過程中，當其他基礎露頭值為負數時，其相應減腿值按該負數值減0.2 m并向上取整，同時計算出各基礎自然露頭和懸臂高度并進行有效性判斷。

以表2數據為例，按最優迭代法計算減腿，其計算過程數據如表3所示。

表3 最優迭代法計算過程數據表

通過9次迭代，便可得到該塔位最優減腿配置。

3 參數化模型校驗

在三維平臺中，桿塔模型現階段只能呈現出塔材規格，塔腿與基礎連接部分的塔腳板以及掛線部分的連接板件模型，還未能在三維平臺中通過參數化建模。一般認為，三維平臺桿塔模型的建模深度越精細越好，但是隨著模型精細化程度的增加，平臺運行時對計算機的要求也越來越高。因此，可對桿塔關鍵校驗構件提供專門校驗窗口，或者關聯其他軟件進行校驗。

三維設計軟件SOLIDWORKS具有參數化建模功能，可在三維平臺中開發SOLIDWORKS數據共享接口，將需校驗構件參數化模型數據傳入SOLIDWORKS軟件中，實時生成構件的三維模型，并自動校驗碰撞。角鋼塔塔腳板參數化數據如表4所示。

角鋼塔塔腳板參數化三維模型和角鋼塔塔腳板參數化數據表分別如圖2和表4所示。通過三維參數化模型，可以直觀的發現構件中是否存在相互碰撞情況。

圖2 角鋼塔塔腳板參數化三維模型示意圖

表4 角鋼塔塔腳板參數化數據表

4 結束語

（1）基于三維設計平臺，采用多指標選配法進行基礎批量自動選配，既可統一基礎選配標準，同時也能提高基礎設計效率。

（2）在三維平臺中采用最優迭代法進行桿塔長短腿自動選配，可自動計算得到基面和桿塔長短腿的最優解，即時反饋電氣排桿基面數值是否合理。

（3）通過三維平臺三維數據共享接口，在其他專業軟件中建立所需校驗模型，既可有效降低三維平臺運行要求，同時能夠靈活擴展其外置功能。■