數字化施工在崇明大跨越工程中的探索應用及思考

于天剛 白立泉 錢土根

上海送變電工程有限公司 上海 200235

1 數字化施工的設想

線路工程的大跨越施工，一般都能體現較高的設計、施工和管理水平。上海崇明500 kV輸變電工程的長江大跨越線路，為“耐-直-直-耐”方案，耐張段全長2 894 m，跨越檔距1 690 m，2基雙回路跨越塔呼高172 m，全高204 m。本次的跨越高度、距離都很一般，但作為目前上海地區電網最高鐵塔和長江口最東端的跨越，也注定不同于常規。

通常情況下，大跨越組塔施工方案動畫模擬預演、現場視頻監控是必需的工作，優點是針對性強，缺點是為模擬而做的三維圖延續性差，視頻監控局限于現場不能共享，已經不能滿足當下的需求（圖1）。

圖1 傳統的監控室

崇明大跨越工程作為上海電網目前最高鐵塔項目，電力公司建設部很早就進行了策劃，力爭將數字化應用和施工技術推向一個新的高度。本次實施了鐵塔圖紙三維設計，不僅避免了為三維展示而畫圖的情況，而且為真實精確的三維數字化加工、施工、移交、運維提供了前提和條件。結合近幾年普及的基建管理平臺、視頻監控系統、e安全系統，尤其是深化中的e基建管理系統，為數字化施工的數據共享提供了現成的通道和平臺。

當然，數字化施工的概念并不局限于此，施工前的材料檢驗、施工計劃安排，施工中的進度控制及糾偏、安全方面的關鍵點受力監控、質量方面的關鍵數據偏差監控，施工完成后的檢測驗收等，都可以通過一定的技術手段獲得相關數據，通過一定的處理和展現方式，輔助施工管理控制，實現施工過程的關鍵數據量化、即時化、標準化的管理方式[1-3]。

本次計劃依托崇明500 kV長江大跨越組塔施工，在現有管控平臺的基礎上，進行架空線路數字化施工方面的整合和拓展。

2 現狀分析及目標

管理系統優勢及不足：目前基建管理平臺已經成熟運用多年，各工程項目部及相關管理條線均有相關軟硬件及熟練的使用人員。不足方面主要是管理系統以管理報表和流程為主，e安全以風險、作業票、人員管理為主，布控球以現場視頻監控為主，各系統相對獨立，交叉數據維護更新同步困難，因而往往存在局部矛盾。

感知裝置的優勢及特點：高清影像、拉力、角度、位置、環境、人身健康狀態等傳感器發展很快，基于這些傳感器的受力監控、電子圍欄，以及成熟的傾斜攝影、三維掃描等技術在工程中得到普及應用，深化的應用，如行為違章自動識別、集控智能可視化牽張放線工法等逐漸從研發走向試點應用，國網芯概念結合5G技術得以充實和發展壯大。不足方面主要是社會化應用的軟硬件成本高、專業化應用處于各自研制百花齊放的階段、數據采集處理模式與現場需求尚有差距，傳輸共享尚缺少統一的平臺。

長江大跨越數字化施工（圖2）的目標：一方面，結合上海市電力公司負責“基建全過程綜合數字化管理平臺”開發工作，項目管理模塊中增加現場模塊，同步展示施工現場監控及控制的關鍵數據，包括施工進度控制、質量控制、安全控制方面，既實現各層面相關管理人員共享共建，也提高管理效率。另一方面，直接推動三維設計數字化移交，為線路數字孿生奠定基礎。

圖2 數字化施工

3 功能解析

3.1 監控平臺的展現方式

從“基建全過程綜合數字化管理平臺”項目管理中進入500 kV崇明輸變電工程，打開桿塔明細表，點擊長江大跨越塔K1或K2塔號，即進入單基管理的綜合界面，如圖3所示。

圖3 大跨越塔施工管控界面

主界面左上方為總覽信息，包括開工日期，施工了多少天，已完成組塔多少噸，占的百分比，以及累計多少人工，平均每天完成噸位及高度情況等統計信息。

左下方為進度展示，以柱狀圖和點線的形式展現計劃及延誤情況。其中，柱狀圖顯示每天的計劃和實際完成工作量，點線連接展示趨勢等。

右上方展示當日環境監測數據，如溫度、風速、風力、受力情況。右側中間顯示抱桿各關鍵點受力、力矩、傾角等信息。右側下方對接e安全數據，展現當日風險情況、人力進場情況等數據。

中間部分用大塔所在的谷歌地圖，可以放大到一定層級，可切換到傾斜攝影的圖層，有大塔布置圖、進場道路圖等的策劃和實際情況。

中間上方是具體功能模塊的進入窗口，進入后可以看到具體圖表和數據。

施工現場控制室的大屏接入的是相同的界面，實現線上和現場同步。

3.2 施工模擬和三維顯示

三維設計圖經過轉換后，一方面給施工方用于施工模擬，一方面處理后導入系統用于三維展示。

3.2.1 施工模擬

跨越塔基礎采用群樁承臺基礎，鐵塔底部根開為40 m，頂部根開為7 m，鐵塔分為上下2層橫擔，其中，上層橫擔1段為地線支架，長10 m，質量為3.5 t；2段為上相導線橫擔，長23 m，質量為14.2 t；下層橫擔由3段和4段組成，總長為33 m，質量分別為12.8 t和12.7 t。跨越塔共計23段，單根管件最大管徑為2.2 m，最大質量為16.85 t，鋼管壁厚為32 mm。鋼管構件采用剛性法蘭、插板、相貫焊接和球節點連接。法蘭螺栓采用8.8級，最大規格M76。每基跨越塔包含井架共計39 861個構件，56 972個螺栓，鐵塔中間為桁架式井架，全塔采用紅白相間的航空標識漆，裝設1套16個太陽能障礙燈系統。

跨越塔組立采用吊車和T2TG480雙平臂座地抱桿，抱桿全高222 m，有效吊裝高度為210 m，工作幅度為3.1～30.0 m。平衡吊裝最大載荷為每側16 t，最大起重力矩480 t·m，最大獨立段高度28 m，標準節寬2.2 m，長度6 m，牽引系統采用2臺16 t卷揚機，動力電源380 V，牽引速度為2.0～33.5 m/min。

大跨越塔45 m以下的23段和22段采用160 t汽車吊吊裝，先吊裝主管，就位后設置外拉線，后吊裝水平材，四面斜材。主管采用專用吊具吊裝，其他采用吊帶吊裝。

22段吊裝完畢后，利用160 t汽車吊吊裝T2TG480雙平臂抱桿，按照底架基礎→7節塔身標準節→套架→回轉體（包括下支座、回轉支承、上支座）→回轉塔身及撐架→塔頂→單側起重臂（含載重小車及拉桿）→另一側起重臂（含載重小車及拉桿）→雙側吊鉤及鋼絲繩的次序逐步安裝。抱桿旋轉節高48.0 m，在23段、22段主管上方內側設置2道腰箍，同時將各類附屬設施安裝完畢。同時安裝接地、監控攝像頭、航空警示燈等，再全面檢查并試吊。

在轉換的大塔三維圖中，疊加建立雙平臂抱桿模型，按照施工方案進行組塔模擬推演，驗證組塔方案，輔助關鍵部位的吊裝方案設計，確定實際組塔施工方案的可行性和細節。制作視頻，作為交底和宣傳片使用（圖4）。

圖4 組塔施工模擬和同步展示

3.2.2 三維顯示

在平臺4D模擬界面中，展示了塔圖和抱桿的結合體，可以對鐵塔三維圖紙進行放大、旋轉、移動視點等，點擊構件可以得到相關質量、長度等參數。同時可以結合進度展示頁面，隨時得到鐵塔組立的實時三維圖。

3.3 塔材加工及進場檢驗

本次計劃依托大跨越工程，在推動鐵塔圖紙的三維加工和三維檢測方面獲得了很大進展。其中，鐵塔加工單位利用三維圖紙，在突破放樣軟件、數控機床軟件獨立性等限制方面做了很多的工作，尤其是試組裝精度很高，為今后免試組裝加工奠定了基礎。

在三維檢測方面，建設部很早與電科院、上海大學等聯合進行了相關研究，對鐵塔構件出廠或進場時進行三維掃描檢測，避免因構件錯誤或誤差影響鐵塔組立質量，完成了多種基于激光掃描、手機掃描等與后臺圖紙對比的方案，并實現了小構件三維掃描檢測的精確比對。與檢測設備生產單位進行了策劃，研究了大構件的三維掃描檢測方案，但受限于大構件數據采集排場太大而止步。雖然如此，該部分的三維檢測研究仍在本工程電氣安裝方面繼續進行。

3.4 進度管控

按照組塔推演方案的拆解，項目部制定詳細的日程安排和管理方案，包括施工準備、塔材進場次序，每日吊裝次序、安裝質量等。本次單基跨越塔本體組立計劃為42 d，其中，吊車組立9 d，抱桿提升為14 d，抱桿組塔19 d。

根據進度表，組塔進度在系統中三維同步展示，輔助視頻圖像，其中三維展示是根據實際進度顯示對應的三維圖像，其數據輸入策劃了多種方式：根據實際施工情況通過人工在系統中進行勾選認定，可以根據段號組群勾選，也可以繼續拆解勾選；通過現場構件二維碼的掃描自動錄入；通過安裝在適當位置的高清攝像機照片，自動辨識后認定；通過三維掃描儀采集數據后在系統上認定。

本次采用了前2種方式，實現施工計劃及實際進度的同步展現，并實時顯示總構件質量，完成安裝的質量和占比、完成的高度和占比，輔助管理人員與計劃進度隨時比對，尋找偏差和引起偏差的原因，及時制定糾偏措施。

李莉不為所動，繼續和程江這樣“俗氣”生活，而且前所未有的踏實安心，不用撐著高尚，不用隱忍不發，不必忍受別離，不必擔心怯懦。

出現偏差的原因可能是天氣、塔上風速、人員出場率等，也可能是材料供貨滯后、加工質量等原因，因此每天的施工日志記錄匯總了自動采集和人工填寫的關鍵因素，輔助快速找到進度偏差的量化原因及準確的調整方法。

3.5 質量管控

3.5.1 施工中質量管控

結合三維圖紙使用的質量管控：一是加工質量的管控，除了前面是三維加工和三維檢測，對大型構件在原有構件號鋼印的基礎上添加了二維碼，現場人員采用手機掃碼或e基建手機掃描即可得到該構件的詳細數據資料，通過用戶端手機相應界面進行掃描即可傳入后臺，用于安裝位置的核對及進度的輸入；二是采用全站儀或高清監控圖片實時測量鐵塔節點的狀態及位置信息，與三維數據比對，并在監控窗口顯示自動模擬的位置偏差圖表和數據，本次采用的是全站儀測量的實施輸入數據。若采用高清監控圖片自動比對數據，或是傾斜攝影數據，可以深入分析氣溫、日照、風力等外在因素對鐵塔的影響。

其他施工質量數據監控：一是基礎沉降監測，可采用水平儀的人工定時監測和GPS的自動監測；二是桿塔構件的外觀質量、各長構件的彎曲情況，可采用圖像自動識別技術。

3.5.2 驗收、運維中的質量管控

結合組塔放線驗收和運維一起考慮，主要是以下幾類：一是鐵塔螺栓緊固率；二是缺件和構件彎曲異常；三是關鍵的距離測量；四是螺栓穿向、碗口朝向、開口銷等細節是否正常和有無變化等。

螺栓緊固率方面主要采用人工檢查，數據上傳，可以采用電動扭矩扳手增加數據采集上傳功能，另外可以結合上海高壓實業研制的基于聲波智能識別的輸電桿塔螺栓緊固檢測技術。

后兩類結合目前已經在行業內成熟使用的激光掃描分析及逐漸興起的無人機三維檢測技術，也將是大幅提高高空測量精度、檢測效率的必經之路。其中，無人機檢測技術包括空中三維掃描、傾斜攝影、圖像智能識別等方式和功能，均可在軟件支撐下實現以下功能：

1）數據測量方面：通過無人機檢測出的線路段內的鐵塔、導地線三維點云數據，分析空間幾何關系中需要的點對點、點對線、線對線等數據，如距離、斜率等，與設計數據和驗收要求比對，即可得到懸垂串的傾斜（約10 m長垂直物體與鉛垂線的夾角）、防震錘的距離（線上兩物體的距離或線距，1～2 m）、間隔棒的距離（線上兩物體的距離或線距，10～60 m），相間距（空間平行線，或接近平行線間的距離，10～20 m）、線間距（空間平行線間距離，1 m內）、導地線的馳度（拋物線兩端點即懸掛點連線與最低線的豎直距離，1～50 m）、與被跨越物的距離（對地面、江面、樹木、房屋或者相鄰線路間最小垂直距離，即點對線距離，不限）等。

2）數據異常判斷方面：如某處導線或鐵塔構件點云數據不連貫、明顯有彎曲異常（如壓接管彎曲，導線有斷股、毛刺，有懸掛物，塔材彎曲）等的自動判斷。

3）圖像方面：一些關鍵點的拍攝高清照片在線檢查或回傳，通過人工或一定規則的自動識別功能，判斷如碗口朝向，銷釘是否缺失，方向、開口狀態是否正常，是否缺件等。

本次工程組塔已經完成，架線因為前期原因尚未開始，我們已經采用華東送變電的傾斜攝影裝備進行了2次飛行，獲得的沿途位置信息和阻力后的鐵塔信息用于管控平臺和施工模擬比對。

3.6 安全管控

1）施工過程中的現有管理平臺數據利用方面：一是基建全過程綜合數字化管理平臺中各種施工參數、管理流程的直接獲取；二是e安全主導管理的風險、作業票、施工人員管理，這些數據目前是通過一定技術手段提取過來直接使用；三是視頻監控和布控球監控視頻及其發展中的違章行為自動識別功能的結合，目前是鏈接同屏顯示使用，基建后續多種管理系統的整合統一是趨勢，將更加便利。

2）施工現場控制方面：包括獲取吊點拉力、錨固點受力及拉線傾角、抱桿傾斜角度、雙平臂吊裝力矩、基礎沉降、氣溫、風速等現場與安全施工相關的數據，目前該類測量裝置均有成熟產品及應用，不足之處是集控使用尚不成熟，主要是由于傳輸處理平臺使用成本、成熟度不統一，網絡安全要求高等，造成接入使用有難度。本次結合基建平臺，現場設置了一個中轉站，無線接收各終端數據，處理后通過5G傳輸到開放系統，再過濾傳輸部分關鍵數據到平臺，按照設定的方式顯示和使用，包括測點位置、數據超限報警、推送報警信息等功能，本次我們對雙平臂抱桿增加力矩監控裝置，在不改變抱桿裝備的情況下獲取關鍵數據用于平臺監管。

3）施工現場人員監管方面：在e安全上已有的作業人員名單基礎上，試點了基于GPS的安全帽高精度定位裝置、基于UWB定位系統的電子圍欄并進行了高空拓展、人員佩戴的健康手環等裝置，目標是監控進場人員的狀態和位置分布，但未全員使用，系統內實現的是基礎的，基于全員打卡的到崗及工時統計。

4）運行維護安全方面：目前包括了一套江面船只視頻監視裝置、常規的線路狀態監控裝置以及建設部主導研發的主要構件應力在線監測裝置，用于及時發現運行過程中的異常，保障運行安全。

3.7 數字化移交和數字孿生

上海公司在推動變電站數字化設計和移交工作已經多年，有了很多的積累。本次在500 kV崇明輸變電長江大跨越工程中，啟動和試點了線路工程設計和移交的數字化工作，鑒于線路外在環境及運行年限等的變化，竣工時及運行后定期的全線路掃描數據，可催生做到運行生產意義上的“數字孿生”，對長期的運行維護有著重大的意義。

4 結語

數字化、精細化施工是線路施工管控的必然趨勢，目前主要是現有成果的集成應用，我們在長江大跨越工程的試點應用中取得了一些有意義的新突破，部分新的功能仍在探索中，需要價廉物美的數據采集、傳輸處理、共享平臺等配套發展，廣大技術人員均在努力推動。