三維數字化設計在架空輸電線路工程中的應用及展望

李金文

（湖北省電力勘測設計院有限公司，湖北 武漢 430040）

本文結合筆者參與的工程實踐，總結、思考了三維數字化設計在輸電線路設計各階段、各專業中的應用和協同，展望了三維數字化在施工、運維、調度中的應用前景。

1 數字化設計組織模式

輸電線路三維數字化設計的組織模式：由電氣專業、結構專業、勘測專業和數字化支撐專業、技經專業和其它專業等多類專業人員協同完成。與傳統設計不同，這些設計工作是在同一個平臺上協同完成的。勘查專業是測量專業、地質專業和水文氣象專業的統稱，人員來自勘測業務部門，主要負責線路三維數字化設計所需基礎數據的收集和采集；數字化支撐專業人員由數字化設計部門（中心）和各業務部門的數據管理人員共同組成，主要負責基礎資料和三維模型的數字化和標準化入庫，三維數字化設計流程制定和管控；電氣專業和結構專業人員來自輸電業務部門，主要負責線路的電氣設計和結構設計任務；技經專業主要根據經濟政策和工程量，計算、分析工程造價；其他專業主要包含環保專業等，為工程綠色建造保駕護航。

2 三維數字化設計平臺

三維設計需要搭建一個平臺，目前國內有很多單位開發了自己的平臺，各平臺功能及目標大致相同。測量、地質、水文氣象、電氣、結構、技經、環保等多專業的人員基于同一平臺，同一三維空間協同配合，各專業間數據多方向正向貫通，專業之間的互提資料，快速、準確、方便、自動，通過模型化、數據化、信息化、可視化的平臺運行，提高了設計質量和效率。三維設計平臺至少包含了四個層次：數據層、協同層、應用層、成果層。

1.數據層：工程勘察數據，如交叉跨越、地層巖性及物理力學指標及模型等；水文氣象數據，如氣象資料及分析、跨越河流水利設施要求等；專題數據，如冰區圖、風區圖、污穢區圖、雷區圖、舞動區圖等設計基礎數據以及通道敏感區信息資料數據等；航片、衛片數據，是根據需要，采集、下載所需分辨率的航測、衛星影像DOM 和對應的DEM，作為地理信息系統基礎數據等；三維實景建模，是將無人機與三維實景建模技術結合應用到工程勘測中，為平臺提供高精度、可視化的數據基礎，方便相關人員了解建設環境，優化方案；移動終端數據是采用移動平板電腦和高精度RTKGPS 互聯技術將GPS 測量點數據即時導入移動平板電腦中，高效獲取測量數據。

2.協同層：各專業按工作邏輯相互聯系、互提資料、共享數據，通力協作完成設計目標，按協同任務，可分為流程協同和專業協同。

3.應用層：電氣、結構、地質、測量、水文、環保、技經、數字化等專業，互相配，根據上游數據，合完成各自專業的計算分析，完成專業設計工作，自動完成各專業模型、文件歸檔工作。

4.結果層：根據用戶需要，出版二、三維圖紙文件，數字化移交及VR 應用需求產品。

平臺建設完成后，可在平臺二三維場景下，進行線路路徑的選擇及優化，快速統計相關的信息和耦合專題數據；與架空輸電線路軟件聯接開展空間間隙的計算和驗證；與二三維專業排桿定位軟件聯接實現桿塔優化排位、平斷面的編輯、提取，結合排桿定位結果進行金具絕緣串、防振錘、間隔棒、接地裝置等配置及統計；與三維金具組裝軟件接口實現金具絕緣串的組裝和機電施工圖的制作及輸出；平臺調用其它專業提供數據，利用桿塔及基礎專業設計軟件，進行桿塔及基礎設計，根據設計成果來解析生成相應的三維模型并入庫管理，用于排桿及展示等；平臺可調用多源方式獲取的影像及DEM 數字高程數據，實現線路方案數據的發布和共享；與協同合作可實現設計人員配置，設計內容提資，校審、批準過程控制及設計資料及文件數字化歸檔等業務工作；與數字檔案部門聯接實現工程檔案歸檔查詢和調閱。

3 三維設計應用流程

輸電線路三維設計在工程應用中，是通過GIS、RS和虛擬現實技術，集成多源異構海量數據，構建了三維地理信息系統，在三維場景下，以輸電設備三維數字化模型為對象，以多專業高效協同為引擎，以設計標準和相關規定為依據，以數據多維貫通和共享為支撐，以三維可視化為表現形式，以各專業設計軟件為保障來開展數字化設計工作，涵蓋線路路徑方案比選，線路排桿優化排位，電氣設計，結構設計、環保設計、經濟分析及線路三維展示。

三維數字化設計貫穿于勘測、初步設計、施工圖設計、竣工圖設計和數字化移交、物資招標全過程中，并自動生成三維模型，方便了設計成果的拓展應用。

物資招標階段，依據施工圖階段的設計方案模型，統計電氣、結構材料量，完成金具絕緣子串、導地線、桿塔材料等材料的招標工作。

竣工圖階段，依據在施工圖階段發生的設計變更進行模型和設計方案適當變更，保證竣工模型和實際施工情況相符。

數字化移交階段，依據竣工圖階段的全線模型，通過設計的數字化移交接口，非常便捷地將桿塔模型、金具絕緣子串模型、基礎模型、導地線參數、各種連接掛點、線路通道模型及數據等需要移交的工程數據進行打包輸出，供業主、施工和運行單位管理參考。

4 勘測專業三維技術應用

4.1 測量專業

勘測專業根據項目要求收集柵格地形圖、正射影像圖、數字高程模型、基礎地理數據、地質資料和水文氣象資料，并整理提交給數字化支撐專業后發布到數字化設計平臺中。在設計過程中，勘測專業根據現場排定位后，將實測的塔基斷面圖或地形圖，將實測的線路平斷面圖、土壤電阻率、水文氣象資料發布提交給電氣專業[1]。

4.2 地質專業

在電氣專業確定塔位后，地質專業即可將地質工作成果錄入三維地質軟件，軟件通過地質探測成果可生成地質體的空間形態與分布，還可以快速生成各類地質剖面，將塔基工程地質條件發布提交給結構專業。

4.3 水文氣象專業

在線路路徑確定后，水文氣象專業即可將氣象、水文數據輸入平臺中。該功能利用三維成像技術，計算洪水淹沒區，并通過三維平臺顯示，可更直觀地顯示，以便于選著塔位及基面高程。

5 電氣專業三維技術應用

5.1 選線、排桿定位

5.1.1 選線

路徑方案確定是決定工程造價的關鍵。路徑方案的過程也需要多專業協同工作才能最終確定。工作流程如下：

1.根據線路初步設計路徑、障礙物，初步選擇路徑。

2.路徑的平面校核。

3.對障礙物的水平距離是否滿足要求，不滿足的調整路徑[2]。

4.平臺利用DEM 生成平斷面，初選金具串進行初步排位、進行初步電氣校核是否存在大檔距、大高差、不均勻檔距、桿塔超規劃條件等斷面不合理情況，重要交叉跨越距離是否滿足要求，初步統計如不滿足要求，重新調整路徑。

5.現場進行定位，各專業判斷理論塔位（微調整）是否適合立塔，塔位不成立的調整排位方案或路徑。

6.結構、測量、地質、水文專業開展現場工作。

7.各專業外業成果錄入三維設計平臺，結構專業對鐵塔高低腿、基面進行配置并保存至平臺中。

8.電氣專業根據各專業反饋的數據再次進行詳細的電氣計算校核，自動放松導線、更新絕緣子金具串配置，進行斷面的水平、垂直、凈空距離的校核及三維空間間隙的校核，根據校核結果對部分塔型、塔高進行調整，必要時對塔位、路徑進行調整，校核結果反饋各專業，反復直至各專業均滿足規程要求。

5.1.2 排桿定位

圖1 550kN 盤形絕緣子三聯耐張串俯視圖

采用二三維協同排桿定位系統可以在兩個屏幕上同步展示二維、三維的平斷面桿塔布置圖，除了常規的二維斷面圖，還可以在三維界面中直觀地觀察弧垂和地表模型。這樣的輔助工具能夠非常便捷地確認每個桿塔的具體位置，判斷塔位是否合理[3]。

5.2 金具組裝

三維絕緣子金具串設計模塊能夠實現對金具串的組裝的快速組裝和逼真模擬，并提供對金具串的三維觀察，連接關系、尺寸配合、碰撞等多方面進行全自動校核檢查、強度分析，生成傳統圖紙、生成三維PDF格式和金具材料的耗量統計等功能，并且可以編輯添加新金具入庫，還可以實現快速添加部件、智能添加可連接部件。

5.3 機電施工圖

系統就能讀取之前輸入的工程基本條件等參數，自動生成機電施工圖，包括：導地線力學特性曲及架（表）、連續傾斜檔線夾安裝位置調整表、導地線絕緣子金具串組裝圖、換位（相）及跳線圖、接地裝置圖、導地線防振錘及間隔棒、防舞裝置安裝圖等。

6 結構專業三維技術應用

6.1 桿塔設計

根據電氣專業輸入桿塔設計條件，可生成三維間隙球及二維間隙圓，結構專業根據間隙球（圓）即可確定桿塔塔頭尺寸，塔頭尺寸確定后，就可以在專業計算軟件等桿塔建模平臺中建立核心模型。核心模型是帶有結構幾何尺寸、材料性能等信息的單線立體模型，建立完成后其他專業即可用于后續計算應用等[4]。

結構專業進行荷載計算，對桿塔結構進行優化，優化完成后就可以進行節點的設計，合理有效地布置螺栓，檢測不同面上構件端頭的相對關系，避免碰撞；同時可以合理布置主角鋼兩肢上的螺栓，可以充分考慮螺栓穿向要求和檢測螺栓碰撞，解決傳統二維設計長期以來存在的不足。

完成桿塔三維設計圖之后，可以方便地生成二維設計詳圖，在生成二維詳圖的過程中，還可以生成詳細的材料統計表，便于后期設備材料清冊的編制。

6.2 基礎設計

測量專業將現場測量的塔基地形數據錄入平臺后，即可生成各塔位的地形DEM 模型，地質專業的現場數據錄入后，結合測量數據，生成地質體的空間形態與分布。電氣專業確定塔位、塔型、呼高后，加上勘測錄入的數據，結構專業即可進行基礎的配置計算了。通過提取桿塔數據庫，可以得到各個塔型的作用力，實現逐腿選配[5]。利用測量專業生成的地形DEM 模型，進行護坡、擋土墻、排水溝的設計，有效地提高數據的價值和使用效率，并能夠給非專業人員更加直觀的效果展示。

7 結語

三維數字化設計是設計單位數字化轉型的一個重要部分。各單位都在適應形式需要，正在加大資源投入，著力推進、完善、提高本單位數字化設計水平，以提高核心競爭力。隨著“大、智、移、云、物、區”的技術不斷發展，三維數字化設計也將向深度及廣度不斷演變。從深度來說，就是要更精確、更智能。從原始數據的導入，要采用精度及分辨率更高的遙感數據，以適應可研、初步設計、施工圖設計的需要；各設備模型及計算分析模型要更為精準，以提高設計優化的空間；上道工序的數據批量導入，更專業協同能力的提升，設計過程的自動控制，設計重點的分析及差異化的處理，根據實際情況自動選擇設計方案，是提高智能化的方向。