輸電線路桿塔三維數字化精確模型構建方法和應用

國網江蘇省電力有限公司經濟技術研究院 戴 亞 李伯頤 張 楠

建筑信息模型化（BIM）技術隨著計算機硬件和技術的發展和建筑行業的實際需求而蓬勃發展，目前已進入建筑、水電、石化等行業的應用階段。BIM 技術實際運用的目標是充分融合規劃、設計、深化、加工、施工、運維等各階段輸入、輸出信息，使各專業基于同一個模型進行工作，充分實現信息共享、三維集成和協同設計，提高生產效率、保證工程質量、節約成本、縮短工期[1]。但電力輸電線路行業對BIM 技術運用還處于起步探索階段，實際工程運用也僅是作為施工和加工時的一種輔助措施。建立全線路完整的三維數字化模型，從而實現工程地理信息與設計、建設成果資料的數字化仿真三維集成系統與可視化管理，以便于設計、管理與運維人員盡可能及時、全面、直觀地查看工程相關信息，還需行業推進[2]。

1 輸電線路工程三維數字化精準模型的重要性及現狀

構建新型電力系統，數字化是重要途徑，在能源化的未來，以三維數字化精準模型構件為基礎，建設堅強智能電網樞紐平臺，是提高運維管理、提升安全管理、優化規劃設計、降低成本等方面的重要手段。但就目前而言，電力行業從業人員對于BIM 認識不足、BIM 標準未建立、軟件功能與應用需求差距較大，也是三維數字化推行緩慢的原因。

1.1 輸電線路工程三維數字化精準模型的重要性

輸電線路桿塔數字化精準模型是指通過數字化建模技術將現實中的輸電線路桿塔的形態、尺寸、位置等信息進行數字化處理，從而構建出精確的三維模型，以供線路桿塔的運維管理、安全管理、規劃設計等方面的應用。其重要性主要表現在以下幾個方面。

第一，提高運維管理水平：通過數字化模型，讓數據可視化，使運維人員可以實時掌握桿塔的位置和狀態信息，有助于實現對輸電線路的快速響應和優化管理，提高設備的使用效率和可靠性。第二，提升安全管理水平：數字化模型能夠實現對桿塔的精確定位和識別，有助于發現并及時處理線路桿塔的隱患，提高運營安全性。第三，優化規劃設計：數字化模型還能夠為規劃設計提供精準的數據參考，有利于確定桿塔的位置、高度，以及桿塔間距等參數，從而為輸電線路的合理布局提供支持。在建設過程中，數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，從而節約時間和成本。第四，降低成本提高效率：數字化模型的應用能提高工作效率，降低管理成本，同時也有利于優化設備的使用和資源配置，從而進一步提高整個輸電系統的運行效率和降低運行成本。

1.2 輸電線路工程三維數字化精準模型現狀

架空輸電線路作為電力輸送通道，在整個電網建設中體量巨大，如何解決架空輸電線路BIM 模型的創建是BIM 技術在電力行業中推廣應用必須面對的問題。目前，已有部分單位提出了自己的解決方案，如中國電力科學研究院開發的架空輸電線路三維協同設計平臺、北京道亨公司開發的道亨送電線路設計成果三維電子化移交平臺和北京博超時代軟件有限公司推出的TLD 數字化三維送電設計平臺。其中，中國電力科學研究院和北京博超時代軟件有限公司的平臺主要側重的是三維設計的過程，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體框架，而無桿件間連接的節點板、螺栓和附屬設施等零部件，在角鋼的朝向上也比較隨意，無法反映工程現場的實際情況；道亨公司的平臺雖然在鐵塔三維模型上面較前面兩家有較大的優勢，但是，在創建模型過程中和后期工程信息查詢時需結合一系列道亨公司開發的多款軟件，具有較大的局限性。其實，以上解決方案均是在滿足國網數字化移交要求的基礎上開發出來的產品，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，模型移交后若想在模型中補充工程相關信息、運行維護信息等也存在一定的困難，從而限制了模型在后續階段的應用。

2 輸電線路工程三維數字化精準模型創新思路

目前，利用三維GIS 的海量影像數據，DEM數據以及豐富的專題圖數據，已實現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用的需求；金具、絕緣串和鐵塔基礎涉及的零部件數量和工程信息相對較少，BIM 模型的創建相對簡單，可用的軟件也較多；唯有鐵塔BIM 模型因其包含的零件數量多，空間構造復雜，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用的要求。為此，本公司于2013年開展了基于某鋼結構詳圖設計軟件的研究，該軟件已經在土木工程、機械工程及能源工程得到了廣泛運用[3]。為使其運用于鐵塔BIM 模型創建，本公司進行了研究深入如下。

2.1 論證此軟件創建鐵塔BIM 模型的可行性

此軟件含有豐富的鋼結構材料、截面、螺栓等數據庫，同時，具有完善的復雜空間碰撞校核功能，適用于各類鋼結構精確三維模型的創建和出圖；其自帶的信息管理功能，能夠快速、便捷地錄入和維護工程規劃、設計、加工、施工和運維等全壽命周期的各類信息；具備的強大的二次開發功能為其在各行各業的本地化應用提供了有力的技術支持。因此，利用此軟件創建鐵塔BIM 模型是可行的。

2.2 對此軟件進行二次開發，實現鐵塔BIM 模型的快速創建

鐵塔計算軟件（道亨、TTA）與此軟件的接口程序開發：通過本接口程序，建模人員可以直接讀取道亨或TTA 的模型數據和計算結果數據，在此軟件中快速搭建鐵塔三維實體框架，減少數據傳遞過程中錯誤發生的概率，達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 導入截面和效果

輸電鐵塔智能節點庫開發：此軟件提供了一套內置的智能節點庫，但僅有少數幾個適用于輸電鐵塔，為了快速、精確建模，要開發一套適用于輸電鐵塔的節點，如鐵塔中常用的X 型節點、K 型節點等，如圖3所示。

圖3 開發的鐵塔常用節點（部分）

圖4 鐵塔工程應用

圖5 鋼管桿工程應用

工程應用。利用此軟件可快速精準地將模型的復雜部分處理剖析，并為后續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際應用，可為大跨越、鋼管塔等復雜結構的輸電線路項目順利進行提供技術支持。此類塔形節點構造復雜，且連接構件數量較多，節點和構件的空間角度及布置形式也不規則，因此三維技術在工程中的應用，如快速建模、碰撞檢查，并可以實現透視功能和創建任意切割面，以全面展現復雜節點的結構布置就顯得至關重要。

通過本課題的研究和應用結果表明，利用此軟件強大的二次開發功能和信息管理功能，完全能夠實現鐵塔BIM 模型的創建，同時，模型的精度和信息的完善程度也可滿足后期應用的要求。

3 輸電線路工程三維數字化精準模型展望

目前，電力行業BIM 應用大家普遍關注的焦點還停留在滿足國網數字化移交的層面，隨著行業軟件的開發、改進和應用經驗的積累，相信BIM 技術將被電力工程項目越來越多的環節所采用：在設計階段實現各專業協同設計、模型硬碰撞和軟碰撞校核、造價分析等，使設計工作變得更加合理、高效，減少施工階段的變更；在施工階段進行施工重點難點模擬、施工路徑和場地規劃、施工物料堆放地點布置、施工過程監控等，在保證施工質量和安全的前提下縮短施工工期，節約施工成本；在運行維護階段結合先進的通信和傳感技術，對已建項目的所有設備和零部件進行實時監測、對超過指標范圍的設備進行提前預警，降低各類事故發生概率、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測），提高事故響應速度和故障搶修效率，減少經濟損失[4]。

4 結語

BIM 技術的應用將電力行業從傳統的基于圖形的信息表達方式轉變為基于模型的信息結構化管理和形象化展示方式，這是行業發展的必然趨勢，其大大提高了工程項目的集成化和信息化水平，在控制項目成本、縮短施工工期、提高工程質量的同時為工程項目帶來更安全、更低碳、更科學的管理手段。