輸電線路鐵塔參數(shù)化模型的桿件信息拓展研究

(西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

目前，輸電線路工程正在大力推行三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，對(duì)于鐵塔模型，國網(wǎng)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[1]規(guī)定鐵塔通用模型和產(chǎn)品模型采用參數(shù)化建模，裝配模型采用圖形化建?！，F(xiàn)在行業(yè)內(nèi)通用的參數(shù)化建模方式是通過MOD文件表達(dá)鐵塔的幾何結(jié)構(gòu)信息。這種方式數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，能直觀描述鐵塔的外形尺寸和桿件型式，從而使鐵塔模型成為具備三維實(shí)體信息并可采用結(jié)構(gòu)化語言描述的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式。

但現(xiàn)實(shí)空間的鐵塔如角鋼塔和鋼管塔等是由具有一定尺寸外形的板、桿件和螺栓等構(gòu)件組成的空間結(jié)構(gòu)，而且桿件受構(gòu)造因素影響其端點(diǎn)與節(jié)點(diǎn)之間存在一定的位置偏移，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)際安裝位置與理論模型存在差異。由于角鋼并非中心對(duì)稱截面，因此這種差異對(duì)于角鋼塔尤為明顯。

鐵塔參數(shù)化模型目前僅能表述節(jié)點(diǎn)編號(hào)、相對(duì)坐標(biāo)、桿件規(guī)格、桿件材質(zhì)、角鋼肢(或鋼管)朝向、掛點(diǎn)屬性和坐標(biāo)信息，對(duì)于桿件之間實(shí)體層面的相對(duì)位置關(guān)系缺乏相應(yīng)的細(xì)節(jié)描述，可能導(dǎo)致不同軟件平臺(tái)復(fù)原實(shí)體模型時(shí)有差異。因此參數(shù)化模型文件格式和信息還需要進(jìn)行拓展和深化，建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)才能滿足鐵塔數(shù)字化模型的遠(yuǎn)期需要。

下面首先對(duì)鐵塔參數(shù)化模型文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了介紹；然后從細(xì)化桿件相對(duì)位置關(guān)系的角度出發(fā)，分析了桿件空間位置的計(jì)算方法，指出目前參數(shù)化模型文件在表達(dá)鐵塔桿件構(gòu)造信息上存在不足之處；最后提出一種能更詳細(xì)表達(dá)桿件相對(duì)位置關(guān)系的方法。

1 鐵塔模型文件格式

國家電網(wǎng)公司三維設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[2-3]規(guī)定鐵塔模型包括通用模型、產(chǎn)品模型和裝配模型，并對(duì)模型深度和包含信息作出了如下規(guī)定：

1)通用模型采用參數(shù)化模型，文件格式為MOD，文件內(nèi)容包含節(jié)點(diǎn)、桿件(不含規(guī)格、材質(zhì))、掛點(diǎn)、接身接腿、呼高信息；

2)產(chǎn)品模型采用參數(shù)化模型，文件格式為MOD，文件內(nèi)容包含節(jié)點(diǎn)、桿件(含規(guī)格、材質(zhì)、肢朝向)、掛點(diǎn)、接身接腿、呼高信息；

3)裝配模型采用圖形化建模，文件格式為STL。

MOD格式的參數(shù)化模型文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)繼承了TTA和滿應(yīng)力鐵塔計(jì)算程序的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)形式，信息表達(dá)直觀明了，便于信息的交互和應(yīng)用。

2 鐵塔參數(shù)化模型文件解析軟件

在三維數(shù)字化設(shè)計(jì)過程中，鐵塔參數(shù)化模型文件可以解析并通過三維平臺(tái)進(jìn)行顯示。圖1、圖2為解析完成的通用模型和產(chǎn)品模型示例。

圖1 鐵塔通用模型

解析鐵塔參數(shù)化模型文件需要使用三維建模軟件。目前行業(yè)內(nèi)的商業(yè)三維建模軟件均可生產(chǎn)和解析參數(shù)化模型文件，主要包括TMA、TwSolid、博超TLD三維平臺(tái)、國遙三維平臺(tái)等。對(duì)以上建模軟件進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表1所示。

圖2 鐵塔產(chǎn)品模型

表1 鐵塔參數(shù)化建模軟件比較

由表1可知，TMA和TwSolid為兩款專業(yè)的放樣軟件，在國內(nèi)的鐵塔加工廠家已經(jīng)有多年的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。而另外3種建模軟件主要服務(wù)于設(shè)計(jì)單位的三維設(shè)計(jì)平臺(tái)中的鐵塔參數(shù)化建模和數(shù)字化移交。因此TMA和TwSolid的適用性更強(qiáng)，從而選擇TMA軟件平臺(tái)進(jìn)行參數(shù)化模型文件的研究測(cè)試。

3 鐵塔信息參數(shù)化表達(dá)的拓展

3.1 差異分析

從圖1和圖2可以看出，通用模型只能顯示節(jié)點(diǎn)和線條，產(chǎn)品模型則能表達(dá)構(gòu)件規(guī)格。這是因?yàn)楫a(chǎn)品模型MOD文件信息是由模型參數(shù)信息、掛點(diǎn)信息和接身接腿信息3部分構(gòu)成，其中模型參數(shù)信息中的桿件信息決定了模型顯示的桿件三維效果。從表2產(chǎn)品模型參數(shù)信息可以看出，桿件信息一般是通過計(jì)算模型文件中的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和桿件規(guī)格信息轉(zhuǎn)換生成。

表2 產(chǎn)品模型參數(shù)信息表

圖3 構(gòu)件空間位置計(jì)算

構(gòu)件空間位置簡(jiǎn)圖如圖3所示。鋼管構(gòu)件為中心對(duì)稱的截面型式，則生成三維模型時(shí)只需要獲取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和鋼管規(guī)格即可，但角鋼并非截面中心對(duì)稱構(gòu)件，因此MOD文件中將角鋼棱線作為默認(rèn)芯線。角鋼桿件的空間位置計(jì)算方法為：1)根據(jù)文件中節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息確定桿件的起止端點(diǎn)及位置；2)根據(jù)文件中桿件規(guī)格信息確定截面尺寸；3)確定截面X和Y肢的矢量方向，注意X和Y肢均垂直于端點(diǎn)連線方向，且X和Y肢正交。

圖4為MOD文件生成產(chǎn)品模型節(jié)點(diǎn)圖，從圖中可以看出，由于MOD文件對(duì)角鋼芯線沒有定義，程序默認(rèn)角鋼棱線為鐵塔模型的芯線，即棱線和芯線默認(rèn)是重合的。

圖4 MOD文件生成產(chǎn)品模型節(jié)點(diǎn)

但實(shí)際鐵塔構(gòu)圖時(shí)，為了保證受力合理通常是將角鋼的第1排芯線(或中心線)作為構(gòu)圖準(zhǔn)線，如圖5所示。

圖5 按常規(guī)構(gòu)圖生成產(chǎn)品模型節(jié)點(diǎn)

從圖4可以看出，角鋼棱線的兩個(gè)端點(diǎn)與單線節(jié)點(diǎn)重合后，模型外形與圖5有一定差異。這是因?yàn)槌Ｒ?guī)鐵塔的桿件均由等邊角鋼組成，等邊角鋼是一種軸對(duì)稱的截面形式，由相互正交的X肢和Y肢組成，Z方向?yàn)闃?gòu)件軸向。在實(shí)際構(gòu)造處理時(shí)，角鋼連接必須先確定芯線的位置，才能確保構(gòu)造合理、受力清晰。而MOD文件未明確角鋼芯線的距離，如果僅以角鋼棱線作為理論芯線，則必然會(huì)造成生成的數(shù)字化模型角鋼外楞線無法對(duì)齊。這就造成參數(shù)化模型與實(shí)際模型存在構(gòu)造尺寸的差異。

因此MOD格式的參數(shù)化模型尚不能正確表達(dá)出產(chǎn)品模型的尺寸信息，只有對(duì)構(gòu)件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步補(bǔ)充拓展，才能將上述構(gòu)造信息表達(dá)出來。

3.2 確定構(gòu)圖基準(zhǔn)面

為了建模方便，統(tǒng)一取角鋼中心線為建模芯線。結(jié)合結(jié)構(gòu)圖繪制的一般原則，先確定塔身變坡所在平面為基準(zhǔn)面，使變坡處主材的芯線交點(diǎn)之間的距離與變坡寬度相等。則變坡上下桿件的芯線偏移值按照棱線對(duì)齊的原則計(jì)算，定義Δx和Δy為角鋼芯線相對(duì)于節(jié)點(diǎn)連線的偏移值。變坡位置鐵塔芯線如圖6所示。

圖6 變坡位置鐵塔芯線

3.3 桿件之間相對(duì)位置關(guān)系的表達(dá)

角鋼塔的構(gòu)件類型一般包括單角鋼、十字雙組合角鋼、T型雙組合角鋼和四組合角鋼，角鋼塔構(gòu)件類型見表3。

表3 角鋼塔構(gòu)件類型

3.3.1 單角鋼

上下單角鋼建模偏移值計(jì)算如圖7所示，當(dāng)上下角鋼的外棱平面對(duì)齊后，上面較小的角鋼相對(duì)于節(jié)點(diǎn)連線存在X肢和Y肢兩個(gè)方向的芯線偏移值。

圖7 上下單角鋼建模偏移值計(jì)算

通過計(jì)算，則

Δx上=Δy上=(B下-B上)/2

(1)

Δx下=Δy下=(B上-B下)/2

(2)

式中：Δx上和Δy上為上主材角鋼的芯線偏移值；Δx下和Δy下為下主材角鋼的芯線偏移值；B上和B下分別為上、下主材的肢寬。

3.3.2 十字組合角鋼

在MOD文件中，對(duì)于組合角鋼采用每根角鋼逐行描述的方式，如：

R,2813,3023,L200X24,Q420,0.986 248,0.027 696,-0.162 937,-0.027 696,-0.986 248,-0.162 937；

R,2813,3023,L200X24,Q420,-0.986 248,-0.027 696,0.162 937,0.027 696,0.986 248,0.162 937。

上面兩行在MOD文件中表達(dá)的是2813-3023桿件采用了L200X24的雙組合角鋼。鐵塔十字型雙組合和四組合兩種構(gòu)造方式類似，因此下面僅針對(duì)十字型雙組合角鋼進(jìn)行分析。

對(duì)十字型雙組合角鋼，其構(gòu)造中心為角鋼的形心，因此A和B角鋼的偏移值均可以通過單角鋼中心與組合角鋼形心的距離來計(jì)算，如圖8所示。

通過計(jì)算，則

ΔxA=-B十/2

(3)

ΔxB=B十/2

(4)

ΔyA=-B十/2

(5)

圖8 單角鋼與十字組合角鋼連接偏移值計(jì)算

(6)

式中：ΔxA和ΔyA為十字組合A角鋼的芯線偏移值；ΔxB和ΔyB為十字組合B角鋼的芯線偏移值；B十為十字組合角鋼中單根角鋼的肢寬。

3.3.3 T型組合角鋼

同理，對(duì)于T型組合角鋼，一般可認(rèn)為其構(gòu)造中心軸為X肢中心連線，因此A和B角鋼的偏移值均可以通過中心線交點(diǎn)與構(gòu)造中心的距離來計(jì)算。T型組合角鋼偏移值計(jì)算如圖9所示。

圖9 T型組合角鋼偏移值計(jì)算

從圖中可以得出，對(duì)T型組合角鋼A和B角鋼的X肢偏移值相同，Y肢偏移值相反。

通過計(jì)算，則

ΔxA=ΔxB=-(BT-B單)/2

(7)

ΔyA=(BT-B單)/2

(8)

ΔyB=-(BT+B單)/2

(9)

式中：ΔxA和ΔyA為T型組合A角鋼的芯線偏移值；ΔxB和ΔyB為T型組合B角鋼的芯線偏移值；BT為T型角鋼中單根角鋼的肢寬；B單是單角鋼肢寬。

3.4 對(duì)MOD文件桿件信息的拓展

綜上所述，對(duì)MOD文件的桿件信息進(jìn)行擴(kuò)展，增加了芯線偏移值，其數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如下所示：

“桿件信息R，節(jié)點(diǎn)編號(hào)1，節(jié)點(diǎn)編號(hào)2，規(guī)格，材質(zhì)，肢朝向(X肢朝向，Y肢體)，芯線偏移值(X肢，Y肢)”。

示例如下：

R,2813,3023,L200X24,Q420,0.986 248,0.027 696,-0.162 937,-0.027 696,-0.986 248,-0.162 937,-100,-100；

R,2813,3023,L200X24,Q420,-0.986 248,-0.027 696,0.162 937,0.027 696,0.986 248,0.162 937,100,100。

其中最后2個(gè)數(shù)值表示角鋼X肢和Y肢芯線的偏移值。

4 鐵塔MOD拓展信息的應(yīng)用

TMA軟件支持用戶設(shè)置構(gòu)件以棱線或者芯線方式建模。下面以一種500 kV同塔雙回路耐張塔為例，通過TMA軟件測(cè)試了鐵塔模型增加了芯線偏移值前后的解析結(jié)果。該塔型塔身主材采用了單角鋼和十字組合角鋼。單角鋼接頭位置和單變雙位置的節(jié)點(diǎn)示例如圖10和圖11所示。

圖10 單角鋼調(diào)整前后MOD文件解析結(jié)果

圖11 單變雙角鋼調(diào)整前后MOD文件解析結(jié)果

從圖10和圖11可以看出，增加了角鋼芯線偏移值后，鐵塔三維模型的信息表達(dá)和實(shí)際結(jié)構(gòu)更加接近，因此這種拓展方式是可行的。

5 結(jié) 語

鐵塔參數(shù)化模型是對(duì)鐵塔模型尺寸和構(gòu)造信息的數(shù)字化表達(dá)，MOD文件是當(dāng)前通用的參數(shù)化建模方式。從增加桿件相對(duì)位置關(guān)系的角度出發(fā)，分析了桿件空間位置的計(jì)算方法，指出目前參數(shù)化模型文件在表達(dá)鐵塔桿件構(gòu)造信息上存在不足之處；最后提出一種能更詳細(xì)表達(dá)桿件相對(duì)位置關(guān)系的方法。由于真實(shí)鐵塔是由桿件、聯(lián)板、螺栓等組成的空間結(jié)構(gòu)體，而MOD文件目前僅能描述桿件和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息，還不能延伸至節(jié)點(diǎn)板和螺栓信息的表達(dá)。因此探討更全面的鐵塔參數(shù)化建模方式將成為三維數(shù)字化建模后續(xù)研究的方向之一。