輸電線路鐵塔三維數(shù)字化建模方法研究

李美峰，馮 勇，許 泳，黎 亮，黃 興

（西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

近年來，建筑信息模型化（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)在建筑、水力、化工、石油等行業(yè)進(jìn)入應(yīng)用階段，但在輸電線路行業(yè)尚處于探索階段。即使將BIM技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際工程，也僅作為輔助施工和加工的一種手段。為建設(shè)智能電網(wǎng)，輸電線路行業(yè)正大力推進(jìn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)，力求建立全線路完整的三維數(shù)字化模型，滿足工程全壽命周期管理的需要。

輸電線路模型主要包括鐵塔、基礎(chǔ)、金具、絕緣子串、導(dǎo)地線等設(shè)備設(shè)施等，其三維數(shù)字化模型中包含了豐富的數(shù)據(jù)信息，既可表達(dá)外形等幾何信息，又包含設(shè)備的屬性信息以及與關(guān)聯(lián)設(shè)備間的邏輯關(guān)聯(lián)信息?；A(chǔ)、金具、絕緣子串和導(dǎo)地線因其部件少，形狀特征可歸納提取，早已實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模。而輸電鐵塔因其具有塔型多樣、結(jié)構(gòu)布置形式種類多、零件數(shù)量巨大，多接身多接腿組合、掛點(diǎn)和塔腳局部構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)，已成為輸電線路三維數(shù)字化模型的關(guān)鍵。

首先對(duì)鐵塔三維數(shù)字化模型進(jìn)行了定義，并分析了模型層次，然后總結(jié)和分析了目前主要的建模方法及優(yōu)缺點(diǎn)。提出一種從鐵塔計(jì)算模型直接生成三維實(shí)體模型的建模方法，通過對(duì)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)進(jìn)行放樣，使實(shí)體模型與計(jì)算模型實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)對(duì)比，隨時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行調(diào)整，模型具備屬性信息，從而可構(gòu)建滿足全壽命周期管理的模型。最后梳理現(xiàn)有鐵塔三維數(shù)字化建模通用軟件，選擇Tekla Structures軟件，以特高壓工程鐵塔為例建立了完整的三維數(shù)字化模型，并進(jìn)行了數(shù)據(jù)交互測試。

1 輸電鐵塔三維數(shù)字化模型

以模型附帶的信息層次和容量大小來區(qū)分，可將鐵塔數(shù)字化模型分為3個(gè)細(xì)節(jié)層次：單線簡化模型、實(shí)體產(chǎn)品模型和實(shí)體制造模型。

1.1 單線簡化模型

采用單線方式準(zhǔn)確構(gòu)建形成的桿塔模型，如圖1所示，模型主體結(jié)構(gòu)由桿件及桿件節(jié)點(diǎn)組成，同時(shí)包括桿件參數(shù)等設(shè)計(jì)信息。單線模型可以被賦予呼高、掛點(diǎn)位置、尺寸信息，滿足電氣設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算要求。

圖1 鐵塔單線簡化模型

1.2 實(shí)體模型

鐵塔實(shí)體模型是指根據(jù)桿件截面信息，將單線模型中每根單線賦予型材截面屬性轉(zhuǎn)換為各個(gè)單元的實(shí)體，然后根據(jù)圖紙確定螺栓、芯線、火曲等裝配關(guān)系，構(gòu)成具有截面特征的三維模型，如圖2所示。它與單線模型相比，信息量更大，視覺上更接近真實(shí)鐵塔，模型各部件空間位置、結(jié)構(gòu)特征均符合實(shí)際情況。

實(shí)體模型的精度可分為2個(gè)層次：

1）產(chǎn)品模型：包含構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)板和螺栓信息，忽略小的墊板等零件，能直觀查看鐵塔采用的構(gòu)件型式和基本構(gòu)造，并可進(jìn)行構(gòu)件碰撞校驗(yàn)，節(jié)點(diǎn)板的計(jì)算，如圖2所示。但主要服務(wù)于展示和節(jié)點(diǎn)校驗(yàn)，模型精度不能達(dá)到加工要求。

2）制造模型：包含所有零件高精度的加工放樣信息，不僅可用于展示，也可方便查看詳細(xì)的尺寸參數(shù)和材料表，可直接用于加工，如圖3所示。精細(xì)化實(shí)體模型可直接應(yīng)用于鐵塔加工，通過多維模型技術(shù)對(duì)所有零部件的全壽命周期進(jìn)行統(tǒng)一管理。

圖2 實(shí)體（產(chǎn)品）模型

圖3 實(shí)體（放樣）模型

由以上分析可以得出，不同模型包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容和類型都是不同的，這也體現(xiàn)出鐵塔在不同設(shè)計(jì)階段需要表達(dá)的信息是不同的。因此可以認(rèn)為輸電鐵塔三維數(shù)字化模型是反映鐵塔幾何特征、屬性、加工圖紙以及模型全生命周期中各時(shí)間段的信息，能進(jìn)行三維可視化編輯，以數(shù)字化形式管理，可在不同時(shí)域和空間進(jìn)行分析的數(shù)據(jù)文件。單線簡化模型因無法反映鐵塔的真實(shí)形態(tài)，尚不能滿足鐵塔三維數(shù)字化模型的要求，因此在本文主要探討鐵塔實(shí)體模型建模。

2 鐵塔建模方法分析

三維數(shù)字化建模實(shí)際是通過計(jì)算機(jī)技術(shù)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以數(shù)字形式進(jìn)行表達(dá)的過程。對(duì)鐵塔實(shí)體模型建模，需要考慮如何建立角鋼和鋼板構(gòu)件、螺栓、墊板等零件組成的模型。目前國內(nèi)已經(jīng)取得了部分研究成果，如：周靜瑜采用Inventor建立鐵塔實(shí)體模型，進(jìn)行吊裝施工分析［1］。繩曉玲以O(shè)bjectARX作為Auto-CAD二次開發(fā)工具，研究了基于AutoCAD的輸電鐵塔零件三維模型管理系統(tǒng)［2］。孫鳳杰等人采用3DMAX和AutoCAD，建立了輸電鐵塔的三維模型，并在虛擬場景中進(jìn)行了展示［3］。尹暉等人以我國首個(gè)特高壓交流試驗(yàn)示范工程輸電線路三維可視化研究為目標(biāo)，根據(jù)輸電桿塔等實(shí)際數(shù)據(jù)和圖片資料，研究了基于Google SketchUp軟件平臺(tái)進(jìn)行輸電桿塔、絕緣子及金具三維建模的具體實(shí)現(xiàn)過程［4］。通過對(duì)國內(nèi)外研究成果和工程實(shí)踐的分析，總結(jié)目前建模方法主要有2種：

1）由零件到整體組裝：設(shè)計(jì)計(jì)算文件—鐵塔結(jié)構(gòu)圖—構(gòu)件及零件參數(shù)化建?！獦?gòu)件及零件整體組裝—模型入庫及調(diào)用。

2）由整體到零件組裝：設(shè)計(jì)計(jì)算文件—鐵塔結(jié)構(gòu)圖—鐵塔整體模型搭建—構(gòu)件及零件放樣—模型入庫及調(diào)用。

2.1 由零件到整體組裝的方式

這種方式先根據(jù)結(jié)構(gòu)圖生成角鋼、節(jié)點(diǎn)板和螺栓等構(gòu)件參數(shù)化模型，構(gòu)件的長度、截面特性等都可根據(jù)圖紙進(jìn)行調(diào)整和修改。然后根據(jù)結(jié)構(gòu)圖的布置規(guī)則對(duì)所有構(gòu)件進(jìn)行組裝。其優(yōu)點(diǎn)在于可對(duì)所有構(gòu)件和零件進(jìn)行參數(shù)化建模，通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行管理，信息交互通暢，材料統(tǒng)計(jì)方便。但缺點(diǎn)是鐵塔組裝工作量較大，建模過程與加工脫節(jié)，目前還沒有解決模型或零件與加工數(shù)據(jù)的對(duì)接問題。

2.2 由整體到零件組裝的方式

這種方式是目前國內(nèi)鐵塔加工的建模方法，即通過設(shè)計(jì)單位提供的鐵塔結(jié)構(gòu)圖首先生成鐵塔幾何模型，然后在幾何模型中對(duì)構(gòu)件進(jìn)行逐一錄入，使單線具備構(gòu)件屬性，并進(jìn)行節(jié)點(diǎn)板繪制和螺栓配置，利用計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)將構(gòu)件的幾何信息用三維圖元表達(dá)出來，形成完整的三維模型。程序可從三維模型中提取二維平面信息，形成不同剖面的結(jié)構(gòu)圖與設(shè)計(jì)藍(lán)圖核對(duì)，打印圖紙和樣板，交付專人審核，提交生產(chǎn)加工。其工作流程如圖4所示。

這種方式的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)圖紙與加工的對(duì)接，后期還可將加工過程中存在的問題反饋設(shè)計(jì)進(jìn)行調(diào)整。缺點(diǎn)是從鐵塔設(shè)計(jì)到加工建模的周期較長，短則1個(gè)月，長則3個(gè)月至半年。且國內(nèi)加工廠家一般采用專用放樣軟件，與設(shè)計(jì)單位數(shù)據(jù)尚不能實(shí)現(xiàn)互通，無法滿足輸電線路全壽命周期管理的需要。

圖4 傳統(tǒng)鐵塔放樣模型生產(chǎn)流程

2.3 計(jì)算模型直接生成實(shí)體模型的方法

圖5 由計(jì)算模型直接生產(chǎn)實(shí)體模型流程

要建立能滿足全壽命周期管理要求的鐵塔三維數(shù)字化模型，應(yīng)將放樣建模環(huán)節(jié)的關(guān)鍵部分（如節(jié)點(diǎn)板、螺栓布置等）提前至設(shè)計(jì)階段，計(jì)算模型與實(shí)體模型實(shí)行調(diào)整，這樣便可建立起計(jì)算與放樣一致的鐵塔模型。從圖4的流程可以看出，傳統(tǒng)的建模方法中，實(shí)體模型是廠家根據(jù)二維圖紙?jiān)谲浖蟹艠油瓿傻?，一旦放樣尺寸與圖紙存在差異，便需反饋設(shè)計(jì)重新復(fù)核計(jì)算并修改圖紙，數(shù)據(jù)無法聯(lián)動(dòng)。如果能將計(jì)算模型直接關(guān)聯(lián)到實(shí)體模型，如圖5所示，不僅可取消二維圖紙這一中間環(huán)節(jié)，在設(shè)計(jì)階段就實(shí)現(xiàn)了計(jì)算與實(shí)體產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)互通，減小了后期放樣調(diào)整，且經(jīng)過較少中間過程就能形成制造模型，有利于提高線路工程中設(shè)備設(shè)施的全壽命周期管理水平。

3 現(xiàn)有計(jì)算模型生成實(shí)體模型的軟件

由于鐵塔模型的零件數(shù)量大，一個(gè)常規(guī)500 kV鐵塔零件至少幾千個(gè)，特高壓鐵塔零件多達(dá)上萬個(gè)。如果使用通用軟件進(jìn)行人工拼裝需要耗費(fèi)大量的時(shí)間，效率低下且易出錯(cuò)。因此鐵塔建模過程均是在通用軟件平臺(tái)上進(jìn)行二次開發(fā)或者直接由專業(yè)建模軟件完成的。

目前主流的建模軟件有AutoCAD，Revit，Inventor，3DSmax，Tekla Structures，LDS 以 及 TwSolid 等 。對(duì)這幾種建模軟件進(jìn)行比較分析，結(jié)果如表1所示。

表1 鐵塔建模軟件比較

由表1可知，AutoCAD是一款擅長平面圖繪制的軟件，Inventor主要應(yīng)用于機(jī)械三維建模，Revit應(yīng)用于建筑BIM模型的創(chuàng)建，3DSmax用于三維圖形圖像處理和動(dòng)畫制作。目前較適合鐵塔三維數(shù)字化模型的程序只有Tekla Structures，LDS和TwSolid 3種，LDS和TwSolid因主要用于行業(yè)內(nèi)，目前還需要解決數(shù)據(jù)交互和與通用平臺(tái)的接口問題。Tekla Structures是一款通用建模分析軟件，其功能模塊非常豐富且支持二次開發(fā)。Tekla Structures能夠以多種標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，其中包括：.dwg，.dxf，.ifc，.dgn，.xml等，因此通用性更強(qiáng)。通過上述格式的文件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，能滿足大部分通用軟件的需要，這就為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了極大的便利，從而使設(shè)計(jì)人員在多款軟件上對(duì)同一模型進(jìn)行不同方面的校核分析，大大減少工作量。因此采用Tekla Structures軟件進(jìn)行測試。

4 計(jì)算模型生成實(shí)體模型建模方法的應(yīng)用

以某1 000 kV特高壓輸電線路工程鐵塔為例，分析了其采用上述建模技術(shù)生成模型的流程。

1）建立軸網(wǎng)，創(chuàng)建3D視圖，如圖6所示。軸網(wǎng)主要便于模型定位。

圖6 創(chuàng)建軸網(wǎng)和3D視圖

2）創(chuàng)建幾何模型和桿件。

程序可對(duì)每根構(gòu)件賦予名稱、型號(hào)、材質(zhì)、編號(hào)等屬性信息，如圖7所示。在交互界面建模時(shí)，需要先根據(jù)輪廓控制點(diǎn)坐標(biāo)建立鐵塔幾何模型，然后通過對(duì)單線賦予截面屬性完成構(gòu)件定義。這種方式對(duì)于輔助材數(shù)量較少的鋼管塔或鋼管桿模型較為方便，但對(duì)于輔助材數(shù)量較多的角鋼塔則建模工作量大大增加。由于Tekla Structures軟件具備豐富的二次開發(fā)接口，通過二次開發(fā)功能將鐵塔計(jì)算模型文件轉(zhuǎn)換成軟件可識(shí)別的模型數(shù)據(jù)和鐵塔截面規(guī)格庫。軟件讀取模型數(shù)據(jù)后，每一根桿件對(duì)應(yīng)其定位坐標(biāo)和桿件信息，便可自動(dòng)建立具有桿件信息的模型。一旦定義完成便形成完全參數(shù)化的模型形式，即便以后有變更，也可很快生成新的模型。

圖7 構(gòu)件建模示例

3）創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)板。

建立桿件信息模型后，便可以進(jìn)行節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。Tekla Structures本身具有強(qiáng)大的節(jié)點(diǎn)模板庫，其中含有600多種節(jié)點(diǎn)型式以及參數(shù)化節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)模塊。但由于主要面向建筑和民用鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，對(duì)于輸電鐵塔并不完全適用，目前輸電鐵塔建模大部分采用人工逐個(gè)節(jié)點(diǎn)建模或者二次開發(fā)相應(yīng)的功能［5］。節(jié)點(diǎn)板人工建模需要先繪制外形，然后定義材質(zhì)和尺寸信息。圖8為軟件自帶的塔腳法蘭節(jié)點(diǎn)模板。

圖8 節(jié)點(diǎn)板建模示例

4）創(chuàng)建螺栓。

創(chuàng)建螺栓前，需要明確螺栓與節(jié)點(diǎn)板的相對(duì)坐標(biāo)關(guān)系，然后在相對(duì)坐標(biāo)系下定義螺栓的位置和屬性信息，最后生成螺栓模型，如圖9所示。

圖9 螺栓建模示例

5）創(chuàng)建掛點(diǎn)。

鐵塔掛點(diǎn)是模型最復(fù)雜的部分，通常在桿件和節(jié)點(diǎn)板建成后再進(jìn)行掛點(diǎn)建模。首先對(duì)掛線角鋼、掛線板、肋板進(jìn)行建模并計(jì)算其裝配位置信息，然后將構(gòu)件放置到相應(yīng)的位置，如圖10所示。由于目前Tekla Structures不支持角鋼開合角，因此對(duì)于開合角較大的角鋼只能單獨(dú)定義截面類型再裝配。

圖10 掛點(diǎn)模型示例

6）抽取圖紙。

軟件還可對(duì)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行碰撞分析。完成后的鐵塔三維模型如圖11所示。

在Tekla Structures中，可方便查看各構(gòu)件的材料、型號(hào)、尺寸等屬性。依據(jù)其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)交互功能，通過格式轉(zhuǎn)換將模型導(dǎo)入MicroStation，Revit等多種三維設(shè)計(jì)平臺(tái)中，縮短設(shè)計(jì)周期。同時(shí)，Tekla Struc-tures還支持與加工設(shè)備的數(shù)據(jù)對(duì)接，直接用于放樣加工。從三維模型中抽取平面圖紙，也可用于施工和校對(duì)，如圖12所示。

圖11 1 000 kV特高壓鐵塔外形

圖12 三維模型抽取圖紙示例

由于輸電鐵塔為不規(guī)則實(shí)體模型，建模過程中產(chǎn)生的線單元和面單元多，模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在采用上述方法建模過程中也發(fā)現(xiàn)，精細(xì)的輸電桿塔模型文件數(shù)據(jù)量較大，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備要求較高。

5 結(jié)語

基于對(duì)鐵塔三維數(shù)字化模型的研究，提出了一種從計(jì)算模型直接生成實(shí)體模型的建模方法。建模過程中利用實(shí)體模型與計(jì)算模型進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，隨時(shí)對(duì)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造進(jìn)行調(diào)整，使鐵塔模型具備了構(gòu)造屬性。遠(yuǎn)期還可基于通用軟件進(jìn)行二次開發(fā)，使程序根據(jù)桿塔單線模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合實(shí)際角鋼朝向、節(jié)點(diǎn)板、掛線板、塔腳板、法蘭、支座等部件設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)算法，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行空間分析、三維設(shè)計(jì)，自動(dòng)建立桿塔的三維精細(xì)實(shí)體模型。