一種基于三維模型的輸電線路塔基設計方法

李美峰，馮運超，駱俊林，黃 興，梁 明，李 力

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引 言

目前輸電線路塔基設計方案一般是在塔基斷面圖和塔基地形圖上標繪的，塔位范圍為寬30～50 m的方形區(qū)域。設計單位對塔基區(qū)的塔腿、基礎、防護設施、水保措施進行設計和計算后，將圖紙交付施工單位。由于線路工程大多位于野外，塔位范圍內(nèi)存在地形起伏且與周邊環(huán)境關系密切，尤其是在設計水土保持方案時需要考慮塔基對周邊100～200 m內(nèi)外部環(huán)境的影響。因此，在塔位地形圖和斷面圖上標繪的方式不能充分體現(xiàn)設計意圖。在工程實施的過程中，常常發(fā)生施工人員對塔基設計圖紙理解偏差、設計統(tǒng)計工程量考慮不全面等問題。

近年來，三維數(shù)字化設計技術在輸電工程中逐步推廣應用。采用三維數(shù)字化的設計手段建立三維模型，可更直觀地表達設計意圖；通過數(shù)據(jù)庫技術來管理和分析各種設計數(shù)據(jù)，可更快捷地查詢各種信息，使數(shù)據(jù)統(tǒng)計更加精確從而提高設計效率和質(zhì)量。因此，塔基設計也可利用三維數(shù)字化技術進一步提高設計質(zhì)量。

國內(nèi)對塔基設計及優(yōu)化工作做了大量研究。文獻[1]提出了一種塔基數(shù)字地面建立的方法。文獻[2]研究了基于地理信息系統(tǒng)平臺ArcGIS和可視化類庫VTK(visualization toolkit)的等高線地形圖三維可視化技術。文獻[3]提出了一種基于ObjectARX應用程序的塔腿基礎接腿自動配置以及塔基地形和斷面自動繪制技術。文獻[4]提出了基于軟件開發(fā)包Teigha的塔基斷面圖自動繪制及長短腿自動配置技術。文獻[5-9]分析和研究了塔基設計中的水土保持措施、環(huán)境保護措施和基礎選型等內(nèi)容。文獻[10]研究了鐵塔長短腿和高低基礎配置的優(yōu)化方法。文獻[11]研究和應用了輸電線路三維基礎設計場景構(gòu)建技術。上述文獻雖然從不同層面研究了塔基設計的相關技術，但是沒有涉及對整個塔基設計方案的綜合評價，因而無法從根本上提升塔基設計的精細化水平。

目前輸電工程塔基設計和施工所依據(jù)的文件仍是二維圖紙。但是，基于三維數(shù)字化技術對二維成果進行驗證并輔助完成方案優(yōu)化是可行的。下面從二維設計的薄弱點入手提出一種基于三維模型的塔基設計方法。該方法從建模規(guī)則和軟件架構(gòu)兩個方面出發(fā)，首先借鑒參數(shù)化建模的思路，建立塔基設計主要元素的三維數(shù)字化模型體系。然后，基于開源的三維平臺，開發(fā)了一款塔基設計三維建模軟件。最后，針對工程中實際塔位進行建模，驗證并分析了三維數(shù)字化技術應用于塔基設計的準確性與合理性。

1 塔基設計主要內(nèi)容

結(jié)合工作過程分析，塔基設計主要的工作內(nèi)容如表1所示。

表1 塔基設計工作內(nèi)容

輸電線路塔基設計的最終成果主要是以圖紙的形式體現(xiàn)，其常規(guī)格式如圖1所示，其中包含鐵塔使用條件、塔腿配置、基礎配置、地形地貌描述、施工說明、水土保持設計等模塊。

圖1 塔基設計二維成果

2 塔基設計優(yōu)化的技術方案

2.1 二維設計的缺點及對策分析

從圖1可以看出，用二維圖紙描述塔基設計方案存在以下缺點：

1)空間位置關系表達不直觀

二維圖紙只能表達塔腿方向剖面和地形平面中地物模型的相對位置關系，當?shù)匦纹鸱^大時，平面表達方式不夠直觀明確。另外，當塔基范圍內(nèi)修筑防護措施時，斷面圖上只能反映塔腿方向的相對位置關系，超出斷面則無法準確測量。

2)工程量計算與實際存在差異

由于塔基設計過程中的基面土石方、基礎外露、防護措施工程量均需計入地形影響，而二維圖紙只能從平斷面上進行簡化計算，容易造成工程量與實際發(fā)生量存在差異。

3)塔位與環(huán)境的關系表達不全面

從宏觀來看，塔基是線路工程的一連串節(jié)點。當需要對線路工程進行總體評價時，這種一塔一圖的表達方式不能體現(xiàn)出線路工程在整個通道范圍內(nèi)對周邊環(huán)境的影響。

針對二維設計的缺點，三維數(shù)字化技術可以利用二維設計的數(shù)據(jù)建立三維模型，從而直觀表達模型之間的位置關系，還可進行距離測算；而地理信息系統(tǒng)(grographic information system,GIS)平臺可在更大范圍內(nèi)體現(xiàn)整個工程在現(xiàn)實世界中的位置。因此，提出基于當前廣泛應用的三維數(shù)字化技術和GIS平臺，根據(jù)塔基設計二維成果數(shù)據(jù)建立塔基范圍內(nèi)三維小場景和三維GIS平臺中大場景的優(yōu)化方案，如圖2所示。

圖2 塔基三維設計優(yōu)化方案

2.2 塔位小場景優(yōu)化方案

塔位小場景方案指通過三維建模軟件將塔基區(qū)工程實地測量范圍內(nèi)的主要設施進行建模，通過三維模型表達塔位地形、塔腿、基礎、防護措施、地質(zhì)條件等信息，如圖3所示。這種方式可直觀體現(xiàn)出各種設施的空間位置關系，同時還能進行距離測算，當方案不合理時，重新修改二維設計方案，從而綜合評價塔基設計方案的合理性。

圖3 塔位小場景構(gòu)建

2.3 塔位大場景優(yōu)化方案

由于塔基工程測量范圍一般不超過50 m，因此在考慮100～200 m更大范圍的場地因素時，必須借助GIS平臺進行建模分析。塔位大場景方案即通過GIS系統(tǒng)可視化技術將塔基三維模型與GIS平臺相結(jié)合，在輸電線路全景模型中仿真模擬塔基設計方案，從而綜合評價方案的合理性，如圖4所示。

圖4 塔位大場景構(gòu)建

3 塔基設計三維建模流程

結(jié)合圖2的技術路線，對塔基設計三維建模流程如下：

1)完成塔基二維設計，形成基礎配置成果。

2)構(gòu)建鐵塔塔腿、基礎、防護設施的參數(shù)表。

3)輸入基礎配置成果(包含排位信息、塔腿配置、基礎配置等)。

4)輸入勘測提資的塔位地形數(shù)據(jù)和巖土信息。

5)調(diào)用參數(shù)表，通過基礎配置成果和勘測數(shù)據(jù)生成塔位小場景。

6)在塔位小場景中，根據(jù)設計要求添加防護措施模型，通過空間距離分析確定防護措施合理性。隨后確定其他水土保持措施和施工措施，統(tǒng)計工程量。

7)當方案不合理時，返回步驟1重新設計。

8)進入GIS平臺，將塔基設計三維模型經(jīng)坐標變換后加載到大場景中，隨后完成方案評價。不合理的方案重新返回步驟1進行調(diào)整。

工作流程如圖5所示。

圖5 塔基三維設計工作流程

4 塔基設計建模規(guī)則

塔基三維設計的主要元素包括地形、地質(zhì)、塔腿、基礎和防護設施。參照國家電網(wǎng)公司《輸變電工程三維設計建模規(guī)范》[12]的規(guī)定，三維模型應描述類型、空間位置、幾何尺寸信息和材料屬性，盡量采用參數(shù)化建模。下面分別分析各種要素的建模規(guī)則。

4.1 塔基地形模型

由于塔基地形圖是由一系列離散高程點和等高線組成的測繪數(shù)據(jù)，不含絕對坐標，因此不屬于涉密資料。塔基地形圖的文件格式一般為*.dwg或*.dxf，通過格式轉(zhuǎn)換可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)文件，利用程序生成三維地形模型。圖6為通過等高線拉伸形成的地形曲面模型。

圖6 塔基地形圖三維建模示例

4.2 地質(zhì)模型

塔基地質(zhì)模型主要用于體現(xiàn)A、B、C、D 4個接腿下的巖土分層信息，主要參數(shù)為塔腿序號、巖土類型、巖層厚度，其中地質(zhì)的巖土類型和巖層厚度根據(jù)巖土專業(yè)提資來確定。表2展示了某個常規(guī)塔位各塔腿的巖土分層信息。

表2 某塔位各接腿巖土分層信息

由于現(xiàn)場勘測時，地質(zhì)專業(yè)一般只提供4個塔腿位置的地質(zhì)分層信息，而構(gòu)建三維模型需要反映整個塔基范圍內(nèi)的地質(zhì)分層情況，因此接腿之間的區(qū)域通過插值計算，從而形成分層的地質(zhì)三維模型，如圖7所示。

圖7 塔基地質(zhì)模型三維建模示例

4.3 基礎模型

輸電線路常用的樁基、大板、承臺樁等基礎形式，均可通過參數(shù)化構(gòu)建。以樁基礎為例，其參數(shù)包括樁基全高H、直段高度H1、擴底斜段高度H2、擴底直段高度H3、基礎立柱直徑d、擴底直徑D，三維模型及參數(shù)如圖8所示。另外，直接讀取基礎*.mod文件也可獲取基礎尺寸信息。

圖8 樁基礎三維模型參數(shù)

4.4 塔腿模型

通過輸入塔腿的三維模型參數(shù)包括塔型、單面坡度、變坡口寬、變坡上折減高度、呼高、接身高、接腿高等，即可構(gòu)建塔腿模型，其參數(shù)如圖9所示。另外，直接讀取鐵塔*.mod文件也可獲取接腿信息。

圖9 塔腿三維模型參數(shù)

4.5 防護措施模型

4.5.1 參數(shù)構(gòu)建

防護措施主要包括堡坎、護坡、排水溝、防撞樁、擋土墻等，都可通過參數(shù)構(gòu)建。

1)排水溝建模參數(shù)如圖10所示，包括上口寬度、下口寬度、鎖口寬度、深度、壁厚等。

圖10 排水溝建模參數(shù)

2)護坡、堡坎、擋土墻建模參數(shù)如圖11所示，包括型號、外露高度、基腳埋深、基底逆坡高度、基底寬度、墻頂寬度等。

圖11 護坡、堡坎、擋土墻建模參數(shù)

3)防撞樁建模參數(shù)如圖12所示，包括外露高度、基腳埋深、截面寬度、截面長度、間距等。

圖12 防撞樁建模參數(shù)

4.5.2 建模方法

防護措施按模型的組成要素和表現(xiàn)形態(tài)可分為節(jié)點類和路徑類。模型的建模參數(shù)對應設施類型，空間位置控制參數(shù)按節(jié)點和路徑分別對應設置節(jié)點和開放多線段。在三維建模軟件中以模型參數(shù)為基元，以空間位置控制參數(shù)為設計表達，即可實現(xiàn)防護措施的參數(shù)化建模。

防撞樁三維建模采用節(jié)點類繪制法，按照節(jié)點布置單個防撞柱的位置，如圖13(a)所示；程序根據(jù)尺寸參數(shù)自動完成建模，如圖13(b)所示。

圖13 防撞樁建模方法

護坡、堡坎、排水溝、擋水墻三維建模采用路徑類繪制法，按照拐點繪制路徑，如圖14(a)所示；程序根據(jù)截面尺寸參數(shù)自動完成建模，如圖14(b)所示。

圖14 護坡、堡坎、排水溝、擋水墻建模方法

4.6 塔位大場景地理信息模型

通過在GIS平臺加載DEM數(shù)據(jù)和數(shù)字正向影像圖(digital orthophoto map，DOM)數(shù)據(jù)，可構(gòu)建包含整個線路工程和塔位的三維地理信息模型。GIS平臺選擇易智瑞(北京)軟件研發(fā)中心有限公司發(fā)布的ArcGIS 10.7系統(tǒng)[13]，該系統(tǒng)具有突出的數(shù)據(jù)處理能力和兼容性。由于所提研究的目的是完成塔基設計方案的綜合評估，僅使用網(wǎng)絡公開的高程和影像數(shù)據(jù)即可滿足要求，而不需要高精度的DEM和DOM數(shù)據(jù)等涉密資料，因此該系統(tǒng)不存在涉密問題。

5 軟件實現(xiàn)方案

5.1 程序架構(gòu)

行業(yè)內(nèi)尚沒有專門用于輸電線路塔基設計三維建模的通用軟件，因此在開源平臺的基礎上，自主開發(fā)了一款輸電線路塔基設計三維建模軟件。該軟件可實現(xiàn)塔位小場景的構(gòu)建，同時還可導出鐵塔、基礎、防護設施的三維模型。由于塔位小場景采用局部坐標系，因此需經(jīng)坐標變換才可將模型加載到GIS平臺構(gòu)建的塔位大場景中。三維建模軟件的程序架構(gòu)主要分為功能組件、平臺組件和基礎技術組件3部分，如圖15所示。

圖15中的基礎技術組件提供軟件的必要技術支撐。其中，Open Cascade是一個專業(yè)的幾何構(gòu)型軟件，適用于各類參數(shù)化零部件的建模，這里使用Open Cascade構(gòu)建塔腿、基礎和防護設施等。VTK是一個網(wǎng)格操作庫，用于將地形圖*.dwg文件進行格式轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)地形的三維建模以及挖填方操作。SQLITE是用于管理模型的數(shù)據(jù)庫平臺。BCGPControl是一個控件庫。

圖15 塔基設計三維建模軟件架構(gòu)

平臺組件為軟件提供基礎功能，比如命令管理、工程管理之類。主要服務于交互操作，可滿足二三維聯(lián)動、多窗口應用的操作需求。

功能組件即軟件功能模塊，所有基于界面的設計交互均通過功能組件封裝和實現(xiàn)，并提供建模、導出模型和測距等功能。

通過分析與塔基設計相關的要素，構(gòu)建全過程的塔基設計數(shù)字化模型。模型通過參數(shù)驅(qū)動，數(shù)據(jù)分布存儲在底層數(shù)據(jù)庫中。塔基設計的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是通過對輸入數(shù)據(jù)的解析，逐步形成分層級的塔基設計數(shù)字化模型。主要層級包括工程級、塔位級、方案級，如圖16所示。

圖16 塔基設計數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

5.2 程序界面

該軟件采用一檔多視的界面布局，可以同時查看一個塔基的俯視二維圖、剖面圖以及三維視圖。軟件功能遵循二三維實時聯(lián)動的原則進行功能開發(fā)，以俯視二維圖為操作核心，以三維及剖面圖作為輔助設計視圖，幫助設計人員實時檢查自己的設計效果。圖17為程序界面。

圖17 軟件二三維聯(lián)動界面示例

5.3 操作方法

塔基地形、地質(zhì)、塔腿和基礎模型可直接通過導入勘測提資和配置成果表批量生成。防護設施建?？赏ㄟ^設計人員在軟件的二維地形圖視口中繪制路徑并修改截面參數(shù)完成。

6 工程應用實例

下面以某山區(qū)線路工程為例，對三維建模方法進行驗證。某塔位位于山脊頂部，A腿位于山脊后側(cè)斜坡，坡度為25°～30°；C腿位于山脊前側(cè)斜坡，坡度為15°～20°；B、D腿位于脊頂，坡度為10°～15°。設計采用人工挖孔樁基礎，配置成果如表3所示。

表3 某塔位塔基設計成果

由于余土外運困難，設計方案經(jīng)評估后采取在C腿左側(cè)約4 m外修筑棄土堡坎的措施，堡坎外露1.2 m，埋深0.8 m，長20 m，二維設計地形如圖18所示。

圖18 二維設計地形

將二維設計的成果數(shù)據(jù)導入三維建模軟件中，然后根據(jù)二維設計圖在程序中繪制堡坎模型。點擊堡坎模型，軟件自動生成剖切斷面和屬性信息，如圖19所示。從圖中可以看出，堡坎右側(cè)(黃色方框內(nèi))已埋入土體中，因此需要對方案進一步優(yōu)化。

(a)三維視圖窗口

(b)三維視圖窗口圖19 根據(jù)二維設計三維建模成果

重新調(diào)整堡坎的路徑和露高，使其斷面更加合理，如圖20所示。堡坎長度從20 m減小到15 m，露高從1.2 m調(diào)整為1.5 m。

圖20 三維建模成果調(diào)整

塔位小場景建模完成后，將模型導出，加載到ArcGIS平臺中。從三維地圖視口可以看出，塔位處于山脊，兩側(cè)不適合堆積棄土，修筑堡坎的位置具有合理性和唯一性，如圖21所示。

圖21 模型加載到GIS平臺

綜上所述，經(jīng)過塔位小場景調(diào)整和大場景綜合評估，優(yōu)化后的方案更加合理準確。

7 結(jié) 論

上面基于三維數(shù)字化技術，將塔基設計成果轉(zhuǎn)化為三維模型，實現(xiàn)從“二維圖紙繪制”到“三維優(yōu)化設計”的轉(zhuǎn)變。采用二三維聯(lián)動設計和三維場景仿真模擬的技術，基于二維設計數(shù)據(jù)自動建立三維模型，輔助設計人員全面分析塔基設計的合理性和可行性，從而提高設計質(zhì)量。

但在GIS平臺中批量加載模型時，考慮到模型精度和GIS平臺的高程數(shù)據(jù)的精度可能相差較大，這時需在每基塔附近(約 100 m范圍 )地形進行修正和平滑處理。這一地形修正技術還在研究中。

另外，目前塔基設計三維模型僅能作為方案優(yōu)化和展示，后期還需研究將塔基設計數(shù)字化成果的信息傳遞至建設管理領域的技術以及數(shù)據(jù)交互方式[14-15]，實現(xiàn)塔基設計三維模型的導出，并根據(jù)需要提供給相關單位進一步應用。