輸電線(xiàn)路桿塔三維數(shù)字化精確模型構(gòu)建方法和應(yīng)用

國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院 戴 亞 李伯頤 張 楠

建筑信息模型化（BIM）技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)硬件和技術(shù)的發(fā)展和建筑行業(yè)的實(shí)際需求而蓬勃發(fā)展，目前已進(jìn)入建筑、水電、石化等行業(yè)的應(yīng)用階段。BIM 技術(shù)實(shí)際運(yùn)用的目標(biāo)是充分融合規(guī)劃、設(shè)計(jì)、深化、加工、施工、運(yùn)維等各階段輸入、輸出信息，使各專(zhuān)業(yè)基于同一個(gè)模型進(jìn)行工作，充分實(shí)現(xiàn)信息共享、三維集成和協(xié)同設(shè)計(jì)，提高生產(chǎn)效率、保證工程質(zhì)量、節(jié)約成本、縮短工期[1]。但電力輸電線(xiàn)路行業(yè)對(duì)BIM 技術(shù)運(yùn)用還處于起步探索階段，實(shí)際工程運(yùn)用也僅是作為施工和加工時(shí)的一種輔助措施。建立全線(xiàn)路完整的三維數(shù)字化模型，從而實(shí)現(xiàn)工程地理信息與設(shè)計(jì)、建設(shè)成果資料的數(shù)字化仿真三維集成系統(tǒng)與可視化管理，以便于設(shè)計(jì)、管理與運(yùn)維人員盡可能及時(shí)、全面、直觀(guān)地查看工程相關(guān)信息，還需行業(yè)推進(jìn)[2]。

1 輸電線(xiàn)路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型的重要性及現(xiàn)狀

構(gòu)建新型電力系統(tǒng)，數(shù)字化是重要途徑，在能源化的未來(lái)，以三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型構(gòu)件為基礎(chǔ)，建設(shè)堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)樞紐平臺(tái)，是提高運(yùn)維管理、提升安全管理、優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)、降低成本等方面的重要手段。但就目前而言，電力行業(yè)從業(yè)人員對(duì)于BIM 認(rèn)識(shí)不足、BIM 標(biāo)準(zhǔn)未建立、軟件功能與應(yīng)用需求差距較大，也是三維數(shù)字化推行緩慢的原因。

1.1 輸電線(xiàn)路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型的重要性

輸電線(xiàn)路桿塔數(shù)字化精準(zhǔn)模型是指通過(guò)數(shù)字化建模技術(shù)將現(xiàn)實(shí)中的輸電線(xiàn)路桿塔的形態(tài)、尺寸、位置等信息進(jìn)行數(shù)字化處理，從而構(gòu)建出精確的三維模型，以供線(xiàn)路桿塔的運(yùn)維管理、安全管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)等方面的應(yīng)用。其重要性主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

第一，提高運(yùn)維管理水平：通過(guò)數(shù)字化模型，讓數(shù)據(jù)可視化，使運(yùn)維人員可以實(shí)時(shí)掌握桿塔的位置和狀態(tài)信息，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線(xiàn)路的快速響應(yīng)和優(yōu)化管理，提高設(shè)備的使用效率和可靠性。第二，提升安全管理水平：數(shù)字化模型能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)桿塔的精確定位和識(shí)別，有助于發(fā)現(xiàn)并及時(shí)處理線(xiàn)路桿塔的隱患，提高運(yùn)營(yíng)安全性。第三，優(yōu)化規(guī)劃設(shè)計(jì)：數(shù)字化模型還能夠?yàn)橐?guī)劃設(shè)計(jì)提供精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)參考，有利于確定桿塔的位置、高度，以及桿塔間距等參數(shù)，從而為輸電線(xiàn)路的合理布局提供支持。在建設(shè)過(guò)程中，數(shù)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(jié)約時(shí)間和成本。第四，降低成本提高效率：數(shù)字化模型的應(yīng)用能提高工作效率，降低管理成本，同時(shí)也有利于優(yōu)化設(shè)備的使用和資源配置，從而進(jìn)一步提高整個(gè)輸電系統(tǒng)的運(yùn)行效率和降低運(yùn)行成本。

1.2 輸電線(xiàn)路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型現(xiàn)狀

架空輸電線(xiàn)路作為電力輸送通道，在整個(gè)電網(wǎng)建設(shè)中體量巨大，如何解決架空輸電線(xiàn)路BIM 模型的創(chuàng)建是BIM 技術(shù)在電力行業(yè)中推廣應(yīng)用必須面對(duì)的問(wèn)題。目前，已有部分單位提出了自己的解決方案，如中國(guó)電力科學(xué)研究院開(kāi)發(fā)的架空輸電線(xiàn)路三維協(xié)同設(shè)計(jì)平臺(tái)、北京道亨公司開(kāi)發(fā)的道亨送電線(xiàn)路設(shè)計(jì)成果三維電子化移交平臺(tái)和北京博超時(shí)代軟件有限公司推出的TLD 數(shù)字化三維送電設(shè)計(jì)平臺(tái)。其中，中國(guó)電力科學(xué)研究院和北京博超時(shí)代軟件有限公司的平臺(tái)主要側(cè)重的是三維設(shè)計(jì)的過(guò)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(shí)體框架，而無(wú)桿件間連接的節(jié)點(diǎn)板、螺栓和附屬設(shè)施等零部件，在角鋼的朝向上也比較隨意，無(wú)法反映工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況；道亨公司的平臺(tái)雖然在鐵塔三維模型上面較前面兩家有較大的優(yōu)勢(shì)，但是，在創(chuàng)建模型過(guò)程中和后期工程信息查詢(xún)時(shí)需結(jié)合一系列道亨公司開(kāi)發(fā)的多款軟件，具有較大的局限性。其實(shí)，以上解決方案均是在滿(mǎn)足國(guó)網(wǎng)數(shù)字化移交要求的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)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(shí)，模型移交后若想在模型中補(bǔ)充工程相關(guān)信息、運(yùn)行維護(hù)信息等也存在一定的困難，從而限制了模型在后續(xù)階段的應(yīng)用。

2 輸電線(xiàn)路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型創(chuàng)新思路

目前，利用三維GIS 的海量影像數(shù)據(jù)，DEM數(shù)據(jù)以及豐富的專(zhuān)題圖數(shù)據(jù)，已實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線(xiàn)路三維場(chǎng)景的模擬，雖然在精度上還有所欠缺，但已基本可以滿(mǎn)足前期應(yīng)用的需求；金具、絕緣串和鐵塔基礎(chǔ)涉及的零部件數(shù)量和工程信息相對(duì)較少，BIM 模型的創(chuàng)建相對(duì)簡(jiǎn)單，可用的軟件也較多；唯有鐵塔BIM 模型因其包含的零件數(shù)量多，空間構(gòu)造復(fù)雜，目前已有的解決方案無(wú)論在模型的精度上還是在信息的完善程度上均無(wú)法滿(mǎn)足后期應(yīng)用的要求。為此，本公司于2013年開(kāi)展了基于某鋼結(jié)構(gòu)詳圖設(shè)計(jì)軟件的研究，該軟件已經(jīng)在土木工程、機(jī)械工程及能源工程得到了廣泛運(yùn)用[3]。為使其運(yùn)用于鐵塔BIM 模型創(chuàng)建，本公司進(jìn)行了研究深入如下。

2.1 論證此軟件創(chuàng)建鐵塔BIM 模型的可行性

此軟件含有豐富的鋼結(jié)構(gòu)材料、截面、螺栓等數(shù)據(jù)庫(kù)，同時(shí)，具有完善的復(fù)雜空間碰撞校核功能，適用于各類(lèi)鋼結(jié)構(gòu)精確三維模型的創(chuàng)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(hù)工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)、加工、施工和運(yùn)維等全壽命周期的各類(lèi)信息；具備的強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能為其在各行各業(yè)的本地化應(yīng)用提供了有力的技術(shù)支持。因此，利用此軟件創(chuàng)建鐵塔BIM 模型是可行的。

2.2 對(duì)此軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)鐵塔BIM 模型的快速創(chuàng)建

鐵塔計(jì)算軟件（道亨、TTA）與此軟件的接口程序開(kāi)發(fā)：通過(guò)本接口程序，建模人員可以直接讀取道亨或TTA 的模型數(shù)據(jù)和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)，在此軟件中快速搭建鐵塔三維實(shí)體框架，減少數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程中錯(cuò)誤發(fā)生的概率，達(dá)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(dǎo)入截面和效果

輸電鐵塔智能節(jié)點(diǎn)庫(kù)開(kāi)發(fā)：此軟件提供了一套內(nèi)置的智能節(jié)點(diǎn)庫(kù)，但僅有少數(shù)幾個(gè)適用于輸電鐵塔，為了快速、精確建模，要開(kāi)發(fā)一套適用于輸電鐵塔的節(jié)點(diǎn)，如鐵塔中常用的X 型節(jié)點(diǎn)、K 型節(jié)點(diǎn)等，如圖3所示。

圖3 開(kāi)發(fā)的鐵塔常用節(jié)點(diǎn)（部分）

圖4 鐵塔工程應(yīng)用

圖5 鋼管桿工程應(yīng)用

工程應(yīng)用。利用此軟件可快速精準(zhǔn)地將模型的復(fù)雜部分處理剖析，并為后續(xù)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(shí)際應(yīng)用，可為大跨越、鋼管塔等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的輸電線(xiàn)路項(xiàng)目順利進(jìn)行提供技術(shù)支持。此類(lèi)塔形節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，且連接構(gòu)件數(shù)量較多，節(jié)點(diǎn)和構(gòu)件的空間角度及布置形式也不規(guī)則，因此三維技術(shù)在工程中的應(yīng)用，如快速建模、碰撞檢查，并可以實(shí)現(xiàn)透視功能和創(chuàng)建任意切割面，以全面展現(xiàn)復(fù)雜節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)布置就顯得至關(guān)重要。

通過(guò)本課題的研究和應(yīng)用結(jié)果表明，利用此軟件強(qiáng)大的二次開(kāi)發(fā)功能和信息管理功能，完全能夠?qū)崿F(xiàn)鐵塔BIM 模型的創(chuàng)建，同時(shí)，模型的精度和信息的完善程度也可滿(mǎn)足后期應(yīng)用的要求。

3 輸電線(xiàn)路工程三維數(shù)字化精準(zhǔn)模型展望

目前，電力行業(yè)BIM 應(yīng)用大家普遍關(guān)注的焦點(diǎn)還停留在滿(mǎn)足國(guó)網(wǎng)數(shù)字化移交的層面，隨著行業(yè)軟件的開(kāi)發(fā)、改進(jìn)和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，相信BIM 技術(shù)將被電力工程項(xiàng)目越來(lái)越多的環(huán)節(jié)所采用：在設(shè)計(jì)階段實(shí)現(xiàn)各專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)、模型硬碰撞和軟碰撞校核、造價(jià)分析等，使設(shè)計(jì)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(jìn)行施工重點(diǎn)難點(diǎn)模擬、施工路徑和場(chǎng)地規(guī)劃、施工物料堆放地點(diǎn)布置、施工過(guò)程監(jiān)控等，在保證施工質(zhì)量和安全的前提下縮短施工工期，節(jié)約施工成本；在運(yùn)行維護(hù)階段結(jié)合先進(jìn)的通信和傳感技術(shù)，對(duì)已建項(xiàng)目的所有設(shè)備和零部件進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、對(duì)超過(guò)指標(biāo)范圍的設(shè)備進(jìn)行提前預(yù)警，降低各類(lèi)事故發(fā)生概率、快速定位故障具體位置（特別是對(duì)于一些隱蔽工程的故障監(jiān)測(cè)），提高事故響應(yīng)速度和故障搶修效率，減少經(jīng)濟(jì)損失[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

BIM 技術(shù)的應(yīng)用將電力行業(yè)從傳統(tǒng)的基于圖形的信息表達(dá)方式轉(zhuǎn)變?yōu)榛谀Ｐ偷男畔⒔Y(jié)構(gòu)化管理和形象化展示方式，這是行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)，其大大提高了工程項(xiàng)目的集成化和信息化水平，在控制項(xiàng)目成本、縮短施工工期、提高工程質(zhì)量的同時(shí)為工程項(xiàng)目帶來(lái)更安全、更低碳、更科學(xué)的管理手段。