朱紋羲，李越茂，姚楓

(西南電力設(shè)計(jì)院，成都市610021)

數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)在昭通±500kV換流站中的應(yīng)用

朱紋羲，李越茂，姚楓

(西南電力設(shè)計(jì)院，成都市610021)

數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)能夠提高設(shè)計(jì)精度和效率，并且能夠滿足工程數(shù)字化移交的需求。在昭通±500 kV換流站工程中，采用數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)方法建立了場(chǎng)地的三維模型，在三維模型中進(jìn)行精確的土方量計(jì)算、高程分析和站址模擬。通過(guò)與傳統(tǒng)場(chǎng)坪設(shè)計(jì)進(jìn)行對(duì)比，得出數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)更能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程的結(jié)論。

數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)；土方量計(jì)算；三維模型；高程分析；站址模擬

0 引 言

昭通±500 kV換流站是溪洛渡右岸電站送電廣東同塔雙回直流工程的送端換流站。本工程是云南至廣東跨區(qū)域高壓直流輸電電網(wǎng)的重要組成部分，是世界上首個(gè)采用2回±500 kV直流線路同塔雙回架設(shè)，2個(gè)±500 kV換流站同期同址合建，2回直流共用接地極的輸電工程，是進(jìn)一步落實(shí)國(guó)家“西部大開(kāi)發(fā)”戰(zhàn)略，實(shí)現(xiàn)南方電網(wǎng)“西電東送”總體規(guī)劃目標(biāo)，促進(jìn)區(qū)域內(nèi)資源優(yōu)化配置的一項(xiàng)重要舉措。本工程動(dòng)態(tài)總投資為171.78億元。本文論述數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)在該工程中的應(yīng)用。

1 數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)方法介紹

1.1 數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)的概念

數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)是數(shù)字化設(shè)計(jì)中的一個(gè)部分，為數(shù)字化設(shè)計(jì)提供最基本的模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過(guò)數(shù)字化的面向?qū)ο蠹夹g(shù)，使場(chǎng)坪內(nèi)的各設(shè)計(jì)元素轉(zhuǎn)換為數(shù)字化三維模型，方便后期對(duì)各個(gè)模型的數(shù)據(jù)處理，保證與實(shí)際工程的一致，并且為后期的三維布置提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。

1.2 與傳統(tǒng)場(chǎng)坪設(shè)計(jì)方法的對(duì)比

傳統(tǒng)的場(chǎng)坪設(shè)計(jì)方法如格網(wǎng)法、斷面法等，不論采用哪一種方式，都有其自身的局限性。

格網(wǎng)法是將場(chǎng)地劃分為若干個(gè)具有一定間距的正方形方格。在格網(wǎng)點(diǎn)測(cè)定點(diǎn)位高程,對(duì)每一格網(wǎng)面按四角高程的平均值計(jì)算土方。挖填方宜分別冠以“-”“ + ”號(hào)以示區(qū)別，然后分別計(jì)算每一方格的挖填土方。將所有方格計(jì)算的土方匯總，即得場(chǎng)地挖方和填方的總土方量。方格越小計(jì)算的結(jié)果越精確,當(dāng)方格的大小與實(shí)地地形最小的區(qū)別尺寸相近時(shí)最好。格網(wǎng)法室外作業(yè)工作量大,測(cè)點(diǎn)可能受地形限制，優(yōu)點(diǎn)是：直觀、易懂、計(jì)算簡(jiǎn)單，但由于每點(diǎn)高程的權(quán)不一樣，邊界點(diǎn)、格網(wǎng)交叉點(diǎn)、格網(wǎng)線上點(diǎn)、格網(wǎng)中間點(diǎn)不能分別確權(quán)，故計(jì)算精度較差。若要提高計(jì)算精度，可適當(dāng)減小方格網(wǎng)的尺寸，但相應(yīng)的室外工作量也會(huì)加大。

斷面法是根據(jù)場(chǎng)地形狀沿某一平直方向一一測(cè)定垂直于該方向的斷面數(shù)據(jù),斷面間土方量以斷面平均截面積與斷面間距確定,進(jìn)而由此計(jì)算總土方量。斷面法外業(yè)操作相對(duì)復(fù)雜，工作量大，精度取決于外業(yè)橫斷面密度(精度與間距L的長(zhǎng)度有關(guān)，L越小，精度就越高)，但是這種方法內(nèi)業(yè)計(jì)算量大，尤其是在范圍較大、精度要求較高的情況下更為明顯。若是為了減少計(jì)算量而加大斷面間隔，則會(huì)降低計(jì)算結(jié)果的精度，所以斷面法存在計(jì)算精度和計(jì)算速度的矛盾。

而數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)軟件是在數(shù)字地形模型的基礎(chǔ)上采用不規(guī)則三角網(wǎng)法來(lái)對(duì)土方量進(jìn)行計(jì)算。

不規(guī)則三角網(wǎng)法計(jì)算土方量是利用實(shí)測(cè)地形碎部點(diǎn)、特征點(diǎn)進(jìn)行三角構(gòu)網(wǎng),對(duì)計(jì)算區(qū)域按三棱柱法計(jì)算土方,最后累計(jì)得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量，其實(shí)質(zhì)就是在坐標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立不規(guī)則三角網(wǎng)后再計(jì)算土方量。因?yàn)槿蔷W(wǎng)中的點(diǎn)和線的分布密度和結(jié)構(gòu)完全可以與地表的特征相協(xié)調(diào)，不改變?cè)紨?shù)據(jù)和精度，保存原有關(guān)鍵的地形特征，能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜不規(guī)則地形，因此該種計(jì)算方法計(jì)算精度相對(duì)較高。圖1中Z1、Z2、Z3為三角形角點(diǎn)挖填高差，S3為三棱柱底面積,土石方量計(jì)算公式為

V3=S3(Z1+Z2+Z3) /3

(1)

整個(gè)區(qū)域的土石方量為

(2)

圖1 不規(guī)則三角網(wǎng)法

綜上所述，因傳統(tǒng)場(chǎng)坪設(shè)計(jì)土方量計(jì)算是在二維圖紙上發(fā)揮工程師的空間想象能力進(jìn)行的，數(shù)據(jù)檢查完全依靠人工進(jìn)行，不但需要大量的人力和時(shí)間，而且計(jì)算結(jié)果誤差較大，且不能夠動(dòng)態(tài)分析各個(gè)階段的土方量，沒(méi)有直觀的三維模型，工作效率低下。而數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)是在三維模型的基礎(chǔ)上采用不規(guī)則三角網(wǎng)法進(jìn)行計(jì)算，整個(gè)過(guò)程中自動(dòng)檢查數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)正確的前提下進(jìn)行計(jì)算，并且能夠根據(jù)需要迅速調(diào)整場(chǎng)坪設(shè)計(jì)方案得到計(jì)算結(jié)果。

2 數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)在本工程中的應(yīng)用

在本工程中，由于地形起伏，方案設(shè)計(jì)和土方計(jì)算難度比較大。最初采用傳統(tǒng)的方格網(wǎng)近似算法計(jì)算出的場(chǎng)坪土方量為填方84萬(wàn)m3，與實(shí)際相差較大，在采用數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)方法對(duì)場(chǎng)坪進(jìn)行重新計(jì)算后，場(chǎng)坪土方量為填方94余萬(wàn)m3。經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)降低設(shè)計(jì)標(biāo)高、增加場(chǎng)地內(nèi)豎向等高線的方式再次將場(chǎng)坪土方量降低到填方90余萬(wàn)m3，計(jì)算結(jié)果和實(shí)際工程量基本相同，如表1所示。

表1土方量?jī)?yōu)化

Tab.1Earthworkoptimization

本工程施工時(shí)正逢雨季，強(qiáng)夯處理方案不能順利開(kāi)展，需在填土中增加20%～30%碎石，造成費(fèi)用大量增加。此時(shí)，需要快速調(diào)整設(shè)計(jì)方案，盡可能減少填土量以保障工期和減少投資。

通過(guò)數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)，多次調(diào)整設(shè)計(jì)方案，最終減少了15%土方造價(jià)，縮短了約20%土建工期。

數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)主要包含土方量計(jì)算和場(chǎng)地?cái)?shù)字模擬2個(gè)部分。土方量計(jì)算是通過(guò)對(duì)原始場(chǎng)地和場(chǎng)坪曲面進(jìn)行三維建模，然后采用棱柱體法對(duì)這2個(gè)曲面進(jìn)行分析。場(chǎng)地?cái)?shù)字模擬可以模擬站址區(qū)周邊的地形、地貌(包含農(nóng)田、農(nóng)房、道路)等信息，從而獲取更直觀的站址模型，以便幫助設(shè)計(jì)方向業(yè)主更高效地傳達(dá)設(shè)計(jì)意圖，加深對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計(jì)方案的理解。

2.1 土方量計(jì)算

在數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)中，根據(jù)勘測(cè)專業(yè)提供的原始地形高程點(diǎn)，在Civil3D中新建三角網(wǎng)曲面，將地形點(diǎn)添加入曲面即完成“數(shù)字化地形”(圖2)的建立，再采用軟件中“創(chuàng)建道路”的方式創(chuàng)建“數(shù)字化場(chǎng)地邊坡曲面”(圖3)模型，最后在這2個(gè)曲面之間進(jìn)行矢量疊加形成體積曲面(圖4)，在體積曲面中按不規(guī)則三角網(wǎng)法計(jì)算土方。

圖2 數(shù)字化地形

圖3 場(chǎng)坪邊坡曲面

圖4 體積曲面

經(jīng)過(guò)計(jì)算，昭通換流站的土方量如圖6所示。

圖5 挖填方量

2.2 生成土方圖

對(duì)工程進(jìn)行精確的土方量計(jì)算后，生成土方圖(圖6)。土方圖中清晰地反映出了每一個(gè)網(wǎng)格中的挖方和填方的數(shù)值，可以用于指導(dǎo)施工。

圖6 土方圖

2.3 站址區(qū)模擬

在數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)中，采用AIW軟件對(duì)站址區(qū)進(jìn)行模擬。

將勘測(cè)專業(yè)提供的地形圖中的農(nóng)田、農(nóng)房、道路等導(dǎo)出為SDF或者IMX格式，再將原始地形曲面和場(chǎng)坪邊坡曲面分別以LandXML格式導(dǎo)出。

在AIW中新建一個(gè)工程，設(shè)置好坐標(biāo)系，將準(zhǔn)備好的模型數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入，設(shè)置和工程相同的坐標(biāo)系，分別設(shè)置每個(gè)數(shù)據(jù)源的顯示樣式，刷新模型后即初步完成站址區(qū)模擬，如圖7所示。

圖7 站址區(qū)模擬

完成模擬后，可以再?gòu)臄?shù)據(jù)庫(kù)下載站址區(qū)地圖，通過(guò)設(shè)置經(jīng)緯度范圍來(lái)確定下載范圍，如圖8所示。

最后采用數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)軟件中的Raster對(duì)圖片進(jìn)行編輯和定位，將帶經(jīng)緯度信息的圖片移動(dòng)到模型所在坐標(biāo)系，并將坐標(biāo)系信息放在和圖片同名的*.jgw文件中。在AIW中，通過(guò)添加Raster格式的數(shù)據(jù)源將圖片添加進(jìn)模型，使得模型展示的信息更完整，如圖9所示。

圖8 地圖下載

圖9 模擬效果

AIW除了可以對(duì)站址區(qū)進(jìn)行模擬外，還能對(duì)地形進(jìn)行高程、坡向和坡度的分析，并使用云圖的方式顯示(圖10)。

圖10 高程分析

通過(guò)AIW的高程分析，可以很直觀地看出該場(chǎng)坪場(chǎng)地的挖方區(qū)和填方區(qū)，從而可以更好地進(jìn)行場(chǎng)坪高程和位置的調(diào)整，更好地達(dá)到挖填平衡的目的。

3 結(jié) 語(yǔ)

與傳統(tǒng)場(chǎng)坪設(shè)計(jì)方法相比，數(shù)字化場(chǎng)坪設(shè)計(jì)具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢(shì)，主要有以下幾個(gè)方面：

(1)自動(dòng)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢查和三維模型的生成；

(2)快速完成整個(gè)場(chǎng)地的土方量計(jì)算，并迅速動(dòng)態(tài)地修改和顯示各個(gè)設(shè)計(jì)階段的土方量，并附有三維圖形顯示；

(3)站址模擬能夠快速地進(jìn)行多個(gè)場(chǎng)坪方案的展示，幫助業(yè)主進(jìn)行方案的選擇；

(4)反映較為真實(shí)的站址區(qū)地形地貌，大致了解占用農(nóng)田、農(nóng)房等信息；

(5)在進(jìn)站道路優(yōu)化選線方面也能夠給設(shè)計(jì)人員提供較大的幫助；

(6)適應(yīng)建筑信息模型(building information model, BIM)的要求，能夠給后續(xù)數(shù)字化移交等工作提供場(chǎng)地?cái)?shù)據(jù)支持。

[1]馬占林，李積蘭，余筱蓉，等. 土石方量計(jì)算方法比較[J].地礦測(cè)繪，2010，26(1)：29-32.

[2]劉云峰. 基于Autodesk Civil3d的土建項(xiàng)目工程量“動(dòng)態(tài)”計(jì)算技術(shù)[J].江蘇建筑，2012(S1)：99-102.

[3]樊旭宏. Civil3D在場(chǎng)地土方量計(jì)算中的應(yīng)用[J].建材技術(shù)與應(yīng)用，2012(10)：42-43.

[4]劉林，俞集輝.變電站土石方工程量計(jì)算的優(yōu)化方法[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，24(6)：127-130.

[5]羅德仁，鄒自立，湯江龍. 工程土方量計(jì)算比較分析[J].東華理工學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，28(1)：59-63.

[6]王少云. 不規(guī)則三角網(wǎng)法在土方量計(jì)算工程的應(yīng)用[J].北京測(cè)繪，2009(2)：51-53.

[7]陳信華. 數(shù)字化土方量計(jì)算技術(shù)[J].福建信息技術(shù)教育,2007(4)：30-32.

[8]羅云志，李接藝. 土木工程土石方量計(jì)算方法及應(yīng)用[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2008(14)：131-134.

[9]周越軒，劉學(xué)軍，楊治洪，等. 基于DTM的土方工程計(jì)算與精度分析[J].長(zhǎng)沙交通學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，16(4)：39-43.

[10]李越茂，姚楓，宋佩珂，等. 數(shù)字化設(shè)計(jì)在±400 kV拉薩換流站中的應(yīng)用[J].電力建設(shè)，2012，33(10)：19-24.

[11]梅念，陳東，杜曉磊，等. ±400 kV青藏直流聯(lián)網(wǎng)工程換流站三維數(shù)字化移交[J]. 電力建設(shè)， 2012，33(5)：21-24.

(編輯：劉文瑩)

ApplicationofDigitalSiteDesigninZhaotong±500kVConverterStation

ZHU Wenxi, LI Yuemao, YAO Feng

(Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

Digital site design can improve the accuracy and efficiency of design and meet the demands of digital transfer. The 3D site model was established by using digital site design in Zhaotong ± 500 kV converter station, in which the accurate calculation of earthwork, the elevation analysis and the site simulation were carried out. Compared with the traditional site design, it is shown that digital site design is more suitable for modern engineering.

digital site design; earthwork calculation; 3D model; elevation analysis; station site simulation

TM 72

： A

： 1000-7229(2014)02-0062-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.012

2013- 08- 21

：2013- 10- 23

朱紋羲(1986)，男，本科，助理工程師，主要從事變電數(shù)字化設(shè)計(jì)工作，E-mail：510323570@qq.com；

李越茂(1982)，男，本科，工程師，主要從事變電數(shù)字化設(shè)計(jì)工作；

姚楓(1979)，女，本科，工程師，主要從事變電數(shù)字化設(shè)計(jì)工作。