吳敏彥，馮明杰

1.紹興大明電力設計院有限公司，浙江紹興，312000；2.浙江東城建設管理有限公司，浙江紹興，312000

0 引言

較早開始應用數字化技術進行虛擬制造、仿真的行業(yè)應當屬制造業(yè)，尤其是航空航天領域。數字制造技術能夠縮短周期，為企業(yè)節(jié)約成本。數字化研發(fā)設計的普及率逐漸提高，建筑信息模型技術（BIM）在發(fā)展過程中將設計、施工、管理等環(huán)節(jié)融為一體，可適用于建筑施工項目的整個生命周期[1]。與此同時，其他行業(yè)和領域如交通、電力等也都普遍采用了三維數字化設計技術，能夠實現實景模擬、輸電線路工程的綜合布置等等。

我國提出構建數字中國、智慧社會的戰(zhàn)略目標，BIM技術得到大力推廣，工程數字化勢在必行，三維設計則是工程數字化的內在驅動力和源頭。加上工業(yè)4.0時代的到來，當前生產制造領域迎來了黃金時代，3D打印、物聯(lián)網、云計算、大數據等新理念和新技術的發(fā)展催生了三維數字化應用價值的變革。鑒于此，文章以設計專業(yè)多、技術復雜、協(xié)調工作量大的輸電工程建設為主要內容，探討三維數字化技術在該行業(yè)的可行性與應用價值。

1 輸電線路三維數字化關鍵技術——平臺架構設計

輸電線路三維數字化基于BIM技術的生命周期全過程理念，主要涉及平臺開發(fā)，協(xié)同設計，數據傳輸、交互及處理等方面的關鍵技術。在平臺架構設計中，主要利用三維技術+虛擬數字化技術的工作機制模擬人際交往邏輯和協(xié)同工作邏輯。數字和模型的數據化程度不斷提高，像素也不斷增高，便于可視化模型的構建[2]。此外，該平臺架構設計涉及多個方面的專業(yè)知識，將各部分連接成一個整體，使其可視化程度更高，數據交互能力與資源信息共享的能力也更加強大。同時，該平臺架構設計的適用性和普遍性很強，可以供不同專業(yè)的人使用，充分發(fā)揮其在結構、電氣和線路等方面的價值。

此外，輸電線路三維數字化平臺構架的主要特點是為各行業(yè)的資源整合工作提供了一條可行性思路。首先，建立統(tǒng)一的數字化平臺，利用智能手段代替人工工作模式，對各部分工作進行統(tǒng)籌管理，合理分配資源。其次，平臺還可以進行共享和存儲工作，同時提高平臺整合功能和擴大使用范圍，該平臺不僅涉及輸電線路設計等專題方面的工作，還涉及基礎地理和影像方面的數據資源，功能強大。再次，該平臺不僅僅只是工作運行機制，同時也是交流平臺，用戶能進行訪問、查詢和利用。最后，該平臺還是預測機制，能夠以可視化影像信息實現精細化和自動化設計，促使設計方案更加合理，即使在施工過程中出現錯誤也能夠及時從三維建模上反映出來，加強前后的銜接以及各方面的使用情況對接，在平臺運行機制下，施工和規(guī)劃設計等更加方便，無疑是工程建設中提高效率的有力保障。

上述我們提及該平臺的基礎管理功能能夠滿足協(xié)同檢查、量化工程量等的需求，實現管線設計、碰撞檢查、故障定位、三維模擬等操作，但是其在高級擴展功能方面仍有一些欠缺。另外，平臺設計基本原理主要依托計算機技術，將數據計算與軟件開發(fā)相結合，圍繞電網設計、線路布置、業(yè)務管理等方向，利用遙感測繪技術、三維建模技術、數據庫等各種手段和技術，將收集到的數據信息儲存在數據庫中，經過一定的篩選和處理，利用三維技術模仿人際交往的邏輯思維，使其形成人機交流、合作的界面[3]。

2 三維數字化技術在輸電線路工程中的應用

2.1 模擬施工指導

三維數字化技術在輸電線路施工過程中發(fā)揮出較大的作用和價值，利用該技術能夠進行基礎施工模擬，將BIM模型輸入基礎校驗軟件中，能夠對施工過程進行穩(wěn)定性計算，例如為確保基坑安全，能夠對施工開挖、超載、降雨等因素引起的地下水位上升等工況進行預測和計算。施工過程中鐵塔組立、導地線架設階段是施工階段的重中之重，會直接影響輸電線路施工現場安全與質量控制。鑒于此，在該階段應用可視化模擬技術，能夠計算施工方案、安全技術措施是否具備可行性和合理性，以此實現優(yōu)化施工方案中的技術措施、提高安全指數的目標。再比如，輸電鐵塔灌注基礎設施階段，采用泥漿護壁旋轉鉆孔和水下灌注混凝土法成樁，根據BIM模型技術能夠計算出具體的護筒埋設深度、護筒中心與樁位中心的偏差等數據。樁基檢測工程的質量檢測與驗收也十分重要，作為輸電線路工程中的大型隱蔽工程，樁基質量檢測應利用脈沖力波的波阻結合振幅大小判斷樁的位置、完整性、缺陷程度等。同時，利用特殊的FEI-B型信號采集器使得反射波能夠在計算機屏幕上顯示出來[4]。

2.2 有利于路徑比對，實現方案優(yōu)化

三維數字化技術能夠利用可視化技術進行路徑比選，綜合最優(yōu)，為設計方案提供有力的視圖信息。一方面，可以沿用傳統(tǒng)的人工調查形式，設計人員根據現場調查和收資的情況，熟悉并標紅路徑所經的敏感區(qū)域；同時，還能夠結合電網專題數據中的資料，應用地理信息排除部分不合理的初選方案，最終留下2～3個比選路徑。此類三維數字化設計主要應用于大方案路徑比選、局部路徑優(yōu)化等方面。另一方面，無人機遙感測繪技術使得建筑工程繪制施工平面圖如虎添翼。首先，無人機遙感技術可以自動將范圍內的所有物體生成坐標，以此保證定位信息的準確性。其次，無人機遙感測繪技術能夠根據輸入的數據信息進行三維建模，將數據信息轉化為模型，有極強的分辨率與辨識度，在很大程度上幫助測繪工作人員繪制和完善施工平面圖。最后，無人機遙感測繪技術的DOM精準度與像控點相對較高。這就意味著無人機可以在規(guī)劃的路線內隨意穿梭，可以發(fā)現各種死角，并對死角內部進行科學性、全面性的影像采集和測繪處理。目前這一應用不僅限于測繪工程，而且還是提高建筑工程施工質量的主要途徑。

2.3 清理通道，量算三維空間

設計線路通道時，有關工作人員需要對房屋的拆除工作和樹木的砍伐工作進行全面統(tǒng)籌考慮，并進行合理清理。清理這一過程需要專業(yè)人員根據輸電線路工程中的排路，選線對房屋、電線桿等各個地方的走向進行統(tǒng)計，依照具體砍伐和拆除要求，分析整理收集到的信息（如表1所示），并根據信息制作圖紙。

表1 三維數字化設計在輸電線路工程中的排路、選線

通過三維數字化技術，能夠提高初始工程量的精確度，利用三維空間量算功能為房屋拆遷提供智能技術參數[5]；同時，還可以利用施工圖為建管單位提供直觀、科學的可視化分析。

2.4 空間校驗，仿真模擬

三維數字化技術的數據分析功能非常強大，能夠采用不同的分析方式，實現對空間地理的數據分析。其主要經過對地理坐標的轉換與矢量化設計，結合幾何要素、元數據技術等，檢查空間數據和各個數據之間的聯(lián)系，對其進行重新分類，入庫管理[6]。在一定程度上，三維數字化技術的空間校驗功能解決了很多難題，即使是在物體處于靜止不動的狀態(tài)時，都能夠計算出電氣間的間隙、風力擺動等數據；還可以根據交叉跨越物體的尺寸和空間位置，測量出任意兩個物體的空間距離，具備上述已知條件后就可計算導地線在大風、過電壓等工況時的交叉跨越和風偏距離。

強大的數據分析功能與三維建模功能的結合能夠應用于高危地區(qū)、惡劣氣候環(huán)境下的仿真模擬。利用三維數字化技術可以實現導地線機械特性自動計算，數據庫中包含各種工況，如高溫、大風、過電壓、覆冰等，能夠實現多工況的導地線弧垂模擬。如圖1所示，瓶口電氣間隙得到直觀、快捷的校核。

圖1 瓶口電氣間隙校核

2.5 三維組串，碰撞檢查

三維設計可提供各種視角的施工圖，利用三維立體空間更好地突出設計意圖，能夠實現線與線、線與塔、串與塔、串塔內部等的三維空間碰撞檢查、距離測算、連接管理等[7]，盡量避免隱蔽性設計錯誤的出現。在三維技術可視化的基礎上，結合其他的技術，能夠實現三維空間仿真模擬。傳統(tǒng)的設計方案難以實現對地震、海嘯等自然災害的信息考量，而三維數字化技術能夠實現對各種自然因素、經濟因素的比較，實現對選線和排位的分析等，以此設計出更好的方案，不僅能夠為實地工程提供技術參考，還可以進行細節(jié)上的碰撞檢查，提高其使用的效率。例如，三維金具的組裝設計，如圖2所示，這是一個金具與掛板相碰的實物及模擬圖，如果依靠人工安裝檢修經驗難以確保組裝設計的精準性，三維數字化技術可實現在三維實體中對各種金具串進行組裝、拆分等逼真模擬，使得安裝過程更直觀、信息更全面。

圖2 掛點出口第一個金具與掛板相碰

2.6 收集信息，搭建場景

三維數字化平臺的高級功能主要包括工程量統(tǒng)計、自動出圖、仿真分析、協(xié)同檢查等。此外，還能夠實現對相關數據的分析和整理，包括快速通信、數據集成、云計算和大數據等技術，這些技術是構建數據平臺、實現異地協(xié)同辦公、輔助決策等功能的前提和條件。比如，在工程造價管理階段，可以利用三維設計技術對實體工程量進行分類統(tǒng)計，細化工程量，統(tǒng)計好材料費用，形成科學清單，在已有模板基礎上設計人員測算費用就會更加方便快捷。再比如，數據信息的收集功能與仿真建模功能的結合能夠搭建三維小場景，塔位小場景的搭建模型首先要對現場進行勘察測繪，其次要收集、整理與融合測繪數據，包括桿塔信息、塔基范圍內的地表障礙物等，最后利用三維數字化仿真模擬技術搭建塔位小場景[8]。

3 三維數字化發(fā)展目標與實施路線展望

3.1 發(fā)展階段及其對應目標

三維數字化設計技術應用于電網工程主要需要經歷以下幾個發(fā)展階段，首先是起步階段。這一階段才剛剛引入三維數字化設計相關概念，電網工程智能化剛剛起步，這一階段的主要目標是實現可視化展示以及設計成果的數字化移交。其次是發(fā)展階段。這一階段電網工程的智能化已經趨于系統(tǒng)和完善，建構了功能性和適應性較強的平臺，能夠解決數據交互、信息處理等問題。這一階段的主要目標是推動重點工程的發(fā)展和提高設計質量，延長相關產業(yè)鏈。最后是成熟階段。這一階段已經形成完善的行業(yè)標準體系，三維數字化技術應用率和覆蓋率達到100%，實現設計成果的全壽命周期應用?，F階段，我國三維數字化設計進入了發(fā)展階段，不斷吸收國內外先進的技術經驗，正在經歷攻堅克難的時期，為步入成熟階段打好堅實的基礎[9]。

3.2 改進方向與實施路線

3.2.1 發(fā)揮政府主導作用

技術革新是社會進步的重要表現，但是往往會存在階段性的困難。鑒于此，我們要發(fā)揮政府的主導作用，構建政府引導、試點應用、企業(yè)宣傳、行業(yè)推廣的參與機制。

3.2.2 建立統(tǒng)一標準體系

標準體系能夠促進三維數字化設計的統(tǒng)籌發(fā)展，對我國有關領域和行業(yè)的發(fā)展能夠起到重要的作用，企業(yè)標準先行，再逐步上升到行業(yè)標準、國家標準。

3.2.3 構建專業(yè)人才隊伍

三維數字化技術的應用范圍較廣，涉及諸多專業(yè)，因此有關單位應注重培養(yǎng)專業(yè)素質與綜合素質“雙高”的復合型人才；相關單位和企業(yè)應該從軟硬件購置、教育培訓等方面加強人才隊伍建設的投入和保障；同時，激勵設計行業(yè)加強對三維數字化的技術投入，探索三維數字化設計成果的質量認證方式。

4 結語

綜上所述，基于BIM技術全壽命周期理念之下的三維數字化技術已經廣泛應用于我國電力事業(yè)中，在輸電線路領域發(fā)揮了其作用和價值，促進了輸電管理工作的科學性與合理性。三維數字化技術在基于實現數據共享、協(xié)同管理的基礎上，還能夠為通道清理、排線選位、構建場景、碰撞檢查等工作提供科學的決策和輔助圖紙，促進工作效率的提升和管理水平的科學性。