李金文

（湖北省電力勘測設(shè)計院有限公司，湖北 武漢 430040）

本文結(jié)合筆者參與的工程實踐，總結(jié)、思考了三維數(shù)字化設(shè)計在輸電線路設(shè)計各階段、各專業(yè)中的應(yīng)用和協(xié)同，展望了三維數(shù)字化在施工、運維、調(diào)度中的應(yīng)用前景。

1 數(shù)字化設(shè)計組織模式

輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計的組織模式：由電氣專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、勘測專業(yè)和數(shù)字化支撐專業(yè)、技經(jīng)專業(yè)和其它專業(yè)等多類專業(yè)人員協(xié)同完成。與傳統(tǒng)設(shè)計不同，這些設(shè)計工作是在同一個平臺上協(xié)同完成的?？辈閷I(yè)是測量專業(yè)、地質(zhì)專業(yè)和水文氣象專業(yè)的統(tǒng)稱，人員來自勘測業(yè)務(wù)部門，主要負責(zé)線路三維數(shù)字化設(shè)計所需基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的收集和采集；數(shù)字化支撐專業(yè)人員由數(shù)字化設(shè)計部門（中心）和各業(yè)務(wù)部門的數(shù)據(jù)管理人員共同組成，主要負責(zé)基礎(chǔ)資料和三維模型的數(shù)字化和標準化入庫，三維數(shù)字化設(shè)計流程制定和管控；電氣專業(yè)和結(jié)構(gòu)專業(yè)人員來自輸電業(yè)務(wù)部門，主要負責(zé)線路的電氣設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計任務(wù)；技經(jīng)專業(yè)主要根據(jù)經(jīng)濟政策和工程量，計算、分析工程造價；其他專業(yè)主要包含環(huán)保專業(yè)等，為工程綠色建造保駕護航。

2 三維數(shù)字化設(shè)計平臺

三維設(shè)計需要搭建一個平臺，目前國內(nèi)有很多單位開發(fā)了自己的平臺，各平臺功能及目標大致相同。測量、地質(zhì)、水文氣象、電氣、結(jié)構(gòu)、技經(jīng)、環(huán)保等多專業(yè)的人員基于同一平臺，同一三維空間協(xié)同配合，各專業(yè)間數(shù)據(jù)多方向正向貫通，專業(yè)之間的互提資料，快速、準確、方便、自動，通過模型化、數(shù)據(jù)化、信息化、可視化的平臺運行，提高了設(shè)計質(zhì)量和效率。三維設(shè)計平臺至少包含了四個層次：數(shù)據(jù)層、協(xié)同層、應(yīng)用層、成果層。

1.數(shù)據(jù)層：工程勘察數(shù)據(jù)，如交叉跨越、地層巖性及物理力學(xué)指標及模型等；水文氣象數(shù)據(jù)，如氣象資料及分析、跨越河流水利設(shè)施要求等；專題數(shù)據(jù)，如冰區(qū)圖、風(fēng)區(qū)圖、污穢區(qū)圖、雷區(qū)圖、舞動區(qū)圖等設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)以及通道敏感區(qū)信息資料數(shù)據(jù)等；航片、衛(wèi)片數(shù)據(jù)，是根據(jù)需要，采集、下載所需分辨率的航測、衛(wèi)星影像DOM 和對應(yīng)的DEM，作為地理信息系統(tǒng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)等；三維實景建模，是將無人機與三維實景建模技術(shù)結(jié)合應(yīng)用到工程勘測中，為平臺提供高精度、可視化的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，方便相關(guān)人員了解建設(shè)環(huán)境，優(yōu)化方案；移動終端數(shù)據(jù)是采用移動平板電腦和高精度RTKGPS 互聯(lián)技術(shù)將GPS 測量點數(shù)據(jù)即時導(dǎo)入移動平板電腦中，高效獲取測量數(shù)據(jù)。

2.協(xié)同層：各專業(yè)按工作邏輯相互聯(lián)系、互提資料、共享數(shù)據(jù)，通力協(xié)作完成設(shè)計目標，按協(xié)同任務(wù)，可分為流程協(xié)同和專業(yè)協(xié)同。

3.應(yīng)用層：電氣、結(jié)構(gòu)、地質(zhì)、測量、水文、環(huán)保、技經(jīng)、數(shù)字化等專業(yè)，互相配，根據(jù)上游數(shù)據(jù)，合完成各自專業(yè)的計算分析，完成專業(yè)設(shè)計工作，自動完成各專業(yè)模型、文件歸檔工作。

4.結(jié)果層：根據(jù)用戶需要，出版二、三維圖紙文件，數(shù)字化移交及VR 應(yīng)用需求產(chǎn)品。

平臺建設(shè)完成后，可在平臺二三維場景下，進行線路路徑的選擇及優(yōu)化，快速統(tǒng)計相關(guān)的信息和耦合專題數(shù)據(jù)；與架空輸電線路軟件聯(lián)接開展空間間隙的計算和驗證；與二三維專業(yè)排桿定位軟件聯(lián)接實現(xiàn)桿塔優(yōu)化排位、平斷面的編輯、提取，結(jié)合排桿定位結(jié)果進行金具絕緣串、防振錘、間隔棒、接地裝置等配置及統(tǒng)計；與三維金具組裝軟件接口實現(xiàn)金具絕緣串的組裝和機電施工圖的制作及輸出；平臺調(diào)用其它專業(yè)提供數(shù)據(jù)，利用桿塔及基礎(chǔ)專業(yè)設(shè)計軟件，進行桿塔及基礎(chǔ)設(shè)計，根據(jù)設(shè)計成果來解析生成相應(yīng)的三維模型并入庫管理，用于排桿及展示等；平臺可調(diào)用多源方式獲取的影像及DEM 數(shù)字高程數(shù)據(jù)，實現(xiàn)線路方案數(shù)據(jù)的發(fā)布和共享；與協(xié)同合作可實現(xiàn)設(shè)計人員配置，設(shè)計內(nèi)容提資，校審、批準過程控制及設(shè)計資料及文件數(shù)字化歸檔等業(yè)務(wù)工作；與數(shù)字檔案部門聯(lián)接實現(xiàn)工程檔案歸檔查詢和調(diào)閱。

3 三維設(shè)計應(yīng)用流程

輸電線路三維設(shè)計在工程應(yīng)用中，是通過GIS、RS和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，集成多源異構(gòu)海量數(shù)據(jù)，構(gòu)建了三維地理信息系統(tǒng)，在三維場景下，以輸電設(shè)備三維數(shù)字化模型為對象，以多專業(yè)高效協(xié)同為引擎，以設(shè)計標準和相關(guān)規(guī)定為依據(jù)，以數(shù)據(jù)多維貫通和共享為支撐，以三維可視化為表現(xiàn)形式，以各專業(yè)設(shè)計軟件為保障來開展數(shù)字化設(shè)計工作，涵蓋線路路徑方案比選，線路排桿優(yōu)化排位，電氣設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計、環(huán)保設(shè)計、經(jīng)濟分析及線路三維展示。

三維數(shù)字化設(shè)計貫穿于勘測、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計、竣工圖設(shè)計和數(shù)字化移交、物資招標全過程中，并自動生成三維模型，方便了設(shè)計成果的拓展應(yīng)用。

物資招標階段，依據(jù)施工圖階段的設(shè)計方案模型，統(tǒng)計電氣、結(jié)構(gòu)材料量，完成金具絕緣子串、導(dǎo)地線、桿塔材料等材料的招標工作。

竣工圖階段，依據(jù)在施工圖階段發(fā)生的設(shè)計變更進行模型和設(shè)計方案適當(dāng)變更，保證竣工模型和實際施工情況相符。

數(shù)字化移交階段，依據(jù)竣工圖階段的全線模型，通過設(shè)計的數(shù)字化移交接口，非常便捷地將桿塔模型、金具絕緣子串模型、基礎(chǔ)模型、導(dǎo)地線參數(shù)、各種連接掛點、線路通道模型及數(shù)據(jù)等需要移交的工程數(shù)據(jù)進行打包輸出，供業(yè)主、施工和運行單位管理參考。

4 勘測專業(yè)三維技術(shù)應(yīng)用

4.1 測量專業(yè)

勘測專業(yè)根據(jù)項目要求收集柵格地形圖、正射影像圖、數(shù)字高程模型、基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)、地質(zhì)資料和水文氣象資料，并整理提交給數(shù)字化支撐專業(yè)后發(fā)布到數(shù)字化設(shè)計平臺中。在設(shè)計過程中，勘測專業(yè)根據(jù)現(xiàn)場排定位后，將實測的塔基斷面圖或地形圖，將實測的線路平斷面圖、土壤電阻率、水文氣象資料發(fā)布提交給電氣專業(yè)[1]。

4.2 地質(zhì)專業(yè)

在電氣專業(yè)確定塔位后，地質(zhì)專業(yè)即可將地質(zhì)工作成果錄入三維地質(zhì)軟件，軟件通過地質(zhì)探測成果可生成地質(zhì)體的空間形態(tài)與分布，還可以快速生成各類地質(zhì)剖面，將塔基工程地質(zhì)條件發(fā)布提交給結(jié)構(gòu)專業(yè)。

4.3 水文氣象專業(yè)

在線路路徑確定后，水文氣象專業(yè)即可將氣象、水文數(shù)據(jù)輸入平臺中。該功能利用三維成像技術(shù)，計算洪水淹沒區(qū)，并通過三維平臺顯示，可更直觀地顯示，以便于選著塔位及基面高程。

5 電氣專業(yè)三維技術(shù)應(yīng)用

5.1 選線、排桿定位

5.1.1 選線

路徑方案確定是決定工程造價的關(guān)鍵。路徑方案的過程也需要多專業(yè)協(xié)同工作才能最終確定。工作流程如下：

1.根據(jù)線路初步設(shè)計路徑、障礙物，初步選擇路徑。

2.路徑的平面校核。

3.對障礙物的水平距離是否滿足要求，不滿足的調(diào)整路徑[2]。

4.平臺利用DEM 生成平斷面，初選金具串進行初步排位、進行初步電氣校核是否存在大檔距、大高差、不均勻檔距、桿塔超規(guī)劃條件等斷面不合理情況，重要交叉跨越距離是否滿足要求，初步統(tǒng)計如不滿足要求，重新調(diào)整路徑。

5.現(xiàn)場進行定位，各專業(yè)判斷理論塔位（微調(diào)整）是否適合立塔，塔位不成立的調(diào)整排位方案或路徑。

6.結(jié)構(gòu)、測量、地質(zhì)、水文專業(yè)開展現(xiàn)場工作。

7.各專業(yè)外業(yè)成果錄入三維設(shè)計平臺，結(jié)構(gòu)專業(yè)對鐵塔高低腿、基面進行配置并保存至平臺中。

8.電氣專業(yè)根據(jù)各專業(yè)反饋的數(shù)據(jù)再次進行詳細的電氣計算校核，自動放松導(dǎo)線、更新絕緣子金具串配置，進行斷面的水平、垂直、凈空距離的校核及三維空間間隙的校核，根據(jù)校核結(jié)果對部分塔型、塔高進行調(diào)整，必要時對塔位、路徑進行調(diào)整，校核結(jié)果反饋各專業(yè)，反復(fù)直至各專業(yè)均滿足規(guī)程要求。

5.1.2 排桿定位

圖1 550kN 盤形絕緣子三聯(lián)耐張串俯視圖

采用二三維協(xié)同排桿定位系統(tǒng)可以在兩個屏幕上同步展示二維、三維的平斷面桿塔布置圖，除了常規(guī)的二維斷面圖，還可以在三維界面中直觀地觀察弧垂和地表模型。這樣的輔助工具能夠非常便捷地確認每個桿塔的具體位置，判斷塔位是否合理[3]。

5.2 金具組裝

三維絕緣子金具串設(shè)計模塊能夠?qū)崿F(xiàn)對金具串的組裝的快速組裝和逼真模擬，并提供對金具串的三維觀察，連接關(guān)系、尺寸配合、碰撞等多方面進行全自動校核檢查、強度分析，生成傳統(tǒng)圖紙、生成三維PDF格式和金具材料的耗量統(tǒng)計等功能，并且可以編輯添加新金具入庫，還可以實現(xiàn)快速添加部件、智能添加可連接部件。

5.3 機電施工圖

系統(tǒng)就能讀取之前輸入的工程基本條件等參數(shù)，自動生成機電施工圖，包括：導(dǎo)地線力學(xué)特性曲及架（表）、連續(xù)傾斜檔線夾安裝位置調(diào)整表、導(dǎo)地線絕緣子金具串組裝圖、換位（相）及跳線圖、接地裝置圖、導(dǎo)地線防振錘及間隔棒、防舞裝置安裝圖等。

6 結(jié)構(gòu)專業(yè)三維技術(shù)應(yīng)用

6.1 桿塔設(shè)計

根據(jù)電氣專業(yè)輸入桿塔設(shè)計條件，可生成三維間隙球及二維間隙圓，結(jié)構(gòu)專業(yè)根據(jù)間隙球（圓）即可確定桿塔塔頭尺寸，塔頭尺寸確定后，就可以在專業(yè)計算軟件等桿塔建模平臺中建立核心模型。核心模型是帶有結(jié)構(gòu)幾何尺寸、材料性能等信息的單線立體模型，建立完成后其他專業(yè)即可用于后續(xù)計算應(yīng)用等[4]。

結(jié)構(gòu)專業(yè)進行荷載計算，對桿塔結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，優(yōu)化完成后就可以進行節(jié)點的設(shè)計，合理有效地布置螺栓，檢測不同面上構(gòu)件端頭的相對關(guān)系，避免碰撞；同時可以合理布置主角鋼兩肢上的螺栓，可以充分考慮螺栓穿向要求和檢測螺栓碰撞，解決傳統(tǒng)二維設(shè)計長期以來存在的不足。

完成桿塔三維設(shè)計圖之后，可以方便地生成二維設(shè)計詳圖，在生成二維詳圖的過程中，還可以生成詳細的材料統(tǒng)計表，便于后期設(shè)備材料清冊的編制。

6.2 基礎(chǔ)設(shè)計

測量專業(yè)將現(xiàn)場測量的塔基地形數(shù)據(jù)錄入平臺后，即可生成各塔位的地形DEM 模型，地質(zhì)專業(yè)的現(xiàn)場數(shù)據(jù)錄入后，結(jié)合測量數(shù)據(jù)，生成地質(zhì)體的空間形態(tài)與分布。電氣專業(yè)確定塔位、塔型、呼高后，加上勘測錄入的數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)專業(yè)即可進行基礎(chǔ)的配置計算了。通過提取桿塔數(shù)據(jù)庫，可以得到各個塔型的作用力，實現(xiàn)逐腿選配[5]。利用測量專業(yè)生成的地形DEM 模型，進行護坡、擋土墻、排水溝的設(shè)計，有效地提高數(shù)據(jù)的價值和使用效率，并能夠給非專業(yè)人員更加直觀的效果展示。

7 結(jié)語

三維數(shù)字化設(shè)計是設(shè)計單位數(shù)字化轉(zhuǎn)型的一個重要部分。各單位都在適應(yīng)形式需要，正在加大資源投入，著力推進、完善、提高本單位數(shù)字化設(shè)計水平，以提高核心競爭力。隨著“大、智、移、云、物、區(qū)”的技術(shù)不斷發(fā)展，三維數(shù)字化設(shè)計也將向深度及廣度不斷演變。從深度來說，就是要更精確、更智能。從原始數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，要采用精度及分辨率更高的遙感數(shù)據(jù)，以適應(yīng)可研、初步設(shè)計、施工圖設(shè)計的需要；各設(shè)備模型及計算分析模型要更為精準，以提高設(shè)計優(yōu)化的空間；上道工序的數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入，更專業(yè)協(xié)同能力的提升，設(shè)計過程的自動控制，設(shè)計重點的分析及差異化的處理，根據(jù)實際情況自動選擇設(shè)計方案，是提高智能化的方向。