袁 飛，張瑞永，朱亞鵬，鄭擎天

(中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計(jì)院有限公司，江蘇 南京 211100)

0 引言

為持續(xù)提升特高壓輸電線路工程設(shè)計(jì)水平，提高特高壓輸電線路工程管理能力，推動(dòng)三維數(shù)字化成果在項(xiàng)目全壽命周期內(nèi)的綜合應(yīng)用，國(guó)網(wǎng)公司特高壓部制定了《特高壓線路工程三維設(shè)計(jì)指導(dǎo)意見(jiàn)》《特高壓線路工程三維設(shè)計(jì)發(fā)展總體策劃(2021年—2025年》。輸電線路三維正向設(shè)計(jì)根本目標(biāo)是服務(wù)基建、運(yùn)維，依賴(lài)建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)的發(fā)展，助力特高壓線路工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率的提升[1]。

BIM三維正向設(shè)計(jì)在建筑行業(yè)已廣泛應(yīng)用[2]，但是在電力行業(yè)的應(yīng)用還處于探索階段。烏東德水電站進(jìn)行了電氣正向設(shè)計(jì)應(yīng)用，主要進(jìn)行了碰撞檢查和三維出圖[3]，高文松[4]團(tuán)隊(duì)探索將三維數(shù)字化運(yùn)用于電廠建設(shè)中，主要應(yīng)用于指導(dǎo)施工，李思浩[5]團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了變電三維模型在設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理和運(yùn)維等各個(gè)階段的管理應(yīng)用，主要應(yīng)用于過(guò)程管控。而輸電線路領(lǐng)域，大多研究還側(cè)重于三維模型，三維正向設(shè)計(jì)還未系統(tǒng)應(yīng)用[6]。

本文以白鶴灘—江蘇±800kV特高壓直流線路(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“白江線”)為三維正向設(shè)計(jì)試點(diǎn)工程，結(jié)合通道、金具、結(jié)構(gòu)、架線等設(shè)計(jì)需求，明確三維建模、三維計(jì)算、三維出圖范圍，形成三維正向設(shè)計(jì)和三維方案設(shè)計(jì)。

1 BIM三維正向設(shè)計(jì)應(yīng)用思路

梳理各專(zhuān)業(yè)三維正向設(shè)計(jì)協(xié)同作業(yè)流程如圖1所示，同時(shí)制定三維正向設(shè)計(jì)控制流程如圖2所示與校審流程如圖3所示，保證三維設(shè)計(jì)和出圖的完整、準(zhǔn)確，提升三維設(shè)計(jì)的質(zhì)量。

圖2 三維正向設(shè)計(jì)過(guò)程控制流程

圖3 三維校審核流程圖

1.1 三維正向設(shè)計(jì)協(xié)同作業(yè)流程

1.1.1 線路電氣專(zhuān)業(yè)

調(diào)取初設(shè)成果資料，進(jìn)行線路路徑調(diào)整，形成精細(xì)GIS 三維模型，通過(guò)評(píng)審后生成最終的線路路徑。

根據(jù)評(píng)審后的線路路徑和測(cè)量專(zhuān)業(yè)提供的數(shù)據(jù)，進(jìn)行三維桿塔初步排位，得到初排平斷面定位圖，會(huì)同技經(jīng)、水文、地質(zhì)、測(cè)量專(zhuān)業(yè)進(jìn)行勘測(cè)定位。

根據(jù)測(cè)量專(zhuān)業(yè)提供的線路終勘成果進(jìn)行桿塔塔位修正和桿塔排位校驗(yàn)，確定最終桿塔排位成果，其中桿塔荷載信息提給線路結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)，桿塔塔位修正和線路結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的桿塔設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是反復(fù)交互的過(guò)程。

根據(jù)測(cè)量專(zhuān)業(yè)提資，進(jìn)行拆房分布計(jì)算和樹(shù)木砍伐計(jì)算，并將結(jié)果提給技經(jīng)專(zhuān)業(yè)，技經(jīng)專(zhuān)業(yè)統(tǒng)計(jì)后提給線路電氣專(zhuān)業(yè)進(jìn)行成品成圖。

1.1.2 線路結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)

根據(jù)現(xiàn)有桿塔庫(kù)和基礎(chǔ)庫(kù)、線路電氣專(zhuān)業(yè)桿塔排位結(jié)果、水文氣象終勘報(bào)告、地質(zhì)專(zhuān)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)終勘提供的巖土勘測(cè)報(bào)告和鉆孔點(diǎn)位數(shù)據(jù)，進(jìn)行桿塔和三維基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，形成鐵塔施工圖、基礎(chǔ)施工圖，并進(jìn)行工程量統(tǒng)計(jì)，提給技經(jīng)專(zhuān)業(yè)。

其中，線路結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)的桿塔設(shè)計(jì)、基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和線路電氣專(zhuān)業(yè)的桿塔塔位修正是反復(fù)交互的過(guò)程。

1.1.3 水文、地質(zhì)專(zhuān)業(yè)

根據(jù)線路電氣專(zhuān)業(yè)提供的初排平斷面定位圖和施工圖勘測(cè)任務(wù)書(shū)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)終勘，編寫(xiě)勘測(cè)報(bào)告并提資給線路結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)。

1.1.4 測(cè)量專(zhuān)業(yè)

按線路電氣專(zhuān)業(yè)在線路路徑調(diào)整過(guò)程中的需要，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量或航空攝影測(cè)量與相關(guān)數(shù)據(jù)處理，提給線路電氣專(zhuān)業(yè)。

根據(jù)線路電氣專(zhuān)業(yè)提供的初排平斷面定位圖和施工圖勘測(cè)任務(wù)書(shū)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)終勘，并將最終成果提資給線路電氣與結(jié)構(gòu)專(zhuān)業(yè)。

1.1.5 技經(jīng)專(zhuān)業(yè)

根據(jù)線路電氣專(zhuān)業(yè)提供的初排平斷面定位圖和施工圖勘測(cè)任務(wù)書(shū)，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)終勘，根據(jù)現(xiàn)有專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)資料進(jìn)行技經(jīng)統(tǒng)計(jì)，并進(jìn)行施工圖預(yù)算。

1.2 三維正向設(shè)計(jì)控制和校審

1.2.1 三維正向設(shè)計(jì)控制

三維正向設(shè)計(jì)過(guò)程的控制是質(zhì)量管控的核心內(nèi)容，主要包括設(shè)計(jì)策劃、設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、方案設(shè)計(jì)、方案協(xié)同、設(shè)計(jì)輸出。

1.2.2 三維正向設(shè)計(jì)校審

1)線路路徑方案設(shè)計(jì)

線路路徑方案設(shè)計(jì)，校審人除了核對(duì)方案的合理性，還需要核對(duì)項(xiàng)目規(guī)模，有無(wú)缺失的工程子項(xiàng)。

2)三維設(shè)計(jì)建模

三維設(shè)計(jì)建模包括地物建模與電力設(shè)備建模。校審人需要核對(duì)兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是方案的合理性和準(zhǔn)確性，包括使用綜合碰撞檢查工具校核金具是否有碰撞，金具串第一金具與鐵塔是否碰撞；二是需核對(duì)選用三維場(chǎng)景坐標(biāo)系是否準(zhǔn)確。

3)三維桿塔定位

在三維場(chǎng)景中進(jìn)行桿塔與排位，并通過(guò)終勘定位進(jìn)行塔位修正，結(jié)構(gòu)主設(shè)人根據(jù)電氣提供的最終塔位與地質(zhì)資料進(jìn)行基礎(chǔ)設(shè)計(jì)。校審人需要核對(duì)定位的交跨距離是否滿(mǎn)足規(guī)程或設(shè)計(jì)原則的要求，基礎(chǔ)選型是否合理。

4)二維成品圖設(shè)計(jì)

二維成品出圖的均在三維模型布置圖里抽取，包括桿塔明細(xì)表、線路平斷面、基礎(chǔ)圖等。由于三維模型布置圖已經(jīng)校審核，成品二維圖的校審核要點(diǎn)在于圖面是否規(guī)范，以及卷冊(cè)圖紙抽取的合理性及完整性。

2 BIM三維正向設(shè)計(jì)在勘測(cè)中的應(yīng)用

2.1 GIS三維場(chǎng)景構(gòu)建

通過(guò)傾斜攝影結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)工測(cè)，生成房屋、林木、電力線等地物，構(gòu)建精細(xì)的地理信息系統(tǒng)(geographic information system，GIS)模型如圖4所示，再現(xiàn)通道原景。在效率方面，通過(guò)傾斜攝影數(shù)據(jù)自動(dòng)提取房屋模型如圖5所示的效率要遠(yuǎn)高于人工建模[7]。經(jīng)過(guò)實(shí)際對(duì)比，單個(gè)房屋模型建模需要每房屋12 s，使用自動(dòng)提取方式建模大約需要每房屋3 s。

圖4 全線精細(xì)的GIS模型

圖5 傾斜攝影生成房屋

2.2 數(shù)字化外業(yè)手機(jī)APP

通過(guò)數(shù)字化外業(yè)手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)了信息查詢(xún)、現(xiàn)場(chǎng)記錄、三維定線和桿塔排位如圖6所示。同時(shí)數(shù)字化外業(yè)手機(jī)APP 與三維設(shè)計(jì)平臺(tái)互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)全流程的數(shù)字化管理與三維設(shè)計(jì)。

圖6 數(shù)字化外業(yè)手機(jī)APP功能

2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正地形

通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分層處理修正地面高程如圖7所示，與工測(cè)高程誤差在可接受范圍內(nèi)，可一定程度上取代或減少現(xiàn)場(chǎng)勘測(cè)作業(yè)。對(duì)于林木茂密的山區(qū)工程，在塔基地形及塔基斷面獲取時(shí)，無(wú)需砍樹(shù)，直接利用三維激光掃描即可快速獲取塔位附近高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)[8]，通過(guò)激光點(diǎn)云數(shù)據(jù)分層處理應(yīng)用研究，修正地面高程，最終對(duì)比顯示，點(diǎn)云修正地面工程精度高于傳統(tǒng)數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)高程，與工測(cè)精度相當(dāng)(山區(qū)地線高程誤差僅0.2 m)。

圖7 點(diǎn)云數(shù)據(jù)修正地形

3 BIM三維正向設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

3.1 三維鐵塔BIM設(shè)計(jì)及應(yīng)用

開(kāi)展桿塔三維放樣設(shè)計(jì)研究，采用鐵塔建模、荷載計(jì)算、放樣軟件及出圖一體化的平臺(tái)如圖8所示，對(duì)試點(diǎn)段的桿塔進(jìn)行了放樣，供三維平臺(tái)直接使用，提高了鐵塔自動(dòng)精細(xì)化建模及正向出圖能力，為后續(xù)鐵塔廠家數(shù)字化加工創(chuàng)造條件。

圖8 桿塔三維設(shè)計(jì)

3.2 通道設(shè)計(jì)

依據(jù)傾斜攝影成果，輔以現(xiàn)場(chǎng)復(fù)核，通過(guò)導(dǎo)線位置與房屋的交互判斷，實(shí)現(xiàn)房屋拆遷數(shù)字化出圖如圖9所示。同時(shí)利用三維成果交底，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)人員進(jìn)行房屋拆遷，減少房屋漏拆、錯(cuò)拆及多拆的現(xiàn)象，減少通道清理難度。

圖9 通道設(shè)計(jì)流程

3.3 大噸位耐張串設(shè)計(jì)

現(xiàn)階段三維設(shè)計(jì)均聚焦于導(dǎo)線的仿真模擬[9]，而忽略了大噸位耐張串的影響。本文利用三維技術(shù)完成大噸位耐張串算法的研究，進(jìn)行弧垂模擬開(kāi)發(fā)，考慮大噸位耐張串對(duì)弧垂的影響如圖10所示，避免三維場(chǎng)景中由于耐張串弧垂誤差(檔中弧垂誤差可達(dá)1～2m)導(dǎo)致交跨、對(duì)地不足的問(wèn)題。

圖10 大噸位耐張串考慮弧垂對(duì)比

4 BIM三維正向設(shè)計(jì)在施工中的應(yīng)用

現(xiàn)階段三維技術(shù)應(yīng)用于線路施工，主要偏向于管控系統(tǒng)的布置[10]或預(yù)警算法的提升[11]，而忽略施工模擬的開(kāi)發(fā)。本文對(duì)三維組塔和施工輔助進(jìn)行了三維模擬。

4.1 三維組塔模擬

特高壓電力線路經(jīng)常需要臨近帶電線路組塔，利用三維場(chǎng)景進(jìn)行桿塔組立吊裝模擬，對(duì)臨近帶電線路進(jìn)行距離測(cè)量如圖11所示，動(dòng)態(tài)分析抱桿橫擔(dān)的旋轉(zhuǎn)角度如圖12所示，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和管控，保證施工安全。

圖11 近電作業(yè)測(cè)量

圖12 抱桿旋轉(zhuǎn)角度分析

4.2 施工輔助措施模擬

進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)施工模擬開(kāi)發(fā)，通過(guò)對(duì)虛擬施工材料、機(jī)具與人員進(jìn)行模擬布置，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)和管控，指導(dǎo)施工單位對(duì)跨越架、封網(wǎng)、牽張場(chǎng)地進(jìn)行布置，并使設(shè)計(jì)方案更加具有可操作性、避免現(xiàn)場(chǎng)無(wú)法施工導(dǎo)致設(shè)計(jì)變更如圖13所示。

圖13 施工輔助措施模擬

5 BIM三維正向設(shè)計(jì)在移交運(yùn)維中的應(yīng)用

完成特高壓線路工程三維數(shù)字化移交并出具分析報(bào)告，形成行業(yè)三維正向設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)化要求并推廣，服務(wù)于后續(xù)運(yùn)維等環(huán)節(jié)，提升特高壓線路工程管理質(zhì)量。目前，此標(biāo)準(zhǔn)已應(yīng)用于白鶴灘—浙江±800kV 特高壓直流輸電線路等工程中，并將推廣于后續(xù)的金上—湖北、寧夏—湖南、哈密—重慶等一系列特高壓工程。

6 結(jié)語(yǔ)

文章梳理了三維正向設(shè)計(jì)協(xié)同作業(yè)流程與三維正向設(shè)計(jì)控制和校審流程，并介紹了基于BIM三維正向設(shè)計(jì)，在勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工、移交運(yùn)維各階段的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，極大提高了輸電工程的設(shè)計(jì)質(zhì)量。但同時(shí)三維正向設(shè)計(jì)也增加了設(shè)計(jì)的工作量和設(shè)計(jì)周期?，F(xiàn)階段在三維設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)遇到平臺(tái)缺陷、功能不足和工作效率的因素，一定程度上影響了正向設(shè)計(jì)的推進(jìn)。

為解決需求與現(xiàn)狀效率之間的矛盾，建議著重解決三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作量大、功能不足、設(shè)計(jì)效率低等影響設(shè)計(jì)人員三維正向設(shè)計(jì)積極性不高的問(wèn)題，使三維正向設(shè)計(jì)行為由外部推動(dòng)變成設(shè)計(jì)人員的主動(dòng)行為，真正發(fā)揮三維設(shè)計(jì)在提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、提升設(shè)計(jì)效率方面的作用。