林 銳，李逸健，秦紀(jì)賓，方 序，張文翔，李宏進(jìn)，林原辰

( 中國(guó)電建集團(tuán)福建省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限公司，福建 福州 350003)

0 引言

我國(guó)電網(wǎng)規(guī)模目前已居世界第一位，數(shù)字化電網(wǎng)建設(shè)、環(huán)境友好型電網(wǎng)建設(shè)、現(xiàn)代企業(yè)管理和設(shè)計(jì)發(fā)展的戰(zhàn)略需求[1]都對(duì)設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展提出了新的挑戰(zhàn)，采用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)是電網(wǎng)設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的必然選擇，也是大數(shù)據(jù)時(shí)代發(fā)展的必然要求。以建筑信息模型(building information modeling，BIM)技術(shù)為基礎(chǔ)的三維設(shè)計(jì)工作經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展日趨成熟[2-3]，近些年，在民用建筑、水利水電等大型工程項(xiàng)目中已經(jīng)廣泛采用基于BIM 技術(shù)的三維設(shè)計(jì)工作，并逐步取得了良好的效益。在提升設(shè)計(jì)質(zhì)量、節(jié)約管理成本、提高交流效率等方面，BIM 較傳統(tǒng)設(shè)計(jì)都有更出色的表現(xiàn)。

相比建筑領(lǐng)域，電網(wǎng)工程特別是輸電線路建設(shè)領(lǐng)域開(kāi)展三維數(shù)字化設(shè)計(jì)相關(guān)的研究起步較晚，但在國(guó)家電網(wǎng)有限公司的大力推動(dòng)下，市場(chǎng)上幾個(gè)主流廠商已初步開(kāi)發(fā)出適用于輸電線路工程的三維數(shù)字化設(shè)計(jì)商用平臺(tái)[4-6]，目前國(guó)內(nèi)輸電線路工程對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的應(yīng)用逐漸由三維設(shè)計(jì)成果的管理及展示向真正意義上的工程應(yīng)用及全過(guò)程協(xié)同設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變[7-13]。本文依托福建漳州—泉州500 kV I、II 回線路開(kāi)斷進(jìn)集美變工程，結(jié)合沿海山區(qū)輸電線路的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)字化設(shè)計(jì)在輸電線路工程設(shè)計(jì)中的深化應(yīng)用進(jìn)行論述。

1 數(shù)字化平臺(tái)功能

輸電線路三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量、地質(zhì)、水文氣象、電氣、結(jié)構(gòu)、技經(jīng)等專(zhuān)業(yè)的“橫向協(xié)同”和各設(shè)計(jì)階段的“縱向貫通”，可滿(mǎn)足線路工程可研、初設(shè)、施工圖及竣工圖設(shè)計(jì)等階段要求，完成線路走廊地理信息數(shù)字化、線路工程本體設(shè)計(jì)、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)計(jì)算及數(shù)字化移交等功能，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字化平臺(tái)總體功能

2 依托工程特點(diǎn)

工程位于廈門(mén)市經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)，線路沿線障礙物及敏感點(diǎn)眾多、路徑走廊極為擁擠、工程多數(shù)塔位基面地形陡峭、塔位相對(duì)高差較大，線路連續(xù)跨越500 kV 電力線4 次，受山地塔位地形及障礙物影響，跨越點(diǎn)及跨越方案選擇困難。同時(shí)工程所在地區(qū)經(jīng)常受到臺(tái)風(fēng)侵襲，提高抗風(fēng)能力是工程設(shè)計(jì)考慮的重點(diǎn)之一。工程地理位置如圖2 所示。

圖2 依托工程地理位置

3 線路走廊信息模型

傾斜攝影測(cè)量技術(shù)是國(guó)際測(cè)繪領(lǐng)域近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)高新技術(shù)[14]，通過(guò)航空器搭載相機(jī)對(duì)地表進(jìn)行拍攝，相機(jī)對(duì)地進(jìn)行一定角度的傾斜，能有效獲取地表各個(gè)角度的信息。本工程傾斜攝影建模使用ZR-60M 六軸碳纖維無(wú)人機(jī)平臺(tái)，搭載SONY DSC-RX1RM2 相機(jī)、自動(dòng)化航攝飛行控制系統(tǒng)和全球定位系統(tǒng)(GPS)，單次續(xù)航時(shí)間60 min，巡航速度：65 km/h。工程攝影成果如圖3 所示。

圖3 線路走廊傾斜攝影成果

4 三維數(shù)字化平臺(tái)深化應(yīng)用

4.1 線路選線及優(yōu)化

在三維系統(tǒng)中通過(guò)建立矢量地理信息、設(shè)置障礙物緩沖半徑，系統(tǒng)可自動(dòng)分析輸電線路周邊敏感點(diǎn)的影響，在交互設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)控制線路走向的自然保護(hù)區(qū)、大型建筑、礦區(qū)等設(shè)施進(jìn)行繞避。

1)進(jìn)出線段路徑優(yōu)化

針對(duì)變電站出線段障礙物密集的情況，結(jié)合傾斜攝影數(shù)據(jù)所建立通道范圍內(nèi)重要設(shè)施三維模型，運(yùn)用空間三維分析技術(shù)及平臺(tái)電磁環(huán)境計(jì)算，通過(guò)對(duì)鄰近多層結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行空間距離及電磁環(huán)境準(zhǔn)確評(píng)估，如圖4、圖5 所示。

圖4 避讓大型樓房

圖5 樓房附近空間電場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算

在確保線路出線偏角在安全范圍前提下，合理控制出線終端塔立塔位置及鐵塔高度，減少房屋拆遷量約6 500 m2。

2)采石場(chǎng)附近線路三維選線

利用采石場(chǎng)及輸電線路的數(shù)字高程模型(digital elevation model，DEM)數(shù)據(jù)，結(jié)合爆破飛石運(yùn)行軌跡理論，實(shí)現(xiàn)爆破飛石運(yùn)行軌跡三維模擬(見(jiàn)圖6)，組建起一個(gè)集數(shù)字模擬、空間分析、影響評(píng)價(jià)于一體的輸電線路與采石場(chǎng)安全距離的評(píng)價(jià)體系，充分考慮山體對(duì)爆破飛石的遮蔽效應(yīng)，輸電線路與采石場(chǎng)的避讓距離可由500 m 縮小至280 m，從而合理優(yōu)化了路徑長(zhǎng)度及轉(zhuǎn)角塔數(shù)量。

圖6 爆破飛石飛行軌跡三維模擬

4.2 桿塔排位及桿塔規(guī)劃

充分利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)系統(tǒng)二、三維場(chǎng)景聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)功能，能夠做到三維地理信息實(shí)時(shí)分析、線路路徑方案實(shí)時(shí)調(diào)整、二三維平斷面桿塔布置實(shí)時(shí)校驗(yàn)(見(jiàn)圖7)，提高了線路設(shè)計(jì)排塔定位的工作效率。

圖7 二、三維協(xié)同排位

利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)進(jìn)行桿塔排位成果，進(jìn)行桿塔使用條件的統(tǒng)計(jì)分析。綜合考慮線路走廊、防風(fēng)偏、防雷性能、結(jié)構(gòu)布置、美觀等因素，直線塔采用“3V 串”布置，為解決大風(fēng)區(qū)因V 串夾角大帶來(lái)的電氣間隙問(wèn)題，懸垂塔設(shè)計(jì)為雁翅形狀拱形橫擔(dān)，造型靈動(dòng)優(yōu)美，與常規(guī)平橫擔(dān)相比，層高降低0.4 m，走廊寬度減小27.5%，電氣間隙緊湊、結(jié)構(gòu)受力合理。桿塔規(guī)劃及建模計(jì)算成果如圖8 所示。

圖8 桿塔規(guī)劃及三維建模成果

4.3 桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對(duì)本工程屬于臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)的特點(diǎn)，塔身變坡以下增加兩處橫隔面(見(jiàn)圖9)。無(wú)橫隔面方案塔身段4 階模態(tài)為交叉斜材局部振動(dòng)，增加橫隔面方案前4 階模態(tài)沒(méi)出現(xiàn)局部振動(dòng)，可以看出增加橫隔面可有效避免局部振動(dòng)及變形，提升桿塔抗風(fēng)承載力和變形能力。

圖9 增加塔身橫隔面前后示意圖及模態(tài)對(duì)比

4.4 基礎(chǔ)選型及優(yōu)化

1)新型復(fù)合式基礎(chǔ)

針對(duì)山地比例大，塔位常遇到上部為土層、下部為堅(jiān)硬巖石層情況，以往設(shè)計(jì)中，沒(méi)有考慮土層—巖體與基礎(chǔ)的共同作用機(jī)理，按傳統(tǒng)方法采用單一基礎(chǔ)型式進(jìn)行設(shè)計(jì)，存在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上的不足。

圖10 山區(qū)段三維地質(zhì)模型

圖11 掏挖錨桿復(fù)合基礎(chǔ)計(jì)算模型及位移云圖

2)螺桿樁基礎(chǔ)

變電站出線終端地質(zhì)條件為素填土、粉質(zhì)粘土、砂質(zhì)粘性土地質(zhì)，采用螺桿樁基礎(chǔ)。變電站出線段螺桿樁計(jì)算模型如圖12 所示，螺桿樁復(fù)合地基由螺桿樁和褥墊層組成，螺桿樁成樁過(guò)程擠壓樁周土體，提高了樁周土體的強(qiáng)度，螺桿樁上部圓柱段分擔(dān)了下部螺紋段的荷載，減少了樁長(zhǎng)，與常規(guī)灌注樁基礎(chǔ)相比可減少混凝土方量約30%。

圖12 變電站出線段螺桿樁基礎(chǔ)模型

4.5 重要交叉跨越校驗(yàn)

可研路徑方案在連續(xù)跨越兩條500 kV 線路時(shí)從被跨線路桿塔的塔頭上方跨越，這將使跨越塔的呼高增高，且跨越檔檔距較大，不利于帶電施工封網(wǎng)跨越。在三維真實(shí)場(chǎng)景中，對(duì)區(qū)域附近地形、跨越線路及周?chē)O(shè)施進(jìn)行分析，對(duì)跨越點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化(見(jiàn)圖13)，避免跨越原線路塔頭，且使跨越交叉角度更大、使檔距分布更加合理，跨越塔呼高由81 m 降低至60 m，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖13 跨越500 kV線路區(qū)段跨越點(diǎn)優(yōu)化

4.6 電氣間隙三維校驗(yàn)

利用三維鐵塔模型，采用三維“間隙球”“間隙柱”的方式，展現(xiàn)導(dǎo)線及絕緣子串在靜止?fàn)顟B(tài)和風(fēng)偏擺動(dòng)狀態(tài)下的真實(shí)空間姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)電氣間隙自動(dòng)校驗(yàn)，如圖14 所示。有效的解決了山區(qū)工程設(shè)計(jì)中大高差條件下跳線對(duì)鐵塔間隙、導(dǎo)線小弧垂對(duì)鐵塔間隙等電氣間隙校驗(yàn)的技術(shù)難題。

圖14 跳線三維“間隙柱”電氣校驗(yàn)

4.7 碰撞檢查和連接校驗(yàn)

如圖15 所示，利用金具三維組裝系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)金具串的組裝，系統(tǒng)可以自動(dòng)進(jìn)行碰撞實(shí)驗(yàn)、判斷能否連接并進(jìn)行強(qiáng)度校核。桿塔放樣后可在三維模型上直觀體現(xiàn)塔材之間、螺栓與塔材、螺栓之間的碰撞?；A(chǔ)三維模型可校核基礎(chǔ)地腳螺栓或插入角鋼與桿塔模型能否正確組裝，校驗(yàn)地腳螺栓和鋼筋的碰撞。通過(guò)三維碰撞校驗(yàn)可大大節(jié)省人工校驗(yàn)的時(shí)間，提高效率約25%。

圖15 三維碰撞檢查和連接校驗(yàn)

4.8 線路通道清理設(shè)計(jì)

線路通道清理設(shè)計(jì)主要包含了房屋拆遷圖設(shè)計(jì)和林木砍伐圖設(shè)計(jì)，利用傾斜攝影數(shù)據(jù)結(jié)合測(cè)量專(zhuān)業(yè)現(xiàn)場(chǎng)補(bǔ)充調(diào)查的信息進(jìn)行房屋、林木實(shí)景進(jìn)行參數(shù)化建模(房屋位置、房屋面積、林木位置、林木種類(lèi)、林木高度等)。

通過(guò)系統(tǒng)對(duì)實(shí)景模型的建立，可以在指定走廊寬度內(nèi)進(jìn)行房屋面積量測(cè)、統(tǒng)計(jì)，利用我院自主研發(fā)的房屋信息處理系統(tǒng)全自動(dòng)生成房屋拆遷分布圖、一戶(hù)一卡圖，如圖16 所示。

圖16 通道內(nèi)房屋及自動(dòng)生成的房屋分布圖

山區(qū)地形起伏較大，同時(shí)受檔距和弧垂影響，線路風(fēng)偏時(shí)檔距中央偏離線路中心最遠(yuǎn)而塔身處偏離最近，導(dǎo)線實(shí)際影響范圍的水平投影為紡錘形狀，傳統(tǒng)二維平面難以繪制林木風(fēng)偏砍伐斷面。在三維場(chǎng)景中，把導(dǎo)線懸鏈線投影離散為多邊形，并給出各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，自動(dòng)計(jì)算導(dǎo)線風(fēng)偏與林木的位置關(guān)系確定砍伐范圍并對(duì)樹(shù)木砍伐進(jìn)行自動(dòng)判斷和統(tǒng)計(jì)。

山區(qū)導(dǎo)線風(fēng)偏及紡錘形砍樹(shù)示意如圖17所示。

圖17 山區(qū)樹(shù)木三維實(shí)景及砍伐示意圖

紡錘形砍樹(shù)方案減少了10%～20%的林木砍伐量，節(jié)省了工程投資。既保障了線路安全運(yùn)行，又保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。

4.9 輔助環(huán)水保設(shè)計(jì)

通過(guò)高精度地理影像，利用三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)，真實(shí)還原原始地形和地貌，可準(zhǔn)確進(jìn)行全方位長(zhǎng)短腿和不等高基礎(chǔ)的配置，同時(shí)邊坡三維設(shè)計(jì)能充分考慮水保措施與原狀地形的貼合，如圖18 所示。實(shí)現(xiàn)了塔基環(huán)水保設(shè)計(jì)由傳統(tǒng)的粗放式變?yōu)榫?xì)化設(shè)計(jì)，最大程度減小工程建設(shè)對(duì)生態(tài)環(huán)境的擾動(dòng)。

圖18 三維輔助設(shè)計(jì)塔基護(hù)坡

4.10 輔助施工組織設(shè)計(jì)

利用輸電三維數(shù)字化設(shè)計(jì)平臺(tái)構(gòu)建的三維環(huán)境，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)踏勘情況，在平臺(tái)進(jìn)行臨時(shí)道路繪制，區(qū)分道路修筑、道路拓寬、道路硬化等不同修筑方案，滿(mǎn)足施工機(jī)械道路需求，減少臨時(shí)道路修建量。通過(guò)數(shù)字化平臺(tái)，結(jié)合地形和牽張分段，初定牽張場(chǎng)位置，并采用三維手段進(jìn)行精細(xì)化布置，如圖19 所示。

圖19 施工道路分布圖及牽張場(chǎng)三維布置

5 結(jié)語(yǔ)

充分發(fā)揮三維可視化優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)在工程路徑優(yōu)化、桿塔排位及桿塔規(guī)劃、桿塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化、基礎(chǔ)選型及優(yōu)化、重要交跨校驗(yàn)、電氣三維校驗(yàn)、碰撞檢查、通道清理、輔助環(huán)水保設(shè)計(jì)等方面的不足，有效提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

雖然目前相對(duì)于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)，還存在著模型構(gòu)建工作量大、缺乏配套的數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)和質(zhì)量管理體系、設(shè)計(jì)輔助工具與平臺(tái)兼容性不強(qiáng)、對(duì)設(shè)計(jì)人員要求高等問(wèn)題，但隨著數(shù)字化技術(shù)的深入探索和廣泛應(yīng)用，其技術(shù)優(yōu)勢(shì)和潛在價(jià)值將得到充分發(fā)揮，實(shí)現(xiàn)環(huán)境友好型、資源節(jié)約型的高端數(shù)字化輸電線路設(shè)計(jì)目標(biāo)，為智能化電網(wǎng)建設(shè)和管理打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。