三维技术在输电线路结构设计中的应用

孙 威

（湖北省电力勘测设计院有限公司，湖北 武汉 430040）

从2010年国家电网公司出台电网工程信息数字化移交规范开始，输电线路三维设计历经10多年发展，三维设计软件，由简单三维模型展示，逐步发展到如今包含多专业协同设计、模型批量导入、施工图联动生成等功能的操作平台，实现了工程精细化设计，减少了设计误差，提高了设计效率。三维设计软件发展至今，在一定程度上，改变了以往设计习惯。作为输电线路结构工作者，在使用三维平台过程中，发现在结构设计过程中，基础还未能实现自动选配功能，山区线路杆塔长短腿配置也许要人为干预，未能实现自动化配减腿，塔腿处塔脚板螺栓碰撞问题也未能在平台中进行校验[1]。

针对上述问题，本文在已有技术基础上进行提炼创新，提出了多指标选配、最优迭代以及参数化模型校验方法来解决以上问题。

1 基础自动选配

传统的基础设计，首先需要根据不同的地质条件选择基础形式，进而根据具体塔位的基础作用力计算出相应基础规格。基础形式的选择，人为干预度较大，经验成分较多，不同设计人员对基础选配原则的理解也不一定相同，这就导致了在选择基础形式的时候，难以统一标准。现阶段三维设计平台纳入了强大的空间地形模型和空间地质模型，以及国网通用典设杆塔库，库中包含了基础设计所需的作用力数据。三维设计平台现已具备了线路自动选配基础的硬件条件。所缺的是如何定义基础选配原则，使平台自动选配的基础既安全，又经济环保[2]。

1.1 多指标选配

在基础选型和设计中，安全、经济和环保三个指标既独立又相互关联。仅考虑安全因素，可能选配的基础并不经济；仅考虑经济，可能又不环保。因此，程序自动选配基础，需从多指标角度来考虑。基础安全性指标在基础设计时已考虑，基础经济指标既需考虑基础方量，也需考虑基础造价，基础环保指标需考虑基础施工过程中的环境友好程度，是否为大开挖基础，泥浆池是否会污染周边环境等[3]。

多指标选配计算公式如下：

1.2 案例分析

以某一工程基础设计为例，杆塔位于水田中，含有地下水，地下6米范围内为可塑粉质黏土，6米以下为强风化片麻岩，基础上拔作用力代表值为250 kN，基础离土路50米距离。根据该塔位条件，可选择基础类型有板式基础和灌注桩基础，当选为板式基础时，基础混凝土方量7.18 m3，钢筋461.37 kg；当选为灌注桩基础时，基础混凝土方量4.16 m3，钢筋344.22 kg；仅从材料量上来看，板式基础混凝土方量略大于灌注桩基础，但考虑到不同施工工艺带来的费用差异，从造价方面来看，板式基础造价相对灌注桩基础便宜2 000元。最后，从环保角度来看，板式基础属于大开挖基础，对环境破坏较大，灌注桩基础为原状土基础，对环境影响小[4]。两种基础形式指标详见表1。

表1 板式基础和灌注桩基础指标对比

根据多指标计算公式可得，板式基础多指标得分为6，灌注桩基础得分为23，因此，本算例杆塔宜选用灌注桩基础形式。

2 杆塔长短腿自动配置

在三维设计平台中选好路径方案后，需确定杆塔基面值，以便校核导线对地距离以及三跨线间距。山区段线路杆塔基面值的确定，不能简单的以塔位中心桩高程作为参考，还需考虑将最长腿与中心桩高程的差值作为降基数值。因此山区杆塔基面值需在配好杆塔长短腿后才能确定。在以往工程中，杆塔长短腿的配置是通过Excel电子表格手动试算，效率很低，也容易出错。杆塔长短腿配置示意图如图1所示。

图1 山地塔长短腿计算示意图

图中，J为塔位中心桩与最长腿基面高程差值；H1为对应施工实际地面的基础实际露出地面值；S为基础设计计算假定的基础露头值。

以某工程山地塔为例，其减腿配置表如表2所示。

表2 杆塔减腿配置表

表2中，2B2-ZMCK-54杆塔A腿为最长腿，当基面值取为1.0，未配置减腿时，A腿基础露头值为1.0，B腿基础露头值为-0.2，C腿基础露头值为-0.8，D腿基础露头值为-1.2。基础自然露头一般高出地面0.2～1.5 m，因此，B腿减腿-1 m，C腿减腿-1 m，D腿减腿-2 m，配置减腿后，A、B、C、D腿基础自然露头分别为1.0、0.8、0.2、0.8，满足基础自然露头基本要求。

2.1 最优迭代法选配减腿

通过表2案例可以发现，铁塔的减腿配置与现场定位数据（即塔位地形）有直接关系，同时又受限于自然露头与悬臂高度，因此，可将基础自然露头和悬臂高度作为基面和减腿配置成功的判断依据。基面初始值可取为A、B、C、D四腿基础中心定位高程最小值+0.2 m，迭代增量为0.1 m，在每次迭代过程中，当其他基础露头值为负数时，其相应减腿值按该负数值减0.2 m并向上取整，同时计算出各基础自然露头和悬臂高度并进行有效性判断。

以表2数据为例，按最优迭代法计算减腿，其计算过程数据如表3所示。

表3 最优迭代法计算过程数据表

通过9次迭代，便可得到该塔位最优减腿配置。

3 参数化模型校验

在三维平台中，杆塔模型现阶段只能呈现出塔材规格，塔腿与基础连接部分的塔脚板以及挂线部分的连接板件模型，还未能在三维平台中通过参数化建模。一般认为，三维平台杆塔模型的建模深度越精细越好，但是随着模型精细化程度的增加，平台运行时对计算机的要求也越来越高。因此，可对杆塔关键校验构件提供专门校验窗口，或者关联其他软件进行校验。

三维设计软件SOLIDWORKS具有参数化建模功能，可在三维平台中开发SOLIDWORKS数据共享接口，将需校验构件参数化模型数据传入SOLIDWORKS软件中，实时生成构件的三维模型，并自动校验碰撞。角钢塔塔脚板参数化数据如表4所示。

角钢塔塔脚板参数化三维模型和角钢塔塔脚板参数化数据表分别如图2和表4所示。通过三维参数化模型，可以直观的发现构件中是否存在相互碰撞情况。

图2 角钢塔塔脚板参数化三维模型示意图

表4 角钢塔塔脚板参数化数据表

4 结束语

（1）基于三维设计平台，采用多指标选配法进行基础批量自动选配，既可统一基础选配标准，同时也能提高基础设计效率。

（2）在三维平台中采用最优迭代法进行杆塔长短腿自动选配，可自动计算得到基面和杆塔长短腿的最优解，即时反馈电气排杆基面数值是否合理。

（3）通过三维平台三维数据共享接口，在其他专业软件中建立所需校验模型，既可有效降低三维平台运行要求，同时能够灵活扩展其外置功能。■