BIM三维正向设计在白鹤滩—江苏±800 kV特高压直流线路工程中的应用

袁 飞，张瑞永，朱亚鹏，郑擎天

(中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211100)

0 引言

为持续提升特高压输电线路工程设计水平，提高特高压输电线路工程管理能力，推动三维数字化成果在项目全寿命周期内的综合应用，国网公司特高压部制定了《特高压线路工程三维设计指导意见》《特高压线路工程三维设计发展总体策划(2021年—2025年》。输电线路三维正向设计根本目标是服务基建、运维，依赖建筑信息模型(building information modeling，BIM)技术、计算机技术、人工智能技术的发展，助力特高压线路工程的设计质量与效率的提升[1]。

BIM三维正向设计在建筑行业已广泛应用[2]，但是在电力行业的应用还处于探索阶段。乌东德水电站进行了电气正向设计应用，主要进行了碰撞检查和三维出图[3]，高文松[4]团队探索将三维数字化运用于电厂建设中，主要应用于指导施工，李思浩[5]团队进行了变电三维模型在设计、施工、监理和运维等各个阶段的管理应用，主要应用于过程管控。而输电线路领域，大多研究还侧重于三维模型，三维正向设计还未系统应用[6]。

本文以白鹤滩—江苏±800kV特高压直流线路(以下简称“白江线”)为三维正向设计试点工程，结合通道、金具、结构、架线等设计需求，明确三维建模、三维计算、三维出图范围，形成三维正向设计和三维方案设计。

1 BIM三维正向设计应用思路

梳理各专业三维正向设计协同作业流程如图1所示，同时制定三维正向设计控制流程如图2所示与校审流程如图3所示，保证三维设计和出图的完整、准确，提升三维设计的质量。

图2 三维正向设计过程控制流程

图3 三维校审核流程图

1.1 三维正向设计协同作业流程

1.1.1 线路电气专业

调取初设成果资料，进行线路路径调整，形成精细GIS 三维模型，通过评审后生成最终的线路路径。

根据评审后的线路路径和测量专业提供的数据，进行三维杆塔初步排位，得到初排平断面定位图，会同技经、水文、地质、测量专业进行勘测定位。

根据测量专业提供的线路终勘成果进行杆塔塔位修正和杆塔排位校验，确定最终杆塔排位成果，其中杆塔荷载信息提给线路结构专业，杆塔塔位修正和线路结构专业的杆塔设计、基础设计是反复交互的过程。

根据测量专业提资，进行拆房分布计算和树木砍伐计算，并将结果提给技经专业，技经专业统计后提给线路电气专业进行成品成图。

1.1.2 线路结构专业

根据现有杆塔库和基础库、线路电气专业杆塔排位结果、水文气象终勘报告、地质专业现场终勘提供的岩土勘测报告和钻孔点位数据，进行杆塔和三维基础设计，形成铁塔施工图、基础施工图，并进行工程量统计，提给技经专业。

其中，线路结构专业的杆塔设计、基础设计和线路电气专业的杆塔塔位修正是反复交互的过程。

1.1.3 水文、地质专业

根据线路电气专业提供的初排平断面定位图和施工图勘测任务书，进行现场终勘，编写勘测报告并提资给线路结构专业。

1.1.4 测量专业

按线路电气专业在线路路径调整过程中的需要，进行现场测量或航空摄影测量与相关数据处理，提给线路电气专业。

根据线路电气专业提供的初排平断面定位图和施工图勘测任务书，进行现场终勘，并将最终成果提资给线路电气与结构专业。

1.1.5 技经专业

根据线路电气专业提供的初排平断面定位图和施工图勘测任务书，进行现场终勘，根据现有专业数据库资料进行技经统计，并进行施工图预算。

1.2 三维正向设计控制和校审

1.2.1 三维正向设计控制

三维正向设计过程的控制是质量管控的核心内容，主要包括设计策划、设计准备、方案设计、方案协同、设计输出。

1.2.2 三维正向设计校审

1)线路路径方案设计

线路路径方案设计，校审人除了核对方案的合理性，还需要核对项目规模，有无缺失的工程子项。

2)三维设计建模

三维设计建模包括地物建模与电力设备建模。校审人需要核对两个方面的内容，一是方案的合理性和准确性，包括使用综合碰撞检查工具校核金具是否有碰撞，金具串第一金具与铁塔是否碰撞；二是需核对选用三维场景坐标系是否准确。

3)三维杆塔定位

在三维场景中进行杆塔与排位，并通过终勘定位进行塔位修正，结构主设人根据电气提供的最终塔位与地质资料进行基础设计。校审人需要核对定位的交跨距离是否满足规程或设计原则的要求，基础选型是否合理。

4)二维成品图设计

二维成品出图的均在三维模型布置图里抽取，包括杆塔明细表、线路平断面、基础图等。由于三维模型布置图已经校审核，成品二维图的校审核要点在于图面是否规范，以及卷册图纸抽取的合理性及完整性。

2 BIM三维正向设计在勘测中的应用

2.1 GIS三维场景构建

通过倾斜摄影结合现场工测，生成房屋、林木、电力线等地物，构建精细的地理信息系统(geographic information system，GIS)模型如图4所示，再现通道原景。在效率方面，通过倾斜摄影数据自动提取房屋模型如图5所示的效率要远高于人工建模[7]。经过实际对比，单个房屋模型建模需要每房屋12 s，使用自动提取方式建模大约需要每房屋3 s。

图4 全线精细的GIS模型

图5 倾斜摄影生成房屋

2.2 数字化外业手机APP

通过数字化外业手机APP，实现了信息查询、现场记录、三维定线和杆塔排位如图6所示。同时数字化外业手机APP 与三维设计平台互联互通，实现全流程的数字化管理与三维设计。

图6 数字化外业手机APP功能

2.3 点云数据修正地形

通过激光点云数据分层处理修正地面高程如图7所示，与工测高程误差在可接受范围内，可一定程度上取代或减少现场勘测作业。对于林木茂密的山区工程，在塔基地形及塔基断面获取时，无需砍树，直接利用三维激光扫描即可快速获取塔位附近高精度点云数据[8]，通过激光点云数据分层处理应用研究，修正地面高程，最终对比显示，点云修正地面工程精度高于传统数字高程模型(digital elevation model，DEM)高程，与工测精度相当(山区地线高程误差仅0.2 m)。

图7 点云数据修正地形

3 BIM三维正向设计在设计中的应用

3.1 三维铁塔BIM设计及应用

开展杆塔三维放样设计研究，采用铁塔建模、荷载计算、放样软件及出图一体化的平台如图8所示，对试点段的杆塔进行了放样，供三维平台直接使用，提高了铁塔自动精细化建模及正向出图能力，为后续铁塔厂家数字化加工创造条件。

图8 杆塔三维设计

3.2 通道设计

依据倾斜摄影成果，辅以现场复核，通过导线位置与房屋的交互判断，实现房屋拆迁数字化出图如图9所示。同时利用三维成果交底，指导现场人员进行房屋拆迁，减少房屋漏拆、错拆及多拆的现象，减少通道清理难度。

图9 通道设计流程

3.3 大吨位耐张串设计

现阶段三维设计均聚焦于导线的仿真模拟[9]，而忽略了大吨位耐张串的影响。本文利用三维技术完成大吨位耐张串算法的研究，进行弧垂模拟开发，考虑大吨位耐张串对弧垂的影响如图10所示，避免三维场景中由于耐张串弧垂误差(档中弧垂误差可达1～2m)导致交跨、对地不足的问题。

图10 大吨位耐张串考虑弧垂对比

4 BIM三维正向设计在施工中的应用

现阶段三维技术应用于线路施工，主要偏向于管控系统的布置[10]或预警算法的提升[11]，而忽略施工模拟的开发。本文对三维组塔和施工辅助进行了三维模拟。

4.1 三维组塔模拟

特高压电力线路经常需要临近带电线路组塔，利用三维场景进行杆塔组立吊装模拟，对临近带电线路进行距离测量如图11所示，动态分析抱杆横担的旋转角度如图12所示，进行风险辨识和管控，保证施工安全。

图11 近电作业测量

图12 抱杆旋转角度分析

4.2 施工辅助措施模拟

进行现场施工模拟开发，通过对虚拟施工材料、机具与人员进行模拟布置，进行风险辨识和管控，指导施工单位对跨越架、封网、牵张场地进行布置，并使设计方案更加具有可操作性、避免现场无法施工导致设计变更如图13所示。

图13 施工辅助措施模拟

5 BIM三维正向设计在移交运维中的应用

完成特高压线路工程三维数字化移交并出具分析报告，形成行业三维正向设计的标准化要求并推广，服务于后续运维等环节，提升特高压线路工程管理质量。目前，此标准已应用于白鹤滩—浙江±800kV 特高压直流输电线路等工程中，并将推广于后续的金上—湖北、宁夏—湖南、哈密—重庆等一系列特高压工程。

6 结语

文章梳理了三维正向设计协同作业流程与三维正向设计控制和校审流程，并介绍了基于BIM三维正向设计，在勘测、设计、施工、移交运维各阶段的应用优势，极大提高了输电工程的设计质量。但同时三维正向设计也增加了设计的工作量和设计周期。现阶段在三维设计过程中，会遇到平台缺陷、功能不足和工作效率的因素，一定程度上影响了正向设计的推进。

为解决需求与现状效率之间的矛盾，建议着重解决三维设计数据准备工作量大、功能不足、设计效率低等影响设计人员三维正向设计积极性不高的问题，使三维正向设计行为由外部推动变成设计人员的主动行为，真正发挥三维设计在提高设计质量、提升设计效率方面的作用。