输电线路杆塔三维数字化精确模型构建方法和应用

国网江苏省电力有限公司经济技术研究院 戴 亚 李伯颐 张 楠

建筑信息模型化（BIM）技术随着计算机硬件和技术的发展和建筑行业的实际需求而蓬勃发展，目前已进入建筑、水电、石化等行业的应用阶段。BIM 技术实际运用的目标是充分融合规划、设计、深化、加工、施工、运维等各阶段输入、输出信息，使各专业基于同一个模型进行工作，充分实现信息共享、三维集成和协同设计，提高生产效率、保证工程质量、节约成本、缩短工期[1]。但电力输电线路行业对BIM 技术运用还处于起步探索阶段，实际工程运用也仅是作为施工和加工时的一种辅助措施。建立全线路完整的三维数字化模型，从而实现工程地理信息与设计、建设成果资料的数字化仿真三维集成系统与可视化管理，以便于设计、管理与运维人员尽可能及时、全面、直观地查看工程相关信息，还需行业推进[2]。

1 输电线路工程三维数字化精准模型的重要性及现状

构建新型电力系统，数字化是重要途径，在能源化的未来，以三维数字化精准模型构件为基础，建设坚强智能电网枢纽平台，是提高运维管理、提升安全管理、优化规划设计、降低成本等方面的重要手段。但就目前而言，电力行业从业人员对于BIM 认识不足、BIM 标准未建立、软件功能与应用需求差距较大，也是三维数字化推行缓慢的原因。

1.1 输电线路工程三维数字化精准模型的重要性

输电线路杆塔数字化精准模型是指通过数字化建模技术将现实中的输电线路杆塔的形态、尺寸、位置等信息进行数字化处理，从而构建出精确的三维模型，以供线路杆塔的运维管理、安全管理、规划设计等方面的应用。其重要性主要表现在以下几个方面。

第一，提高运维管理水平：通过数字化模型，让数据可视化，使运维人员可以实时掌握杆塔的位置和状态信息，有助于实现对输电线路的快速响应和优化管理，提高设备的使用效率和可靠性。第二，提升安全管理水平：数字化模型能够实现对杆塔的精确定位和识别，有助于发现并及时处理线路杆塔的隐患，提高运营安全性。第三，优化规划设计：数字化模型还能够为规划设计提供精准的数据参考，有利于确定杆塔的位置、高度，以及杆塔间距等参数，从而为输电线路的合理布局提供支持。在建设过程中，数字化模型还可以提供有效的施工方案，降低施工难度，缩短工期，从而节约时间和成本。第四，降低成本提高效率：数字化模型的应用能提高工作效率，降低管理成本，同时也有利于优化设备的使用和资源配置，从而进一步提高整个输电系统的运行效率和降低运行成本。

1.2 输电线路工程三维数字化精准模型现状

架空输电线路作为电力输送通道，在整个电网建设中体量巨大，如何解决架空输电线路BIM 模型的创建是BIM 技术在电力行业中推广应用必须面对的问题。目前，已有部分单位提出了自己的解决方案，如中国电力科学研究院开发的架空输电线路三维协同设计平台、北京道亨公司开发的道亨送电线路设计成果三维电子化移交平台和北京博超时代软件有限公司推出的TLD 数字化三维送电设计平台。其中，中国电力科学研究院和北京博超时代软件有限公司的平台主要侧重的是三维设计的过程，在三维模型、特别是铁塔的三维模型上均只有铁塔的三维实体框架，而无杆件间连接的节点板、螺栓和附属设施等零部件，在角钢的朝向上也比较随意，无法反映工程现场的实际情况；道亨公司的平台虽然在铁塔三维模型上面较前面两家有较大的优势，但是，在创建模型过程中和后期工程信息查询时需结合一系列道亨公司开发的多款软件，具有较大的局限性。其实，以上解决方案均是在满足国网数字化移交要求的基础上开发出来的产品，但在整体模型的精度和包含工程信息的广度上离真正的BIM 模型仍有较大的差距，同时，模型移交后若想在模型中补充工程相关信息、运行维护信息等也存在一定的困难，从而限制了模型在后续阶段的应用。

2 输电线路工程三维数字化精准模型创新思路

目前，利用三维GIS 的海量影像数据，DEM数据以及丰富的专题图数据，已实现对输电线路三维场景的模拟，虽然在精度上还有所欠缺，但已基本可以满足前期应用的需求；金具、绝缘串和铁塔基础涉及的零部件数量和工程信息相对较少，BIM 模型的创建相对简单，可用的软件也较多；唯有铁塔BIM 模型因其包含的零件数量多，空间构造复杂，目前已有的解决方案无论在模型的精度上还是在信息的完善程度上均无法满足后期应用的要求。为此，本公司于2013年开展了基于某钢结构详图设计软件的研究，该软件已经在土木工程、机械工程及能源工程得到了广泛运用[3]。为使其运用于铁塔BIM 模型创建，本公司进行了研究深入如下。

2.1 论证此软件创建铁塔BIM 模型的可行性

此软件含有丰富的钢结构材料、截面、螺栓等数据库，同时，具有完善的复杂空间碰撞校核功能，适用于各类钢结构精确三维模型的创建和出图；其自带的信息管理功能，能够快速、便捷地录入和维护工程规划、设计、加工、施工和运维等全寿命周期的各类信息；具备的强大的二次开发功能为其在各行各业的本地化应用提供了有力的技术支持。因此，利用此软件创建铁塔BIM 模型是可行的。

2.2 对此软件进行二次开发，实现铁塔BIM 模型的快速创建

铁塔计算软件（道亨、TTA）与此软件的接口程序开发：通过本接口程序，建模人员可以直接读取道亨或TTA 的模型数据和计算结果数据，在此软件中快速搭建铁塔三维实体框架，减少数据传递过程中错误发生的概率，达到提高建模效率的目的，如图1、图2所示。

图1 道亨-TTA 与此软件接口程序

图2 导入截面和效果

输电铁塔智能节点库开发：此软件提供了一套内置的智能节点库，但仅有少数几个适用于输电铁塔，为了快速、精确建模，要开发一套适用于输电铁塔的节点，如铁塔中常用的X 型节点、K 型节点等，如图3所示。

图3 开发的铁塔常用节点（部分）

图4 铁塔工程应用

图5 钢管杆工程应用

工程应用。利用此软件可快速精准地将模型的复杂部分处理剖析，并为后续加工及施工阶段增加便利。不仅如此，三维建模在工程中的实际应用，可为大跨越、钢管塔等复杂结构的输电线路项目顺利进行提供技术支持。此类塔形节点构造复杂，且连接构件数量较多，节点和构件的空间角度及布置形式也不规则，因此三维技术在工程中的应用，如快速建模、碰撞检查，并可以实现透视功能和创建任意切割面，以全面展现复杂节点的结构布置就显得至关重要。

通过本课题的研究和应用结果表明，利用此软件强大的二次开发功能和信息管理功能，完全能够实现铁塔BIM 模型的创建，同时，模型的精度和信息的完善程度也可满足后期应用的要求。

3 输电线路工程三维数字化精准模型展望

目前，电力行业BIM 应用大家普遍关注的焦点还停留在满足国网数字化移交的层面，随着行业软件的开发、改进和应用经验的积累，相信BIM 技术将被电力工程项目越来越多的环节所采用：在设计阶段实现各专业协同设计、模型硬碰撞和软碰撞校核、造价分析等，使设计工作变得更加合理、高效，减少施工阶段的变更；在施工阶段进行施工重点难点模拟、施工路径和场地规划、施工物料堆放地点布置、施工过程监控等，在保证施工质量和安全的前提下缩短施工工期，节约施工成本；在运行维护阶段结合先进的通信和传感技术，对已建项目的所有设备和零部件进行实时监测、对超过指标范围的设备进行提前预警，降低各类事故发生概率、快速定位故障具体位置（特别是对于一些隐蔽工程的故障监测），提高事故响应速度和故障抢修效率，减少经济损失[4]。

4 结语

BIM 技术的应用将电力行业从传统的基于图形的信息表达方式转变为基于模型的信息结构化管理和形象化展示方式，这是行业发展的必然趋势，其大大提高了工程项目的集成化和信息化水平，在控制项目成本、缩短施工工期、提高工程质量的同时为工程项目带来更安全、更低碳、更科学的管理手段。