三维数字化设计技术在输变电工程中的应用研究

李明臻，路 翎

（1.广东电网有限责任公司广州供电局，广东 广州 510000；2.国网山东省电力公司经济技术研究院，山东 济南 250001）

0 引言

近年来，输变电工程建设规模逐渐扩大，输电线路沿线情况日趋复杂，工程设计过程中面临的问题也越来越多，仅靠图纸、文档传递信息的传统设计技术难以全方位、无死角地展现输变电设备的结构及施工过程中的安装效果，经常出现设备基础与设备不匹配、设备间隔距离不足等问题。从输变电工程的全寿命周期来看，设计、施工、运维三个阶段难以实现无缝衔接，信息断层问题突出，影响输变电工程的建设质量及后续运维的管理质效。

2010 年清华大学提出了基于建筑信息模型（building information modeling，BIM）的施工管理扩展模型，在建筑行业将数字化设计及其施工现场的三维模型与施工进度相结合，并与施工资源和场地布置信息集成在一起，为建筑行业数字化设计和后续生命周期成果交互指明了方向［1-3］。技术的进步和智能电网建设的加速推进对输变电工程全生命周期数字化建设提出了迫切要求。

2016年输变电工程三维设计方面的标准陆续发布，明确了三维模型的设计精度、交互性、设计软件及数字化移交过程的规范性，同时，根据输变电工程数据的特点，对数据存储、管理与施工、运维场景的结合等进行优化［4-7］。

自2019 年三维设计技术在输变电工程设计中开始逐步应用，由于设计单位、设备供应商对建模方法、建模深度等掌握和理解的程度不同，存在建模深度不一致、建模标准不统一、模型复用程度低等问题。设计单位获取通用三维模型困难及重复建模问题严重，耗费大量的人力和财力，施工图阶段的三维模型外形尺寸与现场实际设备不一致，严重制约了三维设计的推广应用［8-10］。

近年来三维数字化设计技术发展迅速，但从工程实际应用来看，还存在一些问题。一是技术标准不完善，已发布的技术标准不能满足输变电工程设计的需要［11］，另外，三维数字化设计在施工、运维阶段的应用还缺乏相应的技术标准。二是数字化平台专业协同不够紧密，各专业、各阶段的设计在各自独立的系统中进行，形成孤立的数字空间，无法实现数据共享，降低了三维数字化设计技术的应用效率［12］。

针对目前在三维数字化设计技术推广应用过程中发现的问题，构建三维协同设计平台，利用模型的标准化和共享化来解决模型复用程度不高、模型精度不足等问题，提升三维数字化设计的质量，拓宽、深化三维数字化设计的应用领域。

1 三维协同标准化和共享化设计

1.1 三维协同设计平台构建

三维协同设计平台的构建紧密结合输变电工程设计技术及管理需求，采用两级部署的方式，建立涵盖设计技术管理单位、设计单位的三维协同设计平台，实现各设计单位设计平台的设计资源高效管理和共享，降低采购和管理成本，实现不同业务间的协同处理。在设计技术管理单位部署1 台数据中心服务器，在各设计单位分别部署1 台子服务器，实现三维设计资源共享和全过程、标准化管控。

三维协同设计平台利用信息技术实现指定范围内的三维模型的传输与共享，通过网络部署和介质访问控制地址关联，将地方库与标准库建立关联，可实现地方库与标准库的数据互通，进行标准库数据的下载和上传操作。

设计技术管理单位要对构建的区域共享使用的标准库进行维护和滚动更新，发布典型设计方案和设备模型，同时对提交的方案和模型进行校审，校审通过后即可实现三维数据的共享，供设计人员下载使用。

1.2 三维设计标准化

针对建模标准不统一、模型复用程度低等问题，建立通用的工程和设备模型库。设计人员可调用标准模型库并进行自适应调整，实现三维设计的规范化和标准化，达到提升三维数字化设计质量的目的。

三维模型建模标准满足输变电工程初步设计、施工图设计及竣工图设计深度的要求。三维模型分为通用模型和产品模型。通用模型适用于初步设计阶段，建模精度应符合初步设计范围及设计深度的规定。产品模型适用于施工图和竣工图设计阶段，在施工图设计阶段，在通用模型的基础上进一步明确设备、设施的安装部件尺寸、设备端子板的实际尺寸等信息。以基本图元为基础进行电气设备三维模型构建。基本图元是指三维建模时使用的最小基本图形单元，例如长方体、球体、圆柱、圆环、圆锥、棱台等，对基本图元进行组合、拼接即可得到所需模型。设备、设施的三维模型包含几何信息和属性信息，模型尺寸以毫米为单位，并按1∶1 的比例建模，三维模型的信息应满足数字化移交的要求。

1.3 三维设计通用模型库构建

通过对输变电工程建模的基本概念、建模规范的有关规定、专用几何体以及设备层级和类型的研究，建立适合输变电工程施工、移交、运维等各个阶段的三维模型［13］。建模时参照模板，按照相关规程的要求及工程实际情况进行建模，设置模型的材料属性，并分类录入数据库，以便建立通用模型库，方便后期的共享。

1.4 建立知识库管理机制

设计单位积累了丰富的设计经验，通过建立知识库管理机制，可实现这些设计经验的共享，并能够将施工阶段的信息反应到模型属性中，可提高设计效率，推进设计标准化建设。知识库主要由设备库、规则库和典型设计库组成。

设备库的管理不完全依赖于图形平台（CAD 和Revit）。设备库除可以保存设备的属性信息外，还支持存储多种格式的三维模型，设备的安装图和安装材料等信息也放在设备库中进行管理。库中的每个设备都绑定设备的属性、外形、安装图、安装材料等信息，实现数据的统一管理、同步更新。

规则库对设计过程中的各种标准进行统一管理。规则的内容大致分为两种：一种是通用规则，主要包括材料统计样式、线型字体、编码方案、卷册方案、工程属性等；另一种是专业模块设计条件的管理，例如电缆敷设容积率、材料统计裕量、间隔出图标注方案、电气校验距离等［14］。通过这些设置，满足设计方案多样性的要求。在限定这些条件的同时，考虑到输变电工程的复杂性，规则库支持在工程中单独配置规则，既可以参照公共规则，也可以根据工程需要自定义规则，而不影响其他工程。

利用典型设计库可实现典型工程的复用、典型装置和方案的复用以及规程规范的管理。

2 三维数字化设计技术的深化应用

2.1 输变电工程设计领域

1）依托三维数字化设计技术开展设计交底工作。在三维设计模型中关联强制性条文、标准工艺、反事故措施、质量通病防治措施等关键信息，辅助施工单位在作业前进行安全、质量技术交底。利用BIM 技术将传统的二维技术交底转化为三维可视化技术交底，与传统纸质交底相比明显提升交底效率和质量。利用三维设计成果实现线路基础施工、铁塔组立、架线，变电站构架、主变压器、地理信息系统（geographic information system，GIS）施工安装模拟推演。利用三维模型和GIS技术，通过放大GIS地图可详细查看每座杆塔的结构及杆塔的基本信息，以可视化的形式提取并展示现场牵引机、张力机等设备的智能监测动态数据。实现设备吊装、与带电设备的距离等安全风险管控［15］。

2）依托三维设计成果进行输变电工程施工全景仿真，提升施工质量。采用三维可视化手段直观展示推演工程进度，辅助编制施工进度计划，解决传统进度控制技术中出现的各单项计划间逻辑顺序错误造成进度拖延等问题，辅助优化工期。通过与施工计划结合，可按月、周、天直观展示工程进度计划，智能分析工程计划进度与实际进度的偏差，当出现偏差时能够及时发布预警信息，实现输变电工程施工过程的精细化管理。

3）依托三维模型数据进行输电线路数字化辅助验收。开展基于激光点云和三维模型的线路关键距离测量比对技术研究，利用激光点云技术实现软跳线电气间隙、耐张塔预偏值、导线和地线弧垂、杆塔转角、杆塔全高、杆塔呼高、导线相间距离、导线与地线间的最小距离等线路关键参数的自动测量，并与三维模型进行自动比对分析。

2.2 智能评审领域

目前对三维设计成果的查看、分析、评审多采用人工手动交互方式，评审人员依据有关设计标准进行手动测量、验算，无法形成完整的自动化管理流程，缺少有效的三维辅助评审工具，效率低。基于三维GIS 的输变电工程设计辅助评审系统，能够实现智能化的三维辅助评审功能，将功能进一步扩展可实现工程设计文档的质检、三维模型在线质检、设计成果专题分析等辅助评审功能。

基于三维GIS 的输变电工程设计辅助评审系统，可实现工程地理信息数据管理、工程设计数据管理、三维展示与地理分析的三维智能辅助评审，有助于输变电工程数据共享和数据效益挖掘。该系统可智能化辅助工程设计评审，实现各阶段设计数据采集标准化、数据分析自动化，为工程评审提供准确、可靠的依据，提高评审效率，节约人员成本。

1）实现地理信息数据、电网数据、地质数据、倾斜摄影数据等多源数据的可视化管理，实现对多源数据多维度的统计分析，以及良好的三维轻量化展示效果，并在此基础上为辅助设计提供全面的数据支撑。通过建立数据库，将设备参数存储在设备数据库中，将各种设备的图形存储在设备图形库中，将变电站的整体平面信息、区间信息和采用的设备参数存储在变电站数据库中，能够准确计算材料用量，特别是管道和电缆的长度，实现有效的成本控制［16］。

2）根据三维设计成果的评审流程、内容、标准和要点，建立三维地理信息系统，利用高清影像和数字地面模型，结合污染、冰区、天气、地震烈度等各类专题数据，综合展示工程初步设计考虑的各种因素，辅助评审专家快速发现设计缺陷，实现三维设计评审的电子化、共享化、标准化、协同化、智能化、过程化，减少评审工作量，提升评审效率。

3）结合GIS数据和三维模型，提高输变电工程基础地理数据、输变电工程设计数据的综合管理水平，三维设计成果的评审由人工评审转变为智能评审，评审效率提高约40%，准确发现设计缺陷，移交效率提高约50%，减少相关人员的工作量，提升管理质效。

3 工程设计案例及应用成效

3.1 工程设计案例

以某220 kV 输电线路工程为例，具体工程设计概况如表1所示。

表1 某220 kV输电线路工程设计概况

基于倾斜摄影三维建模技术进行线路路径实景建模，线路路径宽度为100 m，建模精度为5 cm，现场拍摄照片7000 余张。基于倾斜摄影构建的三维模型能够直观、真实地反映线路通道的情况，提升线路路径的选择及优化效率。

设计过程中基于三维协同设计平台进行路径选择，依据平台提供的线路走廊的地理信息与路径协议要求，确定路径方案。根据路径方案进行杆塔预排位，加载杆塔模型、金具串模型、接地装置模型、防振锤模型等，并自动赋予相关参数，计算杆塔指标。发挥三维协同设计平台选线、排位及校验的优势，对实景模型进行实时调整，确保最终的设计方案安全可靠、经济合理。

3.2 应用成效分析

利用本文提出的三维协同设计平台及三维通用设计模型库，高效完成了该输电线路的设计工作。以三维协同设计平台为核心，以三维通用设计模型为基础，以高精度倾斜摄影三维模型为依据，实现协同作业及各专业、各阶段的深度融合。

从初步设计阶段的成果与可研方案的比较来看，利用三维数字化设计技术对路径方案进行优化后，减少跨越铁路1 次，有利于电网和铁路运行的安全；优化转角塔1 基，优化直线塔2 基，节省投资约30 万元。

4 结语

三维数字化设计技术在输变电工程设计中得到广泛应用，但其标准化程度还有待提升。构建三维协同设计平台，形成覆盖各电压等级的标准化、模块化的三维设计成果，有利于三维数字化设计技术在输变电工程设计、评审、施工等领域发挥其技术优势，对提升输变电工程设计质量和管理质效具有积极意义。同时三维数字化设计技术替代传统设计手段也是智能电网发展、建设的必然趋势。下一步科研单位和设计单位可在更深层次上发掘其价值，例如在全过程机械化施工、输变电设备应急抢修等方面的深化应用，服务电网高质量发展。