李　艷，孟　毓，蔡龍晟，毛峻青

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上?！?00025)

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電纜三維信息模型研究及其應(yīng)用

李艷，孟毓，蔡龍晟，毛峻青

(上海電力設(shè)計(jì)院有限公司，上海200025)

摘要：在分析電纜工程信息模型組成的基礎(chǔ)上，結(jié)合500 kV虹楊輸變電工程電纜敷設(shè)實(shí)際情況，提出了電纜三維信息模型在工程中的具體應(yīng)用方案，主要從協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢查及出圖研究方面展開論述。電纜三維信息化模型的應(yīng)用，可大大節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)間成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)變更帶來(lái)的損失。

關(guān)鍵詞：電纜；信息模型；三維；協(xié)同設(shè)計(jì)；碰撞檢查；出圖

對(duì)于電纜線路工程，由于其隱蔽工程的特性，對(duì)于地下管線的布置以及定位有著很高的要求，傳統(tǒng)的二維設(shè)計(jì)，只能處理平面上的信息，無(wú)法直觀展現(xiàn)地下管線的空間布置，在具體工程中往往具有較大的局限性，容易造成工程成本的極大浪費(fèi)[1]。

近年來(lái)，伴隨著數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究與應(yīng)用，三維設(shè)計(jì)技術(shù)開始應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。采用信息模型的電纜三維設(shè)計(jì)，最大的優(yōu)勢(shì)在于能將設(shè)備的尺寸、布置、位置等信息都存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中，并在三維平臺(tái)中得到直觀、準(zhǔn)確的表現(xiàn)[1]。此外，各專業(yè)設(shè)計(jì)均處于同一個(gè)設(shè)計(jì)平臺(tái)，每次本專業(yè)設(shè)計(jì)成果有新的進(jìn)展時(shí)，都能在三維環(huán)境中與其他專業(yè)進(jìn)行碰撞校驗(yàn)，可極大地提高設(shè)計(jì)精度和效率。

目前電力系統(tǒng)內(nèi)對(duì)架空線路的三維設(shè)計(jì)已經(jīng)有應(yīng)用，尤其是特高壓工程，均達(dá)到了三維設(shè)計(jì)和數(shù)字化移交的要求[2]，但對(duì)于地下電纜線路工程，如何實(shí)現(xiàn)信息模型的三維設(shè)計(jì)，保證數(shù)字化設(shè)計(jì)成果在后續(xù)運(yùn)維管理中的進(jìn)一步應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外目前的相關(guān)研究成果較少。本文基于工程實(shí)例，對(duì)電纜工程信息模型的組成進(jìn)行分析，并開展電纜工程信息模型應(yīng)用研究，從協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢查及出圖研究等方面展開論述。

1電纜工程信息模型組成

1.1電纜工程屬性信息模型

對(duì)于電纜線路工程，要實(shí)現(xiàn)三維數(shù)字化建模，首先需明確地理信息、電系參數(shù)、建筑信息模型(BIM)三個(gè)要素，將這些要素聯(lián)系起來(lái)就形成了較為完善的三維數(shù)字化輸電線路的概念。

(1)地理信息系統(tǒng)(GIS)模型數(shù)據(jù)量。GIS的部分信息可納入測(cè)繪信息，包含明確的路名、圍墻、周邊建筑情況、進(jìn)出線等息。

(2)電網(wǎng)地理接線數(shù)字化模型。為保證現(xiàn)有計(jì)算機(jī)技術(shù)能順利開啟對(duì)大面積地區(qū)的大量模型，應(yīng)盡可能縮減模型本身幾何參數(shù)，對(duì)于線路中的設(shè)備、構(gòu)件(幾何塊表現(xiàn))等設(shè)施則采用適量數(shù)據(jù)進(jìn)行描述。模型本身包含GIS三維數(shù)字化地圖，線路中各種設(shè)備均包含詳細(xì)的地理坐標(biāo)。

(3)線路數(shù)字化設(shè)備模型。根據(jù)線路設(shè)計(jì)參數(shù)，通過(guò)整理完整錄入數(shù)字化模型，使信息量更完整。

數(shù)字化參數(shù)模型包含項(xiàng)目的不同建設(shè)階段所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)類型，設(shè)備可根據(jù)項(xiàng)目進(jìn)度及移交方等進(jìn)行分時(shí)分地管理，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)后處理產(chǎn)生多元化應(yīng)用，如：全壽命周期管理、物資采購(gòu)、數(shù)據(jù)調(diào)閱等。

1.2電纜工程的專業(yè)分類

電纜線路工程的專業(yè)分類如表1所示。

表1　電纜線路工程專業(yè)分類表

1.3主要電氣設(shè)備信息模型

電纜工程的設(shè)備信息模型大致分為電氣部分、土建部分。其中，電氣部分包括電力電纜、電纜終端、電纜中間接頭、夾具等；土建部分包括隧道、隧道井、電力排管頂管、工井、電纜溝、電纜支架、埋件等。本文以電力電纜及其附件為例，討論電纜工程中主要電氣設(shè)備的信息模型組成。

1.3.1電力電纜信息模型組成

電力電纜的信息模型主要考慮以下幾方面電纜參數(shù)：電壓等級(jí)、結(jié)構(gòu)技術(shù)參數(shù)、電氣技術(shù)參數(shù)、非電氣技術(shù)參數(shù)，如表2所示。

表2　電力電纜信息模型參數(shù)

1.3.2電纜附件信息模型組成

(1)電纜終端。電纜終端是安裝在電纜未端用以保證電纜線路與電力系統(tǒng)其他部分連接，并保持絕緣至連接點(diǎn)的裝置。電纜終端信息模型的搭建，應(yīng)綜合考慮該電纜終端所處的位置以及對(duì)于將來(lái)施工以及檢修人員運(yùn)行維護(hù)的便利性，有選擇性地挑選模型儲(chǔ)存的各項(xiàng)參數(shù)。模型記錄參數(shù)的選擇應(yīng)按照電纜終端的詳細(xì)分類進(jìn)行，盡可能多地區(qū)分不同形式的電纜終端類型。電纜終端按照使用場(chǎng)所、所用材料或連接的設(shè)備不同，可分為戶內(nèi)終端、戶外終端、環(huán)氧電纜終端、熱縮電纜終端、冷縮電纜終端、預(yù)制電纜終端、象鼻電纜終端以及氣體絕緣金屬封閉電器(GIS)電纜終端等。另外需注意，雖然GIS電纜終端在實(shí)際的變電站中是隱藏在GIS本體的內(nèi)部，在外部不可見的，但是在進(jìn)行信息模型的建立時(shí)，依然應(yīng)該建立完整的電纜終端的形狀模型，標(biāo)注準(zhǔn)確的尺寸，以便于施工時(shí)的安裝和今后的運(yùn)維檢修，其對(duì)于模型的后續(xù)使用者全面了解該電氣設(shè)備的結(jié)構(gòu)是十分必要的。

(2)電纜接頭。電纜接頭是安裝在電纜與電纜之間，使之形成連續(xù)電路的裝置，有些電纜接頭還同時(shí)具有其他功能。電纜接頭按使用功能可分為電纜直線接頭、電纜絕緣接頭、電纜塞止接頭、電纜過(guò)渡接頭、電纜分支接頭、電纜軟接頭等。電纜接頭的絕緣設(shè)計(jì)按電纜的結(jié)構(gòu)不同可分為油浸紙絕緣電纜接頭和擠包絕緣電纜接頭的絕緣設(shè)計(jì)。在電纜中間接頭的建模過(guò)程中，應(yīng)充分考慮電纜接頭的屬性信息與其所連兩段電纜屬性的協(xié)調(diào)和配合，例如連接兩段電纜的截面等。

(3)電纜夾具。電纜夾具是用來(lái)固定電纜的一種裝置，安裝在電纜支架上，通過(guò)將電纜套在環(huán)內(nèi)進(jìn)行固定，一般由金屬制成。電纜夾具的信息模型一般需要記錄電纜夾具的尺寸、材質(zhì)以及生產(chǎn)廠家等。由于電纜夾具屬于電纜的附件，且不涉及電氣一次部分，對(duì)其模型的細(xì)致程度要求不高。在盡量節(jié)省計(jì)算機(jī)內(nèi)存、加快顯示效率的情況下，在形狀建模時(shí)，對(duì)其圓弧狀的外表面進(jìn)行折線化處理，并將螺栓等細(xì)小部件一并融入同一個(gè)實(shí)體中。這樣，既不影響電纜工程整體建模準(zhǔn)確度，又可以大大提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算和顯示的速度。這種差異化的建模方式，可以提高模型的利用率，其他類似的電氣設(shè)備在建模時(shí)，也可以參考這種思路。

2電纜三維信息模型應(yīng)用

2.1電纜三維信息模型應(yīng)用背景

500 kV虹楊輸變電工程電纜部分包括500 kV楊行變電站-500 kV虹楊變電站兩回500 kV進(jìn)線，全線采用隧道電纜敷設(shè)，同時(shí)預(yù)留第三回500 kV電纜進(jìn)線。本期220 kV出線6回，遠(yuǎn)期220 kV出線21回。本工程涉及的隧道內(nèi)敷設(shè)電纜數(shù)量眾多，且均為220 kV及500 kV等級(jí)電纜，此外考慮到隧道內(nèi)需要設(shè)置高壓電纜接頭[3-5]，有必要依據(jù)隧道實(shí)際情況對(duì)電纜進(jìn)行信息模型的建模。

傳統(tǒng)的二維電纜工程設(shè)計(jì)在電纜密布的虹楊變電站內(nèi)顯現(xiàn)出了顯著的缺陷，主要體現(xiàn)在電纜工程的設(shè)計(jì)階段、施工階段以及運(yùn)行維護(hù)的管理階段等方面。

(1)對(duì)于虹楊工程的設(shè)計(jì)而言，由于電纜層內(nèi)電纜數(shù)量眾多，特別是在虹楊站北側(cè)與隧道接通的工井部分，包括500 kV及220 kV在內(nèi)所有進(jìn)出線電纜均需要通過(guò)虹楊站北側(cè)工井進(jìn)而敷設(shè)至相應(yīng)電纜隧道或排管內(nèi)，設(shè)計(jì)工作對(duì)細(xì)節(jié)要求高，有必要將所有進(jìn)出線規(guī)模進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃與設(shè)計(jì)，避免電纜與電纜之間、電纜與建筑設(shè)備之間的碰撞，同時(shí)需要兼顧電纜在站內(nèi)的敷設(shè)滿足電纜彎曲半徑等要求。若采用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方法，由于電纜數(shù)量多，站內(nèi)情況復(fù)雜，設(shè)計(jì)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大工作量，拖延設(shè)計(jì)周期。三維信息化模型的設(shè)計(jì)方法則能夠?qū)⒃O(shè)備的型號(hào)、尺寸以及布置均存放在數(shù)據(jù)庫(kù)中。并在三維平臺(tái)得到直觀、準(zhǔn)確的表現(xiàn)。在以虹楊工程為代表的電纜工程中使用信息模型對(duì)于設(shè)計(jì)過(guò)程中的精細(xì)化、準(zhǔn)確化要求有著重要的意義。

(2)在施工階段，虹楊變電站為地下變電站，涉及專業(yè)多，專業(yè)間接口復(fù)雜，為了便于施工管理，采用三維信息化模型設(shè)計(jì)可以直接進(jìn)行數(shù)字化移交，使管理者和其他相關(guān)工作人員能夠真實(shí)、直觀、全面地了解工程建設(shè)情況，綜合管理各單位的信息，提高管理水平。

(3)在工程建成投運(yùn)以后，由于三維信息化模型的應(yīng)用，管理單位可以直接依托工程信息模型對(duì)各種信息資源進(jìn)行深層次、多元參數(shù)融合、協(xié)同處理，實(shí)現(xiàn)“電力流、信息流、業(yè)務(wù)流”的高度一體化融合。

綜合分析可知，在500 kV虹楊輸變電工程中應(yīng)用信息模型對(duì)設(shè)計(jì)、施工以及運(yùn)行管理均有著重要意義。

2.2電纜工程的協(xié)同設(shè)計(jì)

虹楊站電纜層的建筑部分由變電建筑專業(yè)完成，相關(guān)設(shè)備布由變電電氣專業(yè)完成，電纜層內(nèi)電纜布置由送電電氣專業(yè)完成。根據(jù)設(shè)計(jì)流程，首先由變電建筑向變電電氣專業(yè)提資，完成電氣布置后，向送電電氣專業(yè)提資，最后完成電纜的敷設(shè)布置。

考慮電纜層內(nèi)電纜多、敷設(shè)密集等特點(diǎn)，采用電纜層內(nèi)走電纜溝的形式，既開辟了電纜專用通道用于高壓電纜敷設(shè)，又節(jié)省了寶貴的站內(nèi)空間與人行檢修通道，如圖1所示。

圖1　虹楊站內(nèi)電纜層布置

本次虹楊站內(nèi)電纜布置，通過(guò)利用電纜三維信息模型設(shè)計(jì)，獲得了更精準(zhǔn)的電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)成果，并保證電纜在滿足彎曲半徑要求的前提下，不與電纜層內(nèi)其余結(jié)構(gòu)發(fā)生沖突。借助協(xié)同設(shè)計(jì)功能，若干處電纜布置沖突點(diǎn)被發(fā)現(xiàn)，電纜層內(nèi)電纜與電纜層樓面沖突示意圖如圖2所示。

圖2　虹楊電纜層內(nèi)電纜與電纜層樓面沖突示意圖

根據(jù)原電纜溝與電纜層交接處變電建筑設(shè)計(jì)，電纜溝與電纜層交界處均為直角溝槽，通過(guò)電纜敷設(shè)可以發(fā)現(xiàn)，原方案下電纜無(wú)法保證順利從電纜溝內(nèi)敷設(shè)至電纜層，原變電建筑設(shè)計(jì)需改進(jìn)優(yōu)化。通過(guò)協(xié)同設(shè)計(jì)，送電電氣專業(yè)與變電建筑專業(yè)及時(shí)發(fā)現(xiàn)了該矛盾，并通過(guò)在相關(guān)位置留有坡度和倒角，解決了該問(wèn)題，避免了施工階段的設(shè)計(jì)變更。

2.3電纜工程的碰撞檢查

在虹楊站站內(nèi)模型中運(yùn)行管道與管道之間的碰撞沖突檢查，顯示出存在3處沖突，并可以生成HTML版本的報(bào)告文本指導(dǎo)相關(guān)的沖突修正，如圖3所示。根據(jù)沖突報(bào)告完成修改后，運(yùn)行碰撞檢測(cè)，可以看到如圖4所示的碰撞檢測(cè)結(jié)果，表明三維模型中的碰撞得到有效調(diào)整。

圖3　虹楊站站內(nèi)碰撞檢查

圖4　解決沖突后運(yùn)行碰撞檢查結(jié)果

在虹楊站電纜層的電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)方式，能有效的將站北側(cè)工井內(nèi)、隧道接口處、站內(nèi)穿越電纜孔處的電纜排布直觀地顯示出來(lái)，方便設(shè)計(jì)及校審人員進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)。相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)，在多回?cái)?shù)電纜的敷設(shè)設(shè)計(jì)中，三維設(shè)計(jì)方法能夠最大程度的避免電纜敷設(shè)過(guò)程中的碰撞，提高設(shè)計(jì)成品質(zhì)量。

2.4電纜工程的出圖研究

出圖階段，現(xiàn)階段的出圖有俯視圖及斷面圖，針對(duì)不同專業(yè)和較復(fù)雜設(shè)計(jì)布置還應(yīng)有立面圖，其中還包括了變電站內(nèi)支吊架和電纜豎井的示意圖，這樣出圖較復(fù)雜，一致性不是很好，在標(biāo)注方面都需要手動(dòng)設(shè)置，增加了工作量。三維設(shè)計(jì)體現(xiàn)了立體層次的優(yōu)點(diǎn)，能自動(dòng)化、智能化出圖，三維出圖能更方便的從各個(gè)角度來(lái)截取模型，保持較好的一致性，并能自動(dòng)在超過(guò)多少間距的時(shí)候進(jìn)行距離標(biāo)識(shí)。平臺(tái)導(dǎo)出的虹楊變電站立體視圖如5所示。

圖5　平臺(tái)導(dǎo)出的虹楊變電站立體視圖

虹楊500 kV電纜敷設(shè)在隧道內(nèi)，由于500 kV電纜接頭大，重量重，同時(shí)考慮電纜以及同軸電纜的彎曲半徑，需要對(duì)電纜接頭區(qū)進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)方式下，接頭區(qū)內(nèi)的電纜、接地箱、同軸電纜、接地線等布置只能依靠CAD平面圖。平面圖與實(shí)際三維空間的轉(zhuǎn)換對(duì)設(shè)計(jì)人員提出了較高要求。利用電纜的三維信息模型設(shè)計(jì)可以對(duì)接頭區(qū)進(jìn)行三維設(shè)計(jì)，每個(gè)零部件均能夠單獨(dú)建模并組建安裝。在完成設(shè)計(jì)后，可以方便的利用三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行出圖。

特別的，接頭區(qū)內(nèi)電纜及其附件呈三維布置，不能簡(jiǎn)單地利用平面圖、立面圖將設(shè)備的相對(duì)位置進(jìn)行準(zhǔn)確描述。根據(jù)接頭區(qū)的不同位置，需要設(shè)置不同剖面，進(jìn)行分別出圖，準(zhǔn)確描述在不同空間位置上的電纜敷設(shè)情況以及附件安裝要求。針對(duì)上述要求，可以利用三維設(shè)計(jì)軟件中的剖面功能，其能夠按要求對(duì)不同剖面位置，不同剖面深度進(jìn)行出圖，保證了圖紙信息的完整性與準(zhǔn)確性，也便于施工人員按圖進(jìn)行施工。隧道內(nèi)電纜接頭區(qū)的三維、平面視圖如圖6所示。虹楊隧道內(nèi)接頭區(qū)剖面示例如圖7所示。

圖6　隧道內(nèi)接頭區(qū)的三維、平面視圖

圖7　虹楊隧道內(nèi)接頭區(qū)剖面示例

相較于傳統(tǒng)二維CAD制圖，由三維模型導(dǎo)出的二維圖紙具有更高的準(zhǔn)確度，也極大地節(jié)省了出圖時(shí)間，同時(shí)具有更高的可讀性，便于對(duì)施工人員進(jìn)行施工指導(dǎo)。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)在500 kV虹楊輸變電工程中應(yīng)用電纜三維信息模型技術(shù)和三維設(shè)計(jì)技術(shù)，較好地解決了城市電力電纜二維設(shè)計(jì)存在的弊端，提高了工程建設(shè)的質(zhì)量和效率。

(1)對(duì)電纜工程中工程屬性信息、電纜線路工程的專業(yè)分類、主要電氣設(shè)備信息模型組成分別進(jìn)行了分析研究。

(2)采用電纜三維信息模型技術(shù)和三維設(shè)計(jì)技術(shù)，利用三維設(shè)計(jì)軟件的協(xié)同設(shè)計(jì)特性，以往專業(yè)間因提資交流不暢導(dǎo)致的設(shè)計(jì)差錯(cuò)能夠在設(shè)計(jì)階段及時(shí)地被發(fā)現(xiàn)并改正，避免了在施工過(guò)程中再發(fā)現(xiàn)問(wèn)題而變更費(fèi)用，進(jìn)而提高了工程質(zhì)量。

(3)碰撞檢查是協(xié)同設(shè)計(jì)過(guò)程能否有效實(shí)施的關(guān)鍵因素，確保多專業(yè)之間協(xié)作能更有效進(jìn)行。在虹楊變電站電纜層的電纜敷設(shè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，運(yùn)用三維設(shè)計(jì)方式，能有效的將電纜的排布直觀地顯示出來(lái)，方便設(shè)計(jì)及校審人員進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)。相較于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)，三維設(shè)計(jì)方法能夠最大程度的避免電纜敷設(shè)過(guò)程中的碰撞，提高設(shè)計(jì)成品質(zhì)量。

(4)三維出圖能更方便的從各個(gè)角度來(lái)截取模型，保持較好的一致性，并能自動(dòng)在超過(guò)多少間距的時(shí)候進(jìn)行距離標(biāo)識(shí)。相較于傳統(tǒng)二維CAD制圖，由三維模型導(dǎo)出的二維圖紙具有更高的準(zhǔn)確度，也極大地節(jié)省了出圖時(shí)間，同時(shí)具有更高的可讀性，便于對(duì)施工人員進(jìn)行施工指導(dǎo)。

(5)電纜三維信息化模型的應(yīng)用，可大大節(jié)省設(shè)計(jì)的時(shí)間成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，減少設(shè)計(jì)變更帶來(lái)的損失。

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(本文編輯：趙艷粉)

Research and Application of Cable Three-Dimensional Information Model

LI Yan, MENG Yu, CAI Long-sheng, MAO Jun-qing

(Shanghai Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200025, China)

Abstract:Based on the analysis of cable engineering information model, as well as the actual cable laying situation of 500 kV Hongyang power transmission and transformation project, this paper proposes the application scheme of cable 3D information model in the engineering project, mainly from the perspective of collaborative design, the collision check and layout research. The application of Cable 3D information model can greatly shorten design time, improve the design quality and reduce the cost of design change.

Key words:cable; information model; three-dimension; collaborative design; collision check; layout

DOI：10.11973/dlyny201602007

作者簡(jiǎn)介：李艷(1984)，女，工程師，主要研究方向?yàn)楦邏狠旊娋€路設(shè)計(jì)和技術(shù)研究。

中圖分類號(hào)：TD67;TU17

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：2095-1256(2016)02-0184-05

收稿日期：2015-12-07