李美峰，馮 勇，許 泳，黎 亮，黃 興

（西南電力設(shè)計院有限公司，四川 成都 610021）

0 引言

近年來，建筑信息模型化（Building Information Modeling，BIM）技術(shù)在建筑、水力、化工、石油等行業(yè)進入應(yīng)用階段，但在輸電線路行業(yè)尚處于探索階段。即使將BIM技術(shù)應(yīng)用于實際工程，也僅作為輔助施工和加工的一種手段。為建設(shè)智能電網(wǎng)，輸電線路行業(yè)正大力推進三維數(shù)字化設(shè)計，力求建立全線路完整的三維數(shù)字化模型，滿足工程全壽命周期管理的需要。

輸電線路模型主要包括鐵塔、基礎(chǔ)、金具、絕緣子串、導(dǎo)地線等設(shè)備設(shè)施等，其三維數(shù)字化模型中包含了豐富的數(shù)據(jù)信息，既可表達外形等幾何信息，又包含設(shè)備的屬性信息以及與關(guān)聯(lián)設(shè)備間的邏輯關(guān)聯(lián)信息?；A(chǔ)、金具、絕緣子串和導(dǎo)地線因其部件少，形狀特征可歸納提取，早已實現(xiàn)參數(shù)化建模。而輸電鐵塔因其具有塔型多樣、結(jié)構(gòu)布置形式種類多、零件數(shù)量巨大，多接身多接腿組合、掛點和塔腳局部構(gòu)造復(fù)雜等特點，已成為輸電線路三維數(shù)字化模型的關(guān)鍵。

首先對鐵塔三維數(shù)字化模型進行了定義，并分析了模型層次，然后總結(jié)和分析了目前主要的建模方法及優(yōu)缺點。提出一種從鐵塔計算模型直接生成三維實體模型的建模方法，通過對關(guān)鍵節(jié)點進行放樣，使實體模型與計算模型實現(xiàn)數(shù)據(jù)對比，隨時對節(jié)點構(gòu)造進行調(diào)整，模型具備屬性信息，從而可構(gòu)建滿足全壽命周期管理的模型。最后梳理現(xiàn)有鐵塔三維數(shù)字化建模通用軟件，選擇Tekla Structures軟件，以特高壓工程鐵塔為例建立了完整的三維數(shù)字化模型，并進行了數(shù)據(jù)交互測試。

1 輸電鐵塔三維數(shù)字化模型

以模型附帶的信息層次和容量大小來區(qū)分，可將鐵塔數(shù)字化模型分為3個細節(jié)層次：單線簡化模型、實體產(chǎn)品模型和實體制造模型。

1.1 單線簡化模型

采用單線方式準確構(gòu)建形成的桿塔模型，如圖1所示，模型主體結(jié)構(gòu)由桿件及桿件節(jié)點組成，同時包括桿件參數(shù)等設(shè)計信息。單線模型可以被賦予呼高、掛點位置、尺寸信息，滿足電氣設(shè)計和結(jié)構(gòu)計算要求。

圖1 鐵塔單線簡化模型

1.2 實體模型

鐵塔實體模型是指根據(jù)桿件截面信息，將單線模型中每根單線賦予型材截面屬性轉(zhuǎn)換為各個單元的實體，然后根據(jù)圖紙確定螺栓、芯線、火曲等裝配關(guān)系，構(gòu)成具有截面特征的三維模型，如圖2所示。它與單線模型相比，信息量更大，視覺上更接近真實鐵塔，模型各部件空間位置、結(jié)構(gòu)特征均符合實際情況。

實體模型的精度可分為2個層次：

1）產(chǎn)品模型：包含構(gòu)件、節(jié)點板和螺栓信息，忽略小的墊板等零件，能直觀查看鐵塔采用的構(gòu)件型式和基本構(gòu)造，并可進行構(gòu)件碰撞校驗，節(jié)點板的計算，如圖2所示。但主要服務(wù)于展示和節(jié)點校驗，模型精度不能達到加工要求。

2）制造模型：包含所有零件高精度的加工放樣信息，不僅可用于展示，也可方便查看詳細的尺寸參數(shù)和材料表，可直接用于加工，如圖3所示。精細化實體模型可直接應(yīng)用于鐵塔加工，通過多維模型技術(shù)對所有零部件的全壽命周期進行統(tǒng)一管理。

圖2 實體（產(chǎn)品）模型

圖3 實體（放樣）模型

由以上分析可以得出，不同模型包含的數(shù)據(jù)內(nèi)容和類型都是不同的，這也體現(xiàn)出鐵塔在不同設(shè)計階段需要表達的信息是不同的。因此可以認為輸電鐵塔三維數(shù)字化模型是反映鐵塔幾何特征、屬性、加工圖紙以及模型全生命周期中各時間段的信息，能進行三維可視化編輯，以數(shù)字化形式管理，可在不同時域和空間進行分析的數(shù)據(jù)文件。單線簡化模型因無法反映鐵塔的真實形態(tài)，尚不能滿足鐵塔三維數(shù)字化模型的要求，因此在本文主要探討鐵塔實體模型建模。

2 鐵塔建模方法分析

三維數(shù)字化建模實際是通過計算機技術(shù)將設(shè)計數(shù)據(jù)以數(shù)字形式進行表達的過程。對鐵塔實體模型建模，需要考慮如何建立角鋼和鋼板構(gòu)件、螺栓、墊板等零件組成的模型。目前國內(nèi)已經(jīng)取得了部分研究成果，如：周靜瑜采用Inventor建立鐵塔實體模型，進行吊裝施工分析［1］。繩曉玲以O(shè)bjectARX作為Auto-CAD二次開發(fā)工具，研究了基于AutoCAD的輸電鐵塔零件三維模型管理系統(tǒng)［2］。孫鳳杰等人采用3DMAX和AutoCAD，建立了輸電鐵塔的三維模型，并在虛擬場景中進行了展示［3］。尹暉等人以我國首個特高壓交流試驗示范工程輸電線路三維可視化研究為目標，根據(jù)輸電桿塔等實際數(shù)據(jù)和圖片資料，研究了基于Google SketchUp軟件平臺進行輸電桿塔、絕緣子及金具三維建模的具體實現(xiàn)過程［4］。通過對國內(nèi)外研究成果和工程實踐的分析，總結(jié)目前建模方法主要有2種：

1）由零件到整體組裝：設(shè)計計算文件—鐵塔結(jié)構(gòu)圖—構(gòu)件及零件參數(shù)化建?！獦?gòu)件及零件整體組裝—模型入庫及調(diào)用。

2）由整體到零件組裝：設(shè)計計算文件—鐵塔結(jié)構(gòu)圖—鐵塔整體模型搭建—構(gòu)件及零件放樣—模型入庫及調(diào)用。

2.1 由零件到整體組裝的方式

這種方式先根據(jù)結(jié)構(gòu)圖生成角鋼、節(jié)點板和螺栓等構(gòu)件參數(shù)化模型，構(gòu)件的長度、截面特性等都可根據(jù)圖紙進行調(diào)整和修改。然后根據(jù)結(jié)構(gòu)圖的布置規(guī)則對所有構(gòu)件進行組裝。其優(yōu)點在于可對所有構(gòu)件和零件進行參數(shù)化建模，通過數(shù)據(jù)庫進行管理，信息交互通暢，材料統(tǒng)計方便。但缺點是鐵塔組裝工作量較大，建模過程與加工脫節(jié)，目前還沒有解決模型或零件與加工數(shù)據(jù)的對接問題。

2.2 由整體到零件組裝的方式

這種方式是目前國內(nèi)鐵塔加工的建模方法，即通過設(shè)計單位提供的鐵塔結(jié)構(gòu)圖首先生成鐵塔幾何模型，然后在幾何模型中對構(gòu)件進行逐一錄入，使單線具備構(gòu)件屬性，并進行節(jié)點板繪制和螺栓配置，利用計算機圖形技術(shù)將構(gòu)件的幾何信息用三維圖元表達出來，形成完整的三維模型。程序可從三維模型中提取二維平面信息，形成不同剖面的結(jié)構(gòu)圖與設(shè)計藍圖核對，打印圖紙和樣板，交付專人審核，提交生產(chǎn)加工。其工作流程如圖4所示。

這種方式的優(yōu)點是實現(xiàn)了設(shè)計圖紙與加工的對接，后期還可將加工過程中存在的問題反饋設(shè)計進行調(diào)整。缺點是從鐵塔設(shè)計到加工建模的周期較長，短則1個月，長則3個月至半年。且國內(nèi)加工廠家一般采用專用放樣軟件，與設(shè)計單位數(shù)據(jù)尚不能實現(xiàn)互通，無法滿足輸電線路全壽命周期管理的需要。

圖4 傳統(tǒng)鐵塔放樣模型生產(chǎn)流程

2.3 計算模型直接生成實體模型的方法

圖5 由計算模型直接生產(chǎn)實體模型流程

要建立能滿足全壽命周期管理要求的鐵塔三維數(shù)字化模型，應(yīng)將放樣建模環(huán)節(jié)的關(guān)鍵部分（如節(jié)點板、螺栓布置等）提前至設(shè)計階段，計算模型與實體模型實行調(diào)整，這樣便可建立起計算與放樣一致的鐵塔模型。從圖4的流程可以看出，傳統(tǒng)的建模方法中，實體模型是廠家根據(jù)二維圖紙在軟件中放樣完成的，一旦放樣尺寸與圖紙存在差異，便需反饋設(shè)計重新復(fù)核計算并修改圖紙，數(shù)據(jù)無法聯(lián)動。如果能將計算模型直接關(guān)聯(lián)到實體模型，如圖5所示，不僅可取消二維圖紙這一中間環(huán)節(jié)，在設(shè)計階段就實現(xiàn)了計算與實體產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)互通，減小了后期放樣調(diào)整，且經(jīng)過較少中間過程就能形成制造模型，有利于提高線路工程中設(shè)備設(shè)施的全壽命周期管理水平。

3 現(xiàn)有計算模型生成實體模型的軟件

由于鐵塔模型的零件數(shù)量大，一個常規(guī)500 kV鐵塔零件至少幾千個，特高壓鐵塔零件多達上萬個。如果使用通用軟件進行人工拼裝需要耗費大量的時間，效率低下且易出錯。因此鐵塔建模過程均是在通用軟件平臺上進行二次開發(fā)或者直接由專業(yè)建模軟件完成的。

目前主流的建模軟件有AutoCAD，Revit，Inventor，3DSmax，Tekla Structures，LDS 以 及 TwSolid 等 。對這幾種建模軟件進行比較分析，結(jié)果如表1所示。

表1 鐵塔建模軟件比較

由表1可知，AutoCAD是一款擅長平面圖繪制的軟件，Inventor主要應(yīng)用于機械三維建模，Revit應(yīng)用于建筑BIM模型的創(chuàng)建，3DSmax用于三維圖形圖像處理和動畫制作。目前較適合鐵塔三維數(shù)字化模型的程序只有Tekla Structures，LDS和TwSolid 3種，LDS和TwSolid因主要用于行業(yè)內(nèi)，目前還需要解決數(shù)據(jù)交互和與通用平臺的接口問題。Tekla Structures是一款通用建模分析軟件，其功能模塊非常豐富且支持二次開發(fā)。Tekla Structures能夠以多種標準格式進行數(shù)據(jù)交互，其中包括：.dwg，.dxf，.ifc，.dgn，.xml等，因此通用性更強。通過上述格式的文件進行數(shù)據(jù)交互，能滿足大部分通用軟件的需要，這就為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了極大的便利，從而使設(shè)計人員在多款軟件上對同一模型進行不同方面的校核分析，大大減少工作量。因此采用Tekla Structures軟件進行測試。

4 計算模型生成實體模型建模方法的應(yīng)用

以某1 000 kV特高壓輸電線路工程鐵塔為例，分析了其采用上述建模技術(shù)生成模型的流程。

1）建立軸網(wǎng)，創(chuàng)建3D視圖，如圖6所示。軸網(wǎng)主要便于模型定位。

圖6 創(chuàng)建軸網(wǎng)和3D視圖

2）創(chuàng)建幾何模型和桿件。

程序可對每根構(gòu)件賦予名稱、型號、材質(zhì)、編號等屬性信息，如圖7所示。在交互界面建模時，需要先根據(jù)輪廓控制點坐標建立鐵塔幾何模型，然后通過對單線賦予截面屬性完成構(gòu)件定義。這種方式對于輔助材數(shù)量較少的鋼管塔或鋼管桿模型較為方便，但對于輔助材數(shù)量較多的角鋼塔則建模工作量大大增加。由于Tekla Structures軟件具備豐富的二次開發(fā)接口，通過二次開發(fā)功能將鐵塔計算模型文件轉(zhuǎn)換成軟件可識別的模型數(shù)據(jù)和鐵塔截面規(guī)格庫。軟件讀取模型數(shù)據(jù)后，每一根桿件對應(yīng)其定位坐標和桿件信息，便可自動建立具有桿件信息的模型。一旦定義完成便形成完全參數(shù)化的模型形式，即便以后有變更，也可很快生成新的模型。

圖7 構(gòu)件建模示例

3）創(chuàng)建節(jié)點板。

建立桿件信息模型后，便可以進行節(jié)點設(shè)計。Tekla Structures本身具有強大的節(jié)點模板庫，其中含有600多種節(jié)點型式以及參數(shù)化節(jié)點設(shè)計模塊。但由于主要面向建筑和民用鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，對于輸電鐵塔并不完全適用，目前輸電鐵塔建模大部分采用人工逐個節(jié)點建?；蛘叨伍_發(fā)相應(yīng)的功能［5］。節(jié)點板人工建模需要先繪制外形，然后定義材質(zhì)和尺寸信息。圖8為軟件自帶的塔腳法蘭節(jié)點模板。

圖8 節(jié)點板建模示例

4）創(chuàng)建螺栓。

創(chuàng)建螺栓前，需要明確螺栓與節(jié)點板的相對坐標關(guān)系，然后在相對坐標系下定義螺栓的位置和屬性信息，最后生成螺栓模型，如圖9所示。

圖9 螺栓建模示例

5）創(chuàng)建掛點。

鐵塔掛點是模型最復(fù)雜的部分，通常在桿件和節(jié)點板建成后再進行掛點建模。首先對掛線角鋼、掛線板、肋板進行建模并計算其裝配位置信息，然后將構(gòu)件放置到相應(yīng)的位置，如圖10所示。由于目前Tekla Structures不支持角鋼開合角，因此對于開合角較大的角鋼只能單獨定義截面類型再裝配。

圖10 掛點模型示例

6）抽取圖紙。

軟件還可對節(jié)點進行碰撞分析。完成后的鐵塔三維模型如圖11所示。

在Tekla Structures中，可方便查看各構(gòu)件的材料、型號、尺寸等屬性。依據(jù)其強大的數(shù)據(jù)交互功能，通過格式轉(zhuǎn)換將模型導(dǎo)入MicroStation，Revit等多種三維設(shè)計平臺中，縮短設(shè)計周期。同時，Tekla Struc-tures還支持與加工設(shè)備的數(shù)據(jù)對接，直接用于放樣加工。從三維模型中抽取平面圖紙，也可用于施工和校對，如圖12所示。

圖11 1 000 kV特高壓鐵塔外形

圖12 三維模型抽取圖紙示例

由于輸電鐵塔為不規(guī)則實體模型，建模過程中產(chǎn)生的線單元和面單元多，模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在采用上述方法建模過程中也發(fā)現(xiàn)，精細的輸電桿塔模型文件數(shù)據(jù)量較大，對計算機硬件設(shè)備要求較高。

5 結(jié)語

基于對鐵塔三維數(shù)字化模型的研究，提出了一種從計算模型直接生成實體模型的建模方法。建模過程中利用實體模型與計算模型進行數(shù)據(jù)對比，隨時對節(jié)點構(gòu)造進行調(diào)整，使鐵塔模型具備了構(gòu)造屬性。遠期還可基于通用軟件進行二次開發(fā)，使程序根據(jù)桿塔單線模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)，結(jié)合實際角鋼朝向、節(jié)點板、掛線板、塔腳板、法蘭、支座等部件設(shè)計經(jīng)驗算法，利用計算機技術(shù)進行空間分析、三維設(shè)計，自動建立桿塔的三維精細實體模型。