吳敏彥，馮明杰

1.紹興大明電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江紹興，312000；2.浙江東城建設(shè)管理有限公司，浙江紹興，312000

0 引言

較早開(kāi)始應(yīng)用數(shù)字化技術(shù)進(jìn)行虛擬制造、仿真的行業(yè)應(yīng)當(dāng)屬制造業(yè)，尤其是航空航天領(lǐng)域。數(shù)字制造技術(shù)能夠縮短周期，為企業(yè)節(jié)約成本。數(shù)字化研發(fā)設(shè)計(jì)的普及率逐漸提高，建筑信息模型技術(shù)（BIM）在發(fā)展過(guò)程中將設(shè)計(jì)、施工、管理等環(huán)節(jié)融為一體，可適用于建筑施工項(xiàng)目的整個(gè)生命周期[1]。與此同時(shí)，其他行業(yè)和領(lǐng)域如交通、電力等也都普遍采用了三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)景模擬、輸電線路工程的綜合布置等等。

我國(guó)提出構(gòu)建數(shù)字中國(guó)、智慧社會(huì)的戰(zhàn)略目標(biāo)，BIM技術(shù)得到大力推廣，工程數(shù)字化勢(shì)在必行，三維設(shè)計(jì)則是工程數(shù)字化的內(nèi)在驅(qū)動(dòng)力和源頭。加上工業(yè)4.0時(shí)代的到來(lái)，當(dāng)前生產(chǎn)制造領(lǐng)域迎來(lái)了黃金時(shí)代，3D打印、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新理念和新技術(shù)的發(fā)展催生了三維數(shù)字化應(yīng)用價(jià)值的變革。鑒于此，文章以設(shè)計(jì)專業(yè)多、技術(shù)復(fù)雜、協(xié)調(diào)工作量大的輸電工程建設(shè)為主要內(nèi)容，探討三維數(shù)字化技術(shù)在該行業(yè)的可行性與應(yīng)用價(jià)值。

1 輸電線路三維數(shù)字化關(guān)鍵技術(shù)——平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)

輸電線路三維數(shù)字化基于BIM技術(shù)的生命周期全過(guò)程理念，主要涉及平臺(tái)開(kāi)發(fā)，協(xié)同設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)傳輸、交互及處理等方面的關(guān)鍵技術(shù)。在平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)中，主要利用三維技術(shù)+虛擬數(shù)字化技術(shù)的工作機(jī)制模擬人際交往邏輯和協(xié)同工作邏輯。數(shù)字和模型的數(shù)據(jù)化程度不斷提高，像素也不斷增高，便于可視化模型的構(gòu)建[2]。此外，該平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面的專業(yè)知識(shí)，將各部分連接成一個(gè)整體，使其可視化程度更高，數(shù)據(jù)交互能力與資源信息共享的能力也更加強(qiáng)大。同時(shí)，該平臺(tái)架構(gòu)設(shè)計(jì)的適用性和普遍性很強(qiáng)，可以供不同專業(yè)的人使用，充分發(fā)揮其在結(jié)構(gòu)、電氣和線路等方面的價(jià)值。

此外，輸電線路三維數(shù)字化平臺(tái)構(gòu)架的主要特點(diǎn)是為各行業(yè)的資源整合工作提供了一條可行性思路。首先，建立統(tǒng)一的數(shù)字化平臺(tái)，利用智能手段代替人工工作模式，對(duì)各部分工作進(jìn)行統(tǒng)籌管理，合理分配資源。其次，平臺(tái)還可以進(jìn)行共享和存儲(chǔ)工作，同時(shí)提高平臺(tái)整合功能和擴(kuò)大使用范圍，該平臺(tái)不僅涉及輸電線路設(shè)計(jì)等專題方面的工作，還涉及基礎(chǔ)地理和影像方面的數(shù)據(jù)資源，功能強(qiáng)大。再次，該平臺(tái)不僅僅只是工作運(yùn)行機(jī)制，同時(shí)也是交流平臺(tái)，用戶能進(jìn)行訪問(wèn)、查詢和利用。最后，該平臺(tái)還是預(yù)測(cè)機(jī)制，能夠以可視化影像信息實(shí)現(xiàn)精細(xì)化和自動(dòng)化設(shè)計(jì)，促使設(shè)計(jì)方案更加合理，即使在施工過(guò)程中出現(xiàn)錯(cuò)誤也能夠及時(shí)從三維建模上反映出來(lái)，加強(qiáng)前后的銜接以及各方面的使用情況對(duì)接，在平臺(tái)運(yùn)行機(jī)制下，施工和規(guī)劃設(shè)計(jì)等更加方便，無(wú)疑是工程建設(shè)中提高效率的有力保障。

上述我們提及該平臺(tái)的基礎(chǔ)管理功能能夠滿足協(xié)同檢查、量化工程量等的需求，實(shí)現(xiàn)管線設(shè)計(jì)、碰撞檢查、故障定位、三維模擬等操作，但是其在高級(jí)擴(kuò)展功能方面仍有一些欠缺。另外，平臺(tái)設(shè)計(jì)基本原理主要依托計(jì)算機(jī)技術(shù)，將數(shù)據(jù)計(jì)算與軟件開(kāi)發(fā)相結(jié)合，圍繞電網(wǎng)設(shè)計(jì)、線路布置、業(yè)務(wù)管理等方向，利用遙感測(cè)繪技術(shù)、三維建模技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)等各種手段和技術(shù)，將收集到的數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中，經(jīng)過(guò)一定的篩選和處理，利用三維技術(shù)模仿人際交往的邏輯思維，使其形成人機(jī)交流、合作的界面[3]。

2 三維數(shù)字化技術(shù)在輸電線路工程中的應(yīng)用

2.1 模擬施工指導(dǎo)

三維數(shù)字化技術(shù)在輸電線路施工過(guò)程中發(fā)揮出較大的作用和價(jià)值，利用該技術(shù)能夠進(jìn)行基礎(chǔ)施工模擬，將BIM模型輸入基礎(chǔ)校驗(yàn)軟件中，能夠?qū)κ┕み^(guò)程進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，例如為確?；影踩軌?qū)κ┕ら_(kāi)挖、超載、降雨等因素引起的地下水位上升等工況進(jìn)行預(yù)測(cè)和計(jì)算。施工過(guò)程中鐵塔組立、導(dǎo)地線架設(shè)階段是施工階段的重中之重，會(huì)直接影響輸電線路施工現(xiàn)場(chǎng)安全與質(zhì)量控制。鑒于此，在該階段應(yīng)用可視化模擬技術(shù)，能夠計(jì)算施工方案、安全技術(shù)措施是否具備可行性和合理性，以此實(shí)現(xiàn)優(yōu)化施工方案中的技術(shù)措施、提高安全指數(shù)的目標(biāo)。再比如，輸電鐵塔灌注基礎(chǔ)設(shè)施階段，采用泥漿護(hù)壁旋轉(zhuǎn)鉆孔和水下灌注混凝土法成樁，根據(jù)BIM模型技術(shù)能夠計(jì)算出具體的護(hù)筒埋設(shè)深度、護(hù)筒中心與樁位中心的偏差等數(shù)據(jù)。樁基檢測(cè)工程的質(zhì)量檢測(cè)與驗(yàn)收也十分重要，作為輸電線路工程中的大型隱蔽工程，樁基質(zhì)量檢測(cè)應(yīng)利用脈沖力波的波阻結(jié)合振幅大小判斷樁的位置、完整性、缺陷程度等。同時(shí)，利用特殊的FEI-B型信號(hào)采集器使得反射波能夠在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示出來(lái)[4]。

2.2 有利于路徑比對(duì)，實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化

三維數(shù)字化技術(shù)能夠利用可視化技術(shù)進(jìn)行路徑比選，綜合最優(yōu)，為設(shè)計(jì)方案提供有力的視圖信息。一方面，可以沿用傳統(tǒng)的人工調(diào)查形式，設(shè)計(jì)人員根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和收資的情況，熟悉并標(biāo)紅路徑所經(jīng)的敏感區(qū)域；同時(shí)，還能夠結(jié)合電網(wǎng)專題數(shù)據(jù)中的資料，應(yīng)用地理信息排除部分不合理的初選方案，最終留下2～3個(gè)比選路徑。此類三維數(shù)字化設(shè)計(jì)主要應(yīng)用于大方案路徑比選、局部路徑優(yōu)化等方面。另一方面，無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)使得建筑工程繪制施工平面圖如虎添翼。首先，無(wú)人機(jī)遙感技術(shù)可以自動(dòng)將范圍內(nèi)的所有物體生成坐標(biāo)，以此保證定位信息的準(zhǔn)確性。其次，無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)能夠根據(jù)輸入的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行三維建模，將數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)化為模型，有極強(qiáng)的分辨率與辨識(shí)度，在很大程度上幫助測(cè)繪工作人員繪制和完善施工平面圖。最后，無(wú)人機(jī)遙感測(cè)繪技術(shù)的DOM精準(zhǔn)度與像控點(diǎn)相對(duì)較高。這就意味著無(wú)人機(jī)可以在規(guī)劃的路線內(nèi)隨意穿梭，可以發(fā)現(xiàn)各種死角，并對(duì)死角內(nèi)部進(jìn)行科學(xué)性、全面性的影像采集和測(cè)繪處理。目前這一應(yīng)用不僅限于測(cè)繪工程，而且還是提高建筑工程施工質(zhì)量的主要途徑。

2.3 清理通道，量算三維空間

設(shè)計(jì)線路通道時(shí)，有關(guān)工作人員需要對(duì)房屋的拆除工作和樹(shù)木的砍伐工作進(jìn)行全面統(tǒng)籌考慮，并進(jìn)行合理清理。清理這一過(guò)程需要專業(yè)人員根據(jù)輸電線路工程中的排路，選線對(duì)房屋、電線桿等各個(gè)地方的走向進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，依照具體砍伐和拆除要求，分析整理收集到的信息（如表1所示），并根據(jù)信息制作圖紙。

表1 三維數(shù)字化設(shè)計(jì)在輸電線路工程中的排路、選線

通過(guò)三維數(shù)字化技術(shù)，能夠提高初始工程量的精確度，利用三維空間量算功能為房屋拆遷提供智能技術(shù)參數(shù)[5]；同時(shí)，還可以利用施工圖為建管單位提供直觀、科學(xué)的可視化分析。

2.4 空間校驗(yàn)，仿真模擬

三維數(shù)字化技術(shù)的數(shù)據(jù)分析功能非常強(qiáng)大，能夠采用不同的分析方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)空間地理的數(shù)據(jù)分析。其主要經(jīng)過(guò)對(duì)地理坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換與矢量化設(shè)計(jì)，結(jié)合幾何要素、元數(shù)據(jù)技術(shù)等，檢查空間數(shù)據(jù)和各個(gè)數(shù)據(jù)之間的聯(lián)系，對(duì)其進(jìn)行重新分類，入庫(kù)管理[6]。在一定程度上，三維數(shù)字化技術(shù)的空間校驗(yàn)功能解決了很多難題，即使是在物體處于靜止不動(dòng)的狀態(tài)時(shí)，都能夠計(jì)算出電氣間的間隙、風(fēng)力擺動(dòng)等數(shù)據(jù)；還可以根據(jù)交叉跨越物體的尺寸和空間位置，測(cè)量出任意兩個(gè)物體的空間距離，具備上述已知條件后就可計(jì)算導(dǎo)地線在大風(fēng)、過(guò)電壓等工況時(shí)的交叉跨越和風(fēng)偏距離。

強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析功能與三維建模功能的結(jié)合能夠應(yīng)用于高危地區(qū)、惡劣氣候環(huán)境下的仿真模擬。利用三維數(shù)字化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)導(dǎo)地線機(jī)械特性自動(dòng)計(jì)算，數(shù)據(jù)庫(kù)中包含各種工況，如高溫、大風(fēng)、過(guò)電壓、覆冰等，能夠?qū)崿F(xiàn)多工況的導(dǎo)地線弧垂模擬。如圖1所示，瓶口電氣間隙得到直觀、快捷的校核。

圖1 瓶口電氣間隙校核

2.5 三維組串，碰撞檢查

三維設(shè)計(jì)可提供各種視角的施工圖，利用三維立體空間更好地突出設(shè)計(jì)意圖，能夠?qū)崿F(xiàn)線與線、線與塔、串與塔、串塔內(nèi)部等的三維空間碰撞檢查、距離測(cè)算、連接管理等[7]，盡量避免隱蔽性設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的出現(xiàn)。在三維技術(shù)可視化的基礎(chǔ)上，結(jié)合其他的技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)三維空間仿真模擬。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案難以實(shí)現(xiàn)對(duì)地震、海嘯等自然災(zāi)害的信息考量，而三維數(shù)字化技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)各種自然因素、經(jīng)濟(jì)因素的比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)選線和排位的分析等，以此設(shè)計(jì)出更好的方案，不僅能夠?yàn)閷?shí)地工程提供技術(shù)參考，還可以進(jìn)行細(xì)節(jié)上的碰撞檢查，提高其使用的效率。例如，三維金具的組裝設(shè)計(jì)，如圖2所示，這是一個(gè)金具與掛板相碰的實(shí)物及模擬圖，如果依靠人工安裝檢修經(jīng)驗(yàn)難以確保組裝設(shè)計(jì)的精準(zhǔn)性，三維數(shù)字化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)在三維實(shí)體中對(duì)各種金具串進(jìn)行組裝、拆分等逼真模擬，使得安裝過(guò)程更直觀、信息更全面。

圖2 掛點(diǎn)出口第一個(gè)金具與掛板相碰

2.6 收集信息，搭建場(chǎng)景

三維數(shù)字化平臺(tái)的高級(jí)功能主要包括工程量統(tǒng)計(jì)、自動(dòng)出圖、仿真分析、協(xié)同檢查等。此外，還能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)的分析和整理，包括快速通信、數(shù)據(jù)集成、云計(jì)算和大數(shù)據(jù)等技術(shù)，這些技術(shù)是構(gòu)建數(shù)據(jù)平臺(tái)、實(shí)現(xiàn)異地協(xié)同辦公、輔助決策等功能的前提和條件。比如，在工程造價(jià)管理階段，可以利用三維設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)實(shí)體工程量進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，細(xì)化工程量，統(tǒng)計(jì)好材料費(fèi)用，形成科學(xué)清單，在已有模板基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)人員測(cè)算費(fèi)用就會(huì)更加方便快捷。再比如，數(shù)據(jù)信息的收集功能與仿真建模功能的結(jié)合能夠搭建三維小場(chǎng)景，塔位小場(chǎng)景的搭建模型首先要對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行勘察測(cè)繪，其次要收集、整理與融合測(cè)繪數(shù)據(jù)，包括桿塔信息、塔基范圍內(nèi)的地表障礙物等，最后利用三維數(shù)字化仿真模擬技術(shù)搭建塔位小場(chǎng)景[8]。

3 三維數(shù)字化發(fā)展目標(biāo)與實(shí)施路線展望

3.1 發(fā)展階段及其對(duì)應(yīng)目標(biāo)

三維數(shù)字化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于電網(wǎng)工程主要需要經(jīng)歷以下幾個(gè)發(fā)展階段，首先是起步階段。這一階段才剛剛引入三維數(shù)字化設(shè)計(jì)相關(guān)概念，電網(wǎng)工程智能化剛剛起步，這一階段的主要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)可視化展示以及設(shè)計(jì)成果的數(shù)字化移交。其次是發(fā)展階段。這一階段電網(wǎng)工程的智能化已經(jīng)趨于系統(tǒng)和完善，建構(gòu)了功能性和適應(yīng)性較強(qiáng)的平臺(tái)，能夠解決數(shù)據(jù)交互、信息處理等問(wèn)題。這一階段的主要目標(biāo)是推動(dòng)重點(diǎn)工程的發(fā)展和提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，延長(zhǎng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈。最后是成熟階段。這一階段已經(jīng)形成完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系，三維數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用率和覆蓋率達(dá)到100%，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)成果的全壽命周期應(yīng)用?，F(xiàn)階段，我國(guó)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)進(jìn)入了發(fā)展階段，不斷吸收國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，正在經(jīng)歷攻堅(jiān)克難的時(shí)期，為步入成熟階段打好堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)[9]。

3.2 改進(jìn)方向與實(shí)施路線

3.2.1 發(fā)揮政府主導(dǎo)作用

技術(shù)革新是社會(huì)進(jìn)步的重要表現(xiàn)，但是往往會(huì)存在階段性的困難。鑒于此，我們要發(fā)揮政府的主導(dǎo)作用，構(gòu)建政府引導(dǎo)、試點(diǎn)應(yīng)用、企業(yè)宣傳、行業(yè)推廣的參與機(jī)制。

3.2.2 建立統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)體系

標(biāo)準(zhǔn)體系能夠促進(jìn)三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的統(tǒng)籌發(fā)展，對(duì)我國(guó)有關(guān)領(lǐng)域和行業(yè)的發(fā)展能夠起到重要的作用，企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)先行，再逐步上升到行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

3.2.3 構(gòu)建專業(yè)人才隊(duì)伍

三維數(shù)字化技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，涉及諸多專業(yè)，因此有關(guān)單位應(yīng)注重培養(yǎng)專業(yè)素質(zhì)與綜合素質(zhì)“雙高”的復(fù)合型人才；相關(guān)單位和企業(yè)應(yīng)該從軟硬件購(gòu)置、教育培訓(xùn)等方面加強(qiáng)人才隊(duì)伍建設(shè)的投入和保障；同時(shí)，激勵(lì)設(shè)計(jì)行業(yè)加強(qiáng)對(duì)三維數(shù)字化的技術(shù)投入，探索三維數(shù)字化設(shè)計(jì)成果的質(zhì)量認(rèn)證方式。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于BIM技術(shù)全壽命周期理念之下的三維數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國(guó)電力事業(yè)中，在輸電線路領(lǐng)域發(fā)揮了其作用和價(jià)值，促進(jìn)了輸電管理工作的科學(xué)性與合理性。三維數(shù)字化技術(shù)在基于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享、協(xié)同管理的基礎(chǔ)上，還能夠?yàn)橥ǖ狼謇?、排線選位、構(gòu)建場(chǎng)景、碰撞檢查等工作提供科學(xué)的決策和輔助圖紙，促進(jìn)工作效率的提升和管理水平的科學(xué)性。