李美峰，駱俊林，馮 勇，李會超，車 達，謝 靜

(中國電力工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

輸電線路行業(yè)正在大力研究和推進三維數(shù)字化設計技術(shù)的應用[1-3]。輸電線路三維設計是以模型和數(shù)據(jù)為核心要素，通過驅(qū)動模型來提取、編輯和存儲設計信息，從而完成相關(guān)的設計業(yè)務工作。在輸電線路三維模型中，鐵塔是最關(guān)鍵的部分[4-5]。其中鐵塔掛點既是連接絕緣子串和鐵塔結(jié)構(gòu)的裝置，也是反映掛點裝配要求的重要區(qū)域[6]，對于指導鐵塔和金具正確組裝具有重要的指導作用[7]。目前行業(yè)內(nèi)通用的輸電線路鐵塔模型包括以*.tta格式文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的鐵塔計算模型和以*.mod格式文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的鐵塔三維模型[8-9]。但計算模型和三維模型均未對掛點進行詳細的定義。

本文首先分析了鐵塔掛點的設計過程，從掛點提資表中總結(jié)了掛點數(shù)字化模型的特征。結(jié)合行業(yè)內(nèi)通用的*.mod數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)所表達的掛點信息，得出目前采用*.mod表達的鐵塔通用模型和產(chǎn)品模型都不能全面表達掛點所有特征信息。然后借助*.xml這種可擴展的標記語言，提出一種全面表達掛點信息的方法和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，在不需對*.mod數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進行修改的情況下，可實現(xiàn)掛點信息的補充。鐵塔三維模型通過把*.mod和*.xml文件相結(jié)合，可以實現(xiàn)掛點數(shù)字化模型信息的全面表達。最后選擇自主開發(fā)的鐵塔三維建模軟件，以典型干字型耐張塔為例建立了完整的掛點三維模型，并進行了應用測試。

1 輸電鐵塔掛點信息分析

掛點設計是鐵塔設計的重要環(huán)節(jié)，一般是在桿塔規(guī)劃前，由電氣設計人員提出鐵塔掛點需求或掛點提資單，其主要內(nèi)容見表1所列。從表中可以看出，鐵塔掛點提資主要包含掛點數(shù)量、掛點間距、聯(lián)塔金具的型號、螺栓的規(guī)格和穿向、掛線角鋼間距要求或者掛線板的厚度要求，但一般不包含聯(lián)塔金具與下一個金具連接處的孔位及螺栓尺寸。

表1 鐵塔掛點提資表

結(jié)構(gòu)設計人員接收掛點提資單后，結(jié)合桿塔其他設計條件開展桿塔規(guī)劃，確定桿塔外形后進行桿塔計算優(yōu)化，進而得到桿塔的司令圖。利用司令圖和掛點提資，才能繪制完成桿塔結(jié)構(gòu)圖。鐵塔設計流程圖如圖1所示。

圖1 鐵塔設計流程圖

通過對掛點設計過程的分析，可以得出鐵塔掛點的設計屬性主要包括：掛點金具、掛孔構(gòu)造、掛點功能、掛點位置。對鐵塔掛點信息進一步抽象和研究，我們將其信息內(nèi)容歸納為四種特征，即：功能特征、結(jié)構(gòu)特征、裝配特征和荷載特征。

1)功能特征反映了掛點的功能要求，一般可將其分為掛地線、導線、跳線和施工安裝等四類。

2)結(jié)構(gòu)特征反映了鐵塔模型的顆粒度，當鐵塔模型為實體模型時，掛點表現(xiàn)為實體結(jié)構(gòu)特征，如圖2(a)所示；當掛點為單線模型時，掛點表現(xiàn)為單線結(jié)構(gòu)特征，如圖2(b)所示。

圖2 掛點示例圖

3)裝配特征反映了鐵塔直接相連的掛點金具型式，主要包括“GD型(樞軸掛板)”“EB型(耳軸掛板)”“UB型掛板”“U型掛環(huán)”和“U型螺栓”五類。裝配特征涵蓋金具型號、掛孔尺寸、分組信息、金具轉(zhuǎn)動特征等信息。目前，500 kV及以上線路，多采用耳軸掛板或樞軸掛板，其型式如圖3所示。

圖3 耳軸掛板及樞軸掛板

4)荷載特征反映了掛點的受力特征，分為耐張和懸垂兩類，見表2所列。

表2 掛點荷載特點

2 掛點數(shù)字化模型表達方法

2.1 信息存儲方式

目前輸電線路鐵塔三維模型一般采用通用模型和產(chǎn)品模型兩類，建模方法為參數(shù)化建模，其數(shù)據(jù)包括桿塔節(jié)點、桿件、掛點信息，文件格式為*.mod，掛點信息的表達方式為：掛點類型，掛點名稱，X，Y，Z(坐標相對于模型原點)，其中掛點類型包括：G—地線掛點，C—導線掛點，T—跳線掛點。掛點命名規(guī)則見表3所列。

表3 mod文件掛點命名規(guī)則

盡管*.mod文件的掛點分類尚未涉及到安裝類，但對于這類信息的擴展只需在模型文件下添加相應的字段即可。結(jié)合掛點的功能特征、結(jié)構(gòu)特征、裝配特征和荷載特征對通用模型和產(chǎn)品模型進行比較分析，檢查是否具備相應的特征描述內(nèi)容，結(jié)論見表4所列。

表4 兩種模型掛點特征符合度檢查

從表4中可看出，*.mod文件存儲的掛點信息，尚不足以體現(xiàn)掛點的數(shù)字化信息特征。如果在*.mod文件中不斷補充信息，會造成整個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)非常復雜，且不易被設計人員理解。因此需要一種基于純文本的數(shù)據(jù)格式，兼顧讀寫，并且簡單靈活。

XML(extensible markup language)是一種類似于HTML的可擴展的標記語言，具有良好的可讀性和規(guī)范簡潔的書寫方式。因此，這里推薦采用*.xml數(shù)據(jù)格式來記錄掛點信息，并單獨存放在一個獨立的文件中，這樣鐵塔數(shù)字化模型便可通過*.mod和*.xml共同表達，如圖4所示。

圖4 鐵塔數(shù)字化模型示意圖

2.2 功能特征信息表達

從2.1節(jié)可以得出，目前*.mod文件中的掛點信息可體現(xiàn)出掛點的類型、位置和相序，滿足常規(guī)線路工程鐵塔掛點的設計要求，如圖5所示。

圖5 掛點功能特征示意圖

但為適應更為復雜的多回路、混壓塔或者換位塔等，應將回路、電壓等級等信息添加進去。因此將功能特征通過回路和掛點位置這兩個元素來體現(xiàn)，其元素和屬性見表5所列。

表5 掛點功能特征元素及屬性表

2.3 結(jié)構(gòu)特征信息表達

包括掛板厚度、掛孔直徑、間距、朝向等信息，如圖6所示。

圖6 掛點結(jié)構(gòu)特征示意圖

見表6所列，螺栓穿向通過一組空間向量來表達，能更準確的反映掛孔的位置。掛點模型類型主要是記錄掛點信息的來源是從*.mod還是*.xml文件中獲取的。

表6 掛點結(jié)構(gòu)特征元素及屬性表

2.4 裝配特征信息表達

裝配信息主要體現(xiàn)掛點結(jié)構(gòu)與掛線金具的相對關(guān)系：一是直接連接掛線角鋼的金具，可以命名為聯(lián)塔金具；二是與聯(lián)塔金具相連，但可以旋轉(zhuǎn)或擺動并與鐵塔產(chǎn)生碰撞的金具，可命名為二級金具。如圖7所示。

圖7 掛點裝配特征示意圖

裝配信息應包含與掛點結(jié)構(gòu)相匹配的掛點金具的特征參數(shù)，而這些特征參數(shù)主要與特定的金具型號相關(guān)，見表7所列。其中金具的最大和最小轉(zhuǎn)角也通過參數(shù)進行表示。

表7 掛點裝配特征元素及屬性

2.5 荷載特征信息表達

荷載特征信息主要用于區(qū)分掛點是懸垂型還是耐張型，表8采用受力類型區(qū)分懸垂和耐張的荷載特征。

表8 掛點載荷特征元素及屬性表

3 掛點建模

我們基于TMA(towen-manufacturing assistant)鐵塔放樣加工平臺，自主開發(fā)鐵塔三維建模程序，在生產(chǎn)鐵塔數(shù)字化模型的過程中，同時賦予模型掛點信息。本文選取一種500 kV單回路干字型耐張塔進行了測試。建模流程如下：

1)建立鐵塔粗略模型

程序支持導入計算模型或搭建幾何體兩種方式建立鐵塔單線模型。因該塔已具備計算模型，所以這里通過直接導入計算模型的方式即可快速建立幾何模型，而構(gòu)件的規(guī)格信息也通過計算文件傳遞到三維模型中。

2)實體桿件位置定義

由于角鋼構(gòu)件的拼裝要考慮內(nèi)貼、外貼及芯線等因素，程序雖然已具備對典型塔型自動匹配拼裝的功能，但部分節(jié)點和位置仍需要用戶自主調(diào)整。因此這里對主要節(jié)點按照構(gòu)圖規(guī)則進行了調(diào)整。

3)地線掛點定義

在單線模式下，點擊地線掛點荷載計算的節(jié)點，完成地線掛點定義，確定回路、掛點位置信息，程序操作如圖8所示。

圖8 地線掛點定義

4)導線掛點定義

在單線模式下，點擊導線掛點荷載計算的節(jié)點，完成導線掛點定義，并確定回路、掛點位置信息，程序操作界面如圖9所示。

圖9 導線掛點定義

5)金具建庫

單線模型下掛點定義，主要是實現(xiàn)現(xiàn)階段*.mod層次結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)表達。接下來通過實體模型掛點定義，完成對掛點數(shù)字化模型的信息完善。由于實體模型掛點與金具關(guān)聯(lián)，因此，程序首先將常用的GD、EB、U型金具參數(shù)化[10]，通過建立一個參數(shù)驅(qū)動的金具庫，在掛點處設置所需金具型號，從庫中調(diào)用匹配的金具來獲取具體的參數(shù)值。

6)地線掛點實體建模

在實體模式下，點擊地線掛點荷載計算的節(jié)點，完成地線掛點實體定義。在實體定義的過程中，確定地線掛線角鋼寬度、掛孔直徑、金具類型及型號、一二級金具擺動角度等信息，如圖10所示。

圖10 地線實體掛點定義

7)導線掛點實體建模

在實體模式下，點擊導線掛點荷載計算的節(jié)點，完成導線掛點實體定義。在實體定義的過程中，確定導線掛線角鋼寬度、掛孔直徑、金具類型及型號、一二級金具擺動角度等信息，如圖11所示。

圖11 導線實體掛點定義

8)模型文件存儲

編輯完成后，程序?qū)⒛Ｐ鸵?.tma的格式進行存儲，同時也支持導出*.mod和*.xml文件。

4 掛點數(shù)字化模型的應用

掛點數(shù)字化模型可用于三維場景構(gòu)建、金具裝配校驗、碰撞校驗等。在輸電線路鐵塔組裝過程中，經(jīng)常會發(fā)生金具與塔材碰撞的案例，如圖12所示。

圖12 金具與塔材碰撞工程案例

下面對掛點最常規(guī)的碰撞案例進行校驗，如圖13所示。碰撞校驗包含兩級金具與掛線角鋼的相對位置計算。實現(xiàn)方法為將掛點裝配特征信息與結(jié)構(gòu)特征信息相結(jié)合，從而輔助設計人員進行碰撞校驗。

圖13 金具擺動與掛線角鋼碰撞校驗

圖13(a)為調(diào)整二級金具的擺動角度，檢查其與掛線角鋼是否發(fā)生碰撞。三維模型已充分考慮金具連接位置的影響，比二維視圖更加直觀準確。

圖13(b)為調(diào)整一級金具的上揚或者下傾角度，檢查其與橫擔連接角鋼及螺栓是否發(fā)生碰撞。以往二維圖紙不能表達螺栓和角鋼的空間位置關(guān)系，通過三維模型可更加直觀地建模和分析。

5 結(jié)語

本文基于對鐵塔掛點信息特征的研究，提出了一種全面描述掛點三維數(shù)字化模型信息的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和建模方法。掛點信息通過*.xml文件進行記錄，可有效補充*.mod文件中缺省的數(shù)據(jù)，具有記錄方便、讀取速度快、適用范圍廣等優(yōu)點。由于*.xml文件表達方式簡單易讀，遠期還可與各種數(shù)字化設計軟件進行對接，利用計算機技術(shù)進行碰撞分析、裝配模擬、三維建模等數(shù)字化應用，進一步挖掘掛點三維數(shù)字化模型的價值。