曾鴻志，嚴 垚，郭天成，張海東

（江蘇省送變電有限公司，江蘇 南京 211102）

1 三維技術在電網(wǎng)工程建設中的研究與應用現(xiàn)狀

《中國制造2025》中[1]要求將數(shù)字化研發(fā)設計工具普及率達到84%，黨的十九大[2]也提出了“數(shù)字中國，智慧社會”的目標，所以工程數(shù)字化轉型勢在必行，而三維設計是工程數(shù)字化的基礎。2017年國家電網(wǎng)公司提出電網(wǎng)工程將采用三維設計實現(xiàn)設計手段“上臺階”，完成設計成果全信息仿真，集成技術并提升工程建設管理水平。同時隨著云計算、大數(shù)據(jù)等新理念、新技術的發(fā)展，三維數(shù)字化設計將為生產(chǎn)方式帶來新變革，而電網(wǎng)工程由于其專業(yè)性、技術性的高要求以及協(xié)調(diào)工作的高工作量非常契合三維設計的應用。

目前計算機二維設計已經(jīng)較為成熟，但AutoCAD已經(jīng)無法適應現(xiàn)階段工程全壽命周期的高要求，三維技術可以通過工程建設中各方人員的相互配合來使工程項目精準化、細致化，保證工程所有信息的完整有效，并且已經(jīng)在鐵路、建筑、市政工程中較為成熟。而在電網(wǎng)工程建設中仍處于發(fā)展、推廣階段，理論研究和實際應用都需要更進一步地探索[3-4]。在電力行業(yè)內(nèi)，中國已基本實現(xiàn)了發(fā)電和變電領域的全專業(yè)協(xié)同設計，但是線路領域一直局限于在設計時使用和成果展示方面，在多專業(yè)協(xié)同、交互處理等方面的需求難以滿足。

目前三維設計主要應用的軟件包括可以實現(xiàn)二維接線和三維數(shù)字化設計的Bently公司的Substation和Autodesk公司的Revit；可以進行三維設計軟件集成功能，實現(xiàn)不同專業(yè)間數(shù)據(jù)共享和成果瀏覽的ProjectWise協(xié)同實際平臺；國內(nèi)常用的以數(shù)據(jù)為核心，堅持數(shù)據(jù)驅動圖形理念的博超設計平臺。

2 三維技術在電網(wǎng)工程建設中的關鍵技術

2.1 電網(wǎng)工程設計平臺開發(fā)

設計平臺所包含的功能和需求分別如表1、表2所示，現(xiàn)有的設計平臺，如ProjectWise平臺，大多側重于設計和施工階段的模型展示，相互獨立不能互通，無法進行協(xié)同管理，不能滿足項目全生命周期管理的標準，一般情況下還需委托專業(yè)公司進行開發(fā)或采購相應軟件，極大地增加了管理成本?；诖饲闆r文獻[5]對于BIM協(xié)同的管理平臺進行了研究與設計，并結合實際工程在變電站設計施工中的進度管理、質(zhì)量管理、安全管理、物資管理等場景可行性進行了分析，分析結果表明協(xié)同管理平臺能夠實現(xiàn)施工的全生命周期管理，達到預期目標。

表1 設計平臺功能概況

表2 設計平臺設計需求概況

2.2 數(shù)據(jù)模型采用統(tǒng)一標準

電網(wǎng)設計包括各專業(yè)、各單位協(xié)同工作，但各單位所使用的平臺和專業(yè)軟件存在交互困難。為此國際協(xié)同聯(lián)盟建立了IFC等統(tǒng)一標準，以三維數(shù)字化設計平臺為載體，對設計、勘探、造價、制造、施工、運維等專業(yè)的輔助設計計算、地理信息、工程量清單、設備模型、施工模型、數(shù)字化移交等工作進行整合，達到數(shù)據(jù)交互的目的。

3 三維技術在電網(wǎng)工程建設中的實踐

3.1 線路最優(yōu)路徑選擇中的應用

文獻[6]利用線路沿線的地形實測數(shù)據(jù)以及遙感、航拍構建更加精細的地形三維模型，同時加入水文、地質(zhì)、公路、房屋等數(shù)據(jù)進行綜合最優(yōu)路徑選取，如圖1所示。

圖1 線路最優(yōu)路徑選擇

3.2 變電站設計、建設中的應用

目前三維技術在變電站建設場景中應用已較為成熟，從設計階段到施工管理以及建成后的運維都已有成熟的研究成果。

文獻[7]中利用三維數(shù)字化技術在黃渡500 kV變電站的主變增容以及配電裝置改造工程中進行運用，完善了上海電力BIM的建模標準以及電力行業(yè)的專業(yè)族庫，實現(xiàn)了數(shù)字模型全生命周期流轉，形成了數(shù)字化設計數(shù)據(jù)的協(xié)同工作與共享。文獻[8]中基于三維數(shù)字化技術構建了變電站施工過程中風險評估的回歸分析模型，利用多元回歸分析法對變電站施工過程中的風險特征進行了評估，經(jīng)仿真驗證評估準確性最高可達100%。文獻[9]中設計完成三維全景監(jiān)視系統(tǒng)應用于變電站管理，通過三維模型融合監(jiān)測數(shù)據(jù)，使變電站抽象的運行與設備數(shù)據(jù)易于工作人員進行直觀監(jiān)控。文獻[10]中對變電站施工現(xiàn)場安全文明施工進行了研究，以三維技術為基礎，結合GIS、ERP、物聯(lián)網(wǎng)等技術構建了安全文明施工管理的施工管理平臺應用于實際生產(chǎn)施工中，實現(xiàn)了三維最優(yōu)化布場、三維場地碰撞檢測等，將施工現(xiàn)場質(zhì)量提高，減少施工現(xiàn)場安全隱患，對創(chuàng)建精細化、標準化的施工現(xiàn)場起到了積極作用。

3.3 在輸電線路交叉跨越中的應用

通過參數(shù)化方式，方便快捷地建立跨越架、桿塔、導地線的三維模型，為施工模擬提供基本信息，在交叉跨越施工模擬時，可根據(jù)規(guī)程規(guī)范設置的邊界條件自動計算出導引繩、牽引繩、導地線、防護網(wǎng)的張力、弧垂關系、風偏距離、承載力關系等關鍵數(shù)據(jù)，進而自動分析出防護設施所搭建的位置、尺寸、規(guī)格等重要信息。根據(jù)可靠性、經(jīng)濟性等指標，進行施工方案的比選和推薦，進而生成計算書、圖紙、視頻等數(shù)字化成果。仿真系統(tǒng)施工技術框架如圖2所示。

圖2 跨越施工動態(tài)模擬仿真系統(tǒng)技術框架

3.4 在特大型輸電線路大跨越工程中的應用

為進一步貫徹落實國網(wǎng)公司和江蘇省供電公司的戰(zhàn)略部署，提高機械數(shù)字化管理水平，江蘇省送變電有限公司開展了三維技術在輸變電工程中的應用研究，解決施工中存在的重難點問題，促進三維技術在施工環(huán)節(jié)的深入廣泛應用。

以鳳城—梅里500 kV長江大跨越線路工程跨越塔組立為切入點，從施工數(shù)字化模擬、吊裝方案仿真模擬以及4D進度管理進行了研究。其中施工數(shù)字化模擬在三維仿真環(huán)境中建立施工場地，大型施工機具及材料的三維模型進行施工模擬，展現(xiàn)現(xiàn)場抱桿安裝過程、履帶吊行駛路線、主管等塔材的吊裝過程，并根據(jù)模擬效果對施工方案進行優(yōu)化，對方案修改部分及時跟進，保證模擬效果與現(xiàn)場施工方案保持一致。385 m的SKT型大跨越塔組立現(xiàn)場與三維模型模擬圖如圖3和圖4所示。

圖3 大跨越塔施工現(xiàn)場

圖4 大跨越塔施工模擬

吊裝方案仿真模擬對碰撞檢驗、受力分析、超重預警等進行了三維仿真模擬，能夠在模擬吊裝過程中實時計算履帶吊模型與塔材模型間的直線距離，符合現(xiàn)場實際作業(yè)工況，實時顯示履帶吊性能以及塔材質(zhì)量，實現(xiàn)超重預警，提前發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場施工中的安全隱患，及時糾偏，驗證吊裝方案的可行性以及安全性，實現(xiàn)了施工前的安全模擬復測，實現(xiàn)提質(zhì)增效目標。

3.5 單基策劃與電纜敷設應用研究

江蘇省送變電有限公司依托白鶴灘±800 kV直流線路工程開展三維設計在輸變電單基策劃的應用研究，通過施工模擬預演單基施工方案，輔助施工人員完成單基規(guī)劃、資源配置、難點評估等工作，有效拓展策劃深度，提高策劃質(zhì)量，實現(xiàn)方案優(yōu)化，有效規(guī)避施工風險。

依托江蘇虞城±800 kV換流站項目分析變電站中電纜溝規(guī)劃以支架類型，設計電纜敷設排序規(guī)則，智能規(guī)劃路徑，結合三通四通等關鍵位置電纜間的相互影響，綜合計算出合理的電纜路徑圖。全站電纜的自動排序避免了鋪設電纜占用關鍵通道情況，用時最大程度減少電纜交叉，實時顯示電纜敷設的總長。通過對通道節(jié)點的電纜走向分析，設計走向優(yōu)先級，按照左轉靠左、右轉靠右、直行靠中心等原則，計算電纜在交叉規(guī)避情況下在通道的具體位置。突破了以往施工方案交底時2D表現(xiàn)形式，打造出了沉浸式、交互式的可視化體驗，從而增強了質(zhì)量管控手段，提升了施工工效和技術水平。

3.6 集成技術應用

三維設計雖有很多優(yōu)點，能夠提高設計效率與質(zhì)量，但也存在難以緊密結合工程實際，難以落到實處的難題。同時，雖然三維模型+GIS技術在水利水電、市政工程中運用較多，可目前在電網(wǎng)工程中并未推廣使用。

基于此情況，文獻[11]中將三維技術與AR技術結合，將三維模型利用AR技術通過手機、平板等電子設備與施工現(xiàn)場相融合，實現(xiàn)在現(xiàn)場按照1∶1的比例實地顯示三維模型，有利于信息的高效共享和扁平化傳遞，更加生動、準確、直觀地顯示工程施工信息，使作業(yè)人員快速掌握施工區(qū)域、施工作業(yè)面等信息。同時，國網(wǎng)運城供電公司開始進行基于BIM+GIS主網(wǎng)設備三維運檢平臺的研究，目前已取得一定的研究成果，三維運檢平臺已經(jīng)進入試點階段。

3.7 三維設計評審要點研究

項目評審是工程建設的關鍵環(huán)節(jié)之一，目前中國已有較為成熟的基于數(shù)字化電網(wǎng)三維設計智能輔助評審體系，主要包括以下方面。

首先，要對照三維設計評審深度要求，對三維設計的模型范圍、幾何精度、屬性特性等進行審核核實，總體內(nèi)容、深度、成果形式是否符合國網(wǎng)公司三維設計標準相關要求。其次，要對工程設計方案的精細化把控進行審核，是否利用三維設計模型精細統(tǒng)計工程量，減少人為因素造成的偏差，提質(zhì)增量。然后，要對三維平臺的整體協(xié)同設計功能進行評審，檢查數(shù)據(jù)貫通性、接口互通性、設計平臺易用性等。最后，需要審核設計單位的質(zhì)量管理體系，要求三維設計人員與工程設計人員一體化。通過評審分析不足、提煉亮點、定期總結。

4 結論

三維設計應用于電網(wǎng)工程建設是國網(wǎng)公司貫徹堅持五大發(fā)展理念的表現(xiàn)，根本目的還是在于提升電網(wǎng)工程質(zhì)量，提高電網(wǎng)工程建設效率，從而提升品牌影響力，為公司產(chǎn)品帶來價值。雖然目前三維應用尚未在電網(wǎng)工程建設中完全普及，但不斷試點成功也證明這是一條正確的道路，三維技術的應用對于電網(wǎng)工程建設來說是大勢所趨。