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摘要：隨著國家電網(wǎng)工程建設(shè)中對于技術(shù)要求不斷提高，中國電網(wǎng)工程建設(shè)在長期發(fā)展過程中也迎來了從傳統(tǒng)二維設(shè)計模式向三維設(shè)計模式的轉(zhuǎn)變。三維技術(shù)在建筑等領(lǐng)域的日漸成熟與廣泛應(yīng)用也將成為電網(wǎng)工程建設(shè)發(fā)展的助力，支撐其向科學(xué)化、數(shù)字化、信息化轉(zhuǎn)變。但三維設(shè)計受電網(wǎng)工程建設(shè)專業(yè)性限制，目前仍處于發(fā)展階段。基于此情況，分析了三維設(shè)計在電網(wǎng)工程建設(shè)中應(yīng)用情況與關(guān)鍵技術(shù)，以期為之后相關(guān)工作提供參考。

關(guān)鍵詞：電網(wǎng)建設(shè)；三維數(shù)字化；應(yīng)用現(xiàn)狀；轉(zhuǎn)變

1三維技術(shù)在電網(wǎng)工程建設(shè)中的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

《中國制造2025》中[1]要求將數(shù)字化研發(fā)設(shè)計工具普及率達(dá)到84%，黨的十九大[2]也提出了“數(shù)字中國，智慧社會”的目標(biāo)，所以工程數(shù)字化轉(zhuǎn)型勢在必行，而三維設(shè)計是工程數(shù)字化的基礎(chǔ)。2017年國家電網(wǎng)公司提出電網(wǎng)工程將采用三維設(shè)計實現(xiàn)設(shè)計手段“上臺階”，完成設(shè)計成果全信息仿真，集成技術(shù)并提升工程建設(shè)管理水平。同時隨著云計算、大數(shù)據(jù)等新理念、新技術(shù)的發(fā)展，三維數(shù)字化設(shè)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(shù)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(shè)計的應(yīng)用。目前計算機二維設(shè)計已經(jīng)較為成熟，但AutoCAD已經(jīng)無法適應(yīng)現(xiàn)階段工程全壽命周期的高要求，三維技術(shù)可以通過工程建設(shè)中各方人員的相互配合來使工程項目精準(zhǔn)化、細(xì)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(shè)中仍處于發(fā)展、推廣階段，理論研究和實際應(yīng)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(lǐng)域的全專業(yè)協(xié)同設(shè)計，但是線路領(lǐng)域一直局限于在設(shè)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(shè)計主要應(yīng)用的軟件包括可以實現(xiàn)二維接線和三維數(shù)字化設(shè)計的Bently公司的Substation和Autodesk公司的Revit；可以進行三維設(shè)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?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動圖形理念的博超設(shè)計平臺。

2三維技術(shù)在電網(wǎng)工程建設(shè)中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1電網(wǎng)工程設(shè)計平臺開發(fā)

設(shè)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(shè)計平臺，如ProjectWise平臺，大多側(cè)重于設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，一般情況下還需委托專業(yè)公司進行開發(fā)或采購相應(yīng)軟件，極大地增加了管理成本。基于此情況文獻[5]對于BIM協(xié)同的管理平臺進行了研究與設(shè)計，并結(jié)合實際工程在變電站設(shè)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(jié)果表明協(xié)同管理平臺能夠?qū)崿F(xiàn)施工的全生命周期管理，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。2.2數(shù)據(jù)模型采用統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)電網(wǎng)設(shè)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(biāo)準(zhǔn)，以三維數(shù)字化設(shè)計平臺為載體，對設(shè)計、勘探、造價、制造、施工、運維等專業(yè)的輔助設(shè)計計算、地理信息、工程量清單、設(shè)備模型、施工模型、數(shù)字化移交等工作進行整合，達(dá)到數(shù)據(jù)交互的目的。

3三維技術(shù)在電網(wǎng)工程建設(shè)中的實踐

3.1線路最優(yōu)路徑選擇中的應(yīng)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(gòu)建更加精細(xì)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。

3.2變電站設(shè)計、建設(shè)中的應(yīng)用

目前三維技術(shù)在變電站建設(shè)場景中應(yīng)用已較為成熟，從設(shè)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(shù)在黃渡500kV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(biāo)準(zhǔn)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(zhuǎn)，形成了數(shù)字化設(shè)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(shù)構(gòu)建了變電站施工過程中風(fēng)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(fēng)險特征進行了評估，經(jīng)仿真驗證評估準(zhǔn)確性最高可達(dá)100%。文獻[9]中設(shè)計完成三維全景監(jiān)視系統(tǒng)應(yīng)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(shè)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(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合GIS、ERP、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)構(gòu)建了安全文明施工管理的施工管理平臺應(yīng)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(xì)化、標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用

通過參數(shù)化方式，方便快捷地建立跨越架、桿塔、導(dǎo)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(shè)置的邊界條件自動計算出導(dǎo)引繩、牽引繩、導(dǎo)地線、防護網(wǎng)的張力、弧垂關(guān)系、風(fēng)偏距離、承載力關(guān)系等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，進而自動分析出防護設(shè)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(biāo)，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(shù)框架如圖2所示。

3.4在特大型輸電線路大跨越工程中的應(yīng)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(shù)在輸變電工程中的應(yīng)用研究，解決施工中存在的重難點問題，促進三維技術(shù)在施工環(huán)節(jié)的深入廣泛應(yīng)用。以鳳城—梅里500kV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。385m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。吊裝方案仿真模擬對碰撞檢驗、受力分析、超重預(yù)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(yù)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(fù)測，實現(xiàn)提質(zhì)增效目標(biāo)。

3.5單基策劃與電纜敷設(shè)應(yīng)用研究

江蘇省送變電有限公司依托白鶴灘±800kV直流線路工程開展三維設(shè)計在輸變電單基策劃的應(yīng)用研究，通過施工模擬預(yù)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(fēng)險。依托江蘇虞城±800kV換流站項目分析變電站中電纜溝規(guī)劃以支架類型，設(shè)計電纜敷設(shè)排序規(guī)則，智能規(guī)劃路徑，結(jié)合三通四通等關(guān)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(shè)電纜占用關(guān)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(shè)的總長。通過對通道節(jié)點的電纜走向分析，設(shè)計走向優(yōu)先級，按照左轉(zhuǎn)靠左、右轉(zhuǎn)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(shù)水平。

3.6集成技術(shù)應(yīng)用

三維設(shè)計雖有很多優(yōu)點，能夠提高設(shè)計效率與質(zhì)量，但也存在難以緊密結(jié)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(shù)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(shù)與AR技術(shù)結(jié)合，將三維模型利用AR技術(shù)通過手機、平板等電子設(shè)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(zhǔn)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(shè)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(shè)計評審要點研究

項目評審是工程建設(shè)的關(guān)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(shè)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(shè)計評審深度要求，對三維設(shè)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(shè)計標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。其次，要對工程設(shè)計方案的精細(xì)化把控進行審核，是否利用三維設(shè)計模型精細(xì)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(shè)計功能進行評審，檢查數(shù)據(jù)貫通性、接口互通性、設(shè)計平臺易用性等。最后，需要審核設(shè)計單位的質(zhì)量管理體系，要求三維設(shè)計人員與工程設(shè)計人員一體化。通過評審分析不足、提煉亮點、定期總結(jié)。

4結(jié)論

三維設(shè)計應(yīng)用于電網(wǎng)工程建設(shè)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(shè)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(yīng)用尚未在電網(wǎng)工程建設(shè)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(shù)的應(yīng)用對于電網(wǎng)工程建設(shè)來說是大勢所趨。

作者:曾鴻志 嚴(yán)垚 郭天成 張海東 單位:江蘇省送變電有限公司