数字化场坪设计在昭通±500kV换流站中的应用

朱纹羲，李越茂，姚枫

(西南电力设计院，成都市610021)

数字化场坪设计在昭通±500kV换流站中的应用

朱纹羲，李越茂，姚枫

(西南电力设计院，成都市610021)

数字化场坪设计能够提高设计精度和效率，并且能够满足工程数字化移交的需求。在昭通±500 kV换流站工程中，采用数字化场坪设计方法建立了场地的三维模型，在三维模型中进行精确的土方量计算、高程分析和站址模拟。通过与传统场坪设计进行对比，得出数字化场坪设计更能够适应现代工程的结论。

数字化场坪设计；土方量计算；三维模型；高程分析；站址模拟

0 引 言

昭通±500 kV换流站是溪洛渡右岸电站送电广东同塔双回直流工程的送端换流站。本工程是云南至广东跨区域高压直流输电电网的重要组成部分，是世界上首个采用2回±500 kV直流线路同塔双回架设，2个±500 kV换流站同期同址合建，2回直流共用接地极的输电工程，是进一步落实国家“西部大开发”战略，实现南方电网“西电东送”总体规划目标，促进区域内资源优化配置的一项重要举措。本工程动态总投资为171.78亿元。本文论述数字化场坪设计在该工程中的应用。

1 数字化场坪设计方法介绍

1.1 数字化场坪设计的概念

数字化场坪设计是数字化设计中的一个部分，为数字化设计提供最基本的模型和基础数据。

通过数字化的面向对象技术，使场坪内的各设计元素转换为数字化三维模型，方便后期对各个模型的数据处理，保证与实际工程的一致，并且为后期的三维布置提供了基础数据模型。

1.2 与传统场坪设计方法的对比

传统的场坪设计方法如格网法、断面法等，不论采用哪一种方式，都有其自身的局限性。

格网法是将场地划分为若干个具有一定间距的正方形方格。在格网点测定点位高程,对每一格网面按四角高程的平均值计算土方。挖填方宜分别冠以“-”“ + ”号以示区别，然后分别计算每一方格的挖填土方。将所有方格计算的土方汇总，即得场地挖方和填方的总土方量。方格越小计算的结果越精确,当方格的大小与实地地形最小的区别尺寸相近时最好。格网法室外作业工作量大,测点可能受地形限制，优点是：直观、易懂、计算简单，但由于每点高程的权不一样，边界点、格网交叉点、格网线上点、格网中间点不能分别确权，故计算精度较差。若要提高计算精度，可适当减小方格网的尺寸，但相应的室外工作量也会加大。

断面法是根据场地形状沿某一平直方向一一测定垂直于该方向的断面数据,断面间土方量以断面平均截面积与断面间距确定,进而由此计算总土方量。断面法外业操作相对复杂，工作量大，精度取决于外业横断面密度(精度与间距L的长度有关，L越小，精度就越高)，但是这种方法内业计算量大，尤其是在范围较大、精度要求较高的情况下更为明显。若是为了减少计算量而加大断面间隔，则会降低计算结果的精度，所以断面法存在计算精度和计算速度的矛盾。

而数字化场坪设计软件是在数字地形模型的基础上采用不规则三角网法来对土方量进行计算。

不规则三角网法计算土方量是利用实测地形碎部点、特征点进行三角构网,对计算区域按三棱柱法计算土方,最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，其实质就是在坐标数据的基础上建立不规则三角网后再计算土方量。因为三角网中的点和线的分布密度和结构完全可以与地表的特征相协调，不改变原始数据和精度，保存原有关键的地形特征，能够很好地适应复杂不规则地形，因此该种计算方法计算精度相对较高。图1中Z1、Z2、Z3为三角形角点挖填高差，S3为三棱柱底面积,土石方量计算公式为

V3=S3(Z1+Z2+Z3) /3

(1)

整个区域的土石方量为

(2)

图1 不规则三角网法

综上所述，因传统场坪设计土方量计算是在二维图纸上发挥工程师的空间想象能力进行的，数据检查完全依靠人工进行，不但需要大量的人力和时间，而且计算结果误差较大，且不能够动态分析各个阶段的土方量，没有直观的三维模型，工作效率低下。而数字化场坪设计是在三维模型的基础上采用不规则三角网法进行计算，整个过程中自动检查数据，在保证数据正确的前提下进行计算，并且能够根据需要迅速调整场坪设计方案得到计算结果。

2 数字化场坪设计在本工程中的应用

在本工程中，由于地形起伏，方案设计和土方计算难度比较大。最初采用传统的方格网近似算法计算出的场坪土方量为填方84万m3，与实际相差较大，在采用数字化场坪设计方法对场坪进行重新计算后，场坪土方量为填方94余万m3。经过优化设计，通过降低设计标高、增加场地内竖向等高线的方式再次将场坪土方量降低到填方90余万m3，计算结果和实际工程量基本相同，如表1所示。

表1土方量优化

Tab.1Earthworkoptimization

本工程施工时正逢雨季，强夯处理方案不能顺利开展，需在填土中增加20%～30%碎石，造成费用大量增加。此时，需要快速调整设计方案，尽可能减少填土量以保障工期和减少投资。

通过数字化场坪设计，多次调整设计方案，最终减少了15%土方造价，缩短了约20%土建工期。

数字化场坪设计主要包含土方量计算和场地数字模拟2个部分。土方量计算是通过对原始场地和场坪曲面进行三维建模，然后采用棱柱体法对这2个曲面进行分析。场地数字模拟可以模拟站址区周边的地形、地貌(包含农田、农房、道路)等信息，从而获取更直观的站址模型，以便帮助设计方向业主更高效地传达设计意图，加深对基础设施设计方案的理解。

2.1 土方量计算

在数字化场坪设计中，根据勘测专业提供的原始地形高程点，在Civil3D中新建三角网曲面，将地形点添加入曲面即完成“数字化地形”(图2)的建立，再采用软件中“创建道路”的方式创建“数字化场地边坡曲面”(图3)模型，最后在这2个曲面之间进行矢量叠加形成体积曲面(图4)，在体积曲面中按不规则三角网法计算土方。

图2 数字化地形

图3 场坪边坡曲面

图4 体积曲面

经过计算，昭通换流站的土方量如图6所示。

图5 挖填方量

2.2 生成土方图

对工程进行精确的土方量计算后，生成土方图(图6)。土方图中清晰地反映出了每一个网格中的挖方和填方的数值，可以用于指导施工。

图6 土方图

2.3 站址区模拟

在数字化场坪设计中，采用AIW软件对站址区进行模拟。

将勘测专业提供的地形图中的农田、农房、道路等导出为SDF或者IMX格式，再将原始地形曲面和场坪边坡曲面分别以LandXML格式导出。

在AIW中新建一个工程，设置好坐标系，将准备好的模型数据分别导入，设置和工程相同的坐标系，分别设置每个数据源的显示样式，刷新模型后即初步完成站址区模拟，如图7所示。

图7 站址区模拟

完成模拟后，可以再从数据库下载站址区地图，通过设置经纬度范围来确定下载范围，如图8所示。

最后采用数字化场坪设计软件中的Raster对图片进行编辑和定位，将带经纬度信息的图片移动到模型所在坐标系，并将坐标系信息放在和图片同名的*.jgw文件中。在AIW中，通过添加Raster格式的数据源将图片添加进模型，使得模型展示的信息更完整，如图9所示。

图8 地图下载

图9 模拟效果

AIW除了可以对站址区进行模拟外，还能对地形进行高程、坡向和坡度的分析，并使用云图的方式显示(图10)。

图10 高程分析

通过AIW的高程分析，可以很直观地看出该场坪场地的挖方区和填方区，从而可以更好地进行场坪高程和位置的调整，更好地达到挖填平衡的目的。

3 结 语

与传统场坪设计方法相比，数字化场坪设计具有传统方法不可比拟的优势，主要有以下几个方面：

(1)自动进行数据检查和三维模型的生成；

(2)快速完成整个场地的土方量计算，并迅速动态地修改和显示各个设计阶段的土方量，并附有三维图形显示；

(3)站址模拟能够快速地进行多个场坪方案的展示，帮助业主进行方案的选择；

(4)反映较为真实的站址区地形地貌，大致了解占用农田、农房等信息；

(5)在进站道路优化选线方面也能够给设计人员提供较大的帮助；

(6)适应建筑信息模型(building information model, BIM)的要求，能够给后续数字化移交等工作提供场地数据支持。

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(编辑：刘文莹)

ApplicationofDigitalSiteDesigninZhaotong±500kVConverterStation

ZHU Wenxi, LI Yuemao, YAO Feng

(Southwest Electric Power Design Institute, Chengdu 610021, China)

Digital site design can improve the accuracy and efficiency of design and meet the demands of digital transfer. The 3D site model was established by using digital site design in Zhaotong ± 500 kV converter station, in which the accurate calculation of earthwork, the elevation analysis and the site simulation were carried out. Compared with the traditional site design, it is shown that digital site design is more suitable for modern engineering.

digital site design; earthwork calculation; 3D model; elevation analysis; station site simulation

TM 72

： A

： 1000-7229(2014)02-0062-04

10.3969/j.issn.1000-7229.2014.02.012

2013- 08- 21

：2013- 10- 23

朱纹羲(1986)，男，本科，助理工程师，主要从事变电数字化设计工作，E-mail：510323570@qq.com；

李越茂(1982)，男，本科，工程师，主要从事变电数字化设计工作；

姚枫(1979)，女，本科，工程师，主要从事变电数字化设计工作。