三维数字化技术与可行性研究在输电线路工程建设施工中的应用价值分析

吴敏彦，冯明杰

1.绍兴大明电力设计院有限公司，浙江绍兴，312000；2.浙江东城建设管理有限公司，浙江绍兴，312000

0 引言

较早开始应用数字化技术进行虚拟制造、仿真的行业应当属制造业，尤其是航空航天领域。数字制造技术能够缩短周期，为企业节约成本。数字化研发设计的普及率逐渐提高，建筑信息模型技术（BIM）在发展过程中将设计、施工、管理等环节融为一体，可适用于建筑施工项目的整个生命周期[1]。与此同时，其他行业和领域如交通、电力等也都普遍采用了三维数字化设计技术，能够实现实景模拟、输电线路工程的综合布置等等。

我国提出构建数字中国、智慧社会的战略目标，BIM技术得到大力推广，工程数字化势在必行，三维设计则是工程数字化的内在驱动力和源头。加上工业4.0时代的到来，当前生产制造领域迎来了黄金时代，3D打印、物联网、云计算、大数据等新理念和新技术的发展催生了三维数字化应用价值的变革。鉴于此，文章以设计专业多、技术复杂、协调工作量大的输电工程建设为主要内容，探讨三维数字化技术在该行业的可行性与应用价值。

1 输电线路三维数字化关键技术——平台架构设计

输电线路三维数字化基于BIM技术的生命周期全过程理念，主要涉及平台开发，协同设计，数据传输、交互及处理等方面的关键技术。在平台架构设计中，主要利用三维技术+虚拟数字化技术的工作机制模拟人际交往逻辑和协同工作逻辑。数字和模型的数据化程度不断提高，像素也不断增高，便于可视化模型的构建[2]。此外，该平台架构设计涉及多个方面的专业知识，将各部分连接成一个整体，使其可视化程度更高，数据交互能力与资源信息共享的能力也更加强大。同时，该平台架构设计的适用性和普遍性很强，可以供不同专业的人使用，充分发挥其在结构、电气和线路等方面的价值。

此外，输电线路三维数字化平台构架的主要特点是为各行业的资源整合工作提供了一条可行性思路。首先，建立统一的数字化平台，利用智能手段代替人工工作模式，对各部分工作进行统筹管理，合理分配资源。其次，平台还可以进行共享和存储工作，同时提高平台整合功能和扩大使用范围，该平台不仅涉及输电线路设计等专题方面的工作，还涉及基础地理和影像方面的数据资源，功能强大。再次，该平台不仅仅只是工作运行机制，同时也是交流平台，用户能进行访问、查询和利用。最后，该平台还是预测机制，能够以可视化影像信息实现精细化和自动化设计，促使设计方案更加合理，即使在施工过程中出现错误也能够及时从三维建模上反映出来，加强前后的衔接以及各方面的使用情况对接，在平台运行机制下，施工和规划设计等更加方便，无疑是工程建设中提高效率的有力保障。

上述我们提及该平台的基础管理功能能够满足协同检查、量化工程量等的需求，实现管线设计、碰撞检查、故障定位、三维模拟等操作，但是其在高级扩展功能方面仍有一些欠缺。另外，平台设计基本原理主要依托计算机技术，将数据计算与软件开发相结合，围绕电网设计、线路布置、业务管理等方向，利用遥感测绘技术、三维建模技术、数据库等各种手段和技术，将收集到的数据信息储存在数据库中，经过一定的筛选和处理，利用三维技术模仿人际交往的逻辑思维，使其形成人机交流、合作的界面[3]。

2 三维数字化技术在输电线路工程中的应用

2.1 模拟施工指导

三维数字化技术在输电线路施工过程中发挥出较大的作用和价值，利用该技术能够进行基础施工模拟，将BIM模型输入基础校验软件中，能够对施工过程进行稳定性计算，例如为确保基坑安全，能够对施工开挖、超载、降雨等因素引起的地下水位上升等工况进行预测和计算。施工过程中铁塔组立、导地线架设阶段是施工阶段的重中之重，会直接影响输电线路施工现场安全与质量控制。鉴于此，在该阶段应用可视化模拟技术，能够计算施工方案、安全技术措施是否具备可行性和合理性，以此实现优化施工方案中的技术措施、提高安全指数的目标。再比如，输电铁塔灌注基础设施阶段，采用泥浆护壁旋转钻孔和水下灌注混凝土法成桩，根据BIM模型技术能够计算出具体的护筒埋设深度、护筒中心与桩位中心的偏差等数据。桩基检测工程的质量检测与验收也十分重要，作为输电线路工程中的大型隐蔽工程，桩基质量检测应利用脉冲力波的波阻结合振幅大小判断桩的位置、完整性、缺陷程度等。同时，利用特殊的FEI-B型信号采集器使得反射波能够在计算机屏幕上显示出来[4]。

2.2 有利于路径比对，实现方案优化

三维数字化技术能够利用可视化技术进行路径比选，综合最优，为设计方案提供有力的视图信息。一方面，可以沿用传统的人工调查形式，设计人员根据现场调查和收资的情况，熟悉并标红路径所经的敏感区域；同时，还能够结合电网专题数据中的资料，应用地理信息排除部分不合理的初选方案，最终留下2～3个比选路径。此类三维数字化设计主要应用于大方案路径比选、局部路径优化等方面。另一方面，无人机遥感测绘技术使得建筑工程绘制施工平面图如虎添翼。首先，无人机遥感技术可以自动将范围内的所有物体生成坐标，以此保证定位信息的准确性。其次，无人机遥感测绘技术能够根据输入的数据信息进行三维建模，将数据信息转化为模型，有极强的分辨率与辨识度，在很大程度上帮助测绘工作人员绘制和完善施工平面图。最后，无人机遥感测绘技术的DOM精准度与像控点相对较高。这就意味着无人机可以在规划的路线内随意穿梭，可以发现各种死角，并对死角内部进行科学性、全面性的影像采集和测绘处理。目前这一应用不仅限于测绘工程，而且还是提高建筑工程施工质量的主要途径。

2.3 清理通道，量算三维空间

设计线路通道时，有关工作人员需要对房屋的拆除工作和树木的砍伐工作进行全面统筹考虑，并进行合理清理。清理这一过程需要专业人员根据输电线路工程中的排路，选线对房屋、电线杆等各个地方的走向进行统计，依照具体砍伐和拆除要求，分析整理收集到的信息（如表1所示），并根据信息制作图纸。

表1 三维数字化设计在输电线路工程中的排路、选线

通过三维数字化技术，能够提高初始工程量的精确度，利用三维空间量算功能为房屋拆迁提供智能技术参数[5]；同时，还可以利用施工图为建管单位提供直观、科学的可视化分析。

2.4 空间校验，仿真模拟

三维数字化技术的数据分析功能非常强大，能够采用不同的分析方式，实现对空间地理的数据分析。其主要经过对地理坐标的转换与矢量化设计，结合几何要素、元数据技术等，检查空间数据和各个数据之间的联系，对其进行重新分类，入库管理[6]。在一定程度上，三维数字化技术的空间校验功能解决了很多难题，即使是在物体处于静止不动的状态时，都能够计算出电气间的间隙、风力摆动等数据；还可以根据交叉跨越物体的尺寸和空间位置，测量出任意两个物体的空间距离，具备上述已知条件后就可计算导地线在大风、过电压等工况时的交叉跨越和风偏距离。

强大的数据分析功能与三维建模功能的结合能够应用于高危地区、恶劣气候环境下的仿真模拟。利用三维数字化技术可以实现导地线机械特性自动计算，数据库中包含各种工况，如高温、大风、过电压、覆冰等，能够实现多工况的导地线弧垂模拟。如图1所示，瓶口电气间隙得到直观、快捷的校核。

图1 瓶口电气间隙校核

2.5 三维组串，碰撞检查

三维设计可提供各种视角的施工图，利用三维立体空间更好地突出设计意图，能够实现线与线、线与塔、串与塔、串塔内部等的三维空间碰撞检查、距离测算、连接管理等[7]，尽量避免隐蔽性设计错误的出现。在三维技术可视化的基础上，结合其他的技术，能够实现三维空间仿真模拟。传统的设计方案难以实现对地震、海啸等自然灾害的信息考量，而三维数字化技术能够实现对各种自然因素、经济因素的比较，实现对选线和排位的分析等，以此设计出更好的方案，不仅能够为实地工程提供技术参考，还可以进行细节上的碰撞检查，提高其使用的效率。例如，三维金具的组装设计，如图2所示，这是一个金具与挂板相碰的实物及模拟图，如果依靠人工安装检修经验难以确保组装设计的精准性，三维数字化技术可实现在三维实体中对各种金具串进行组装、拆分等逼真模拟，使得安装过程更直观、信息更全面。

图2 挂点出口第一个金具与挂板相碰

2.6 收集信息，搭建场景

三维数字化平台的高级功能主要包括工程量统计、自动出图、仿真分析、协同检查等。此外，还能够实现对相关数据的分析和整理，包括快速通信、数据集成、云计算和大数据等技术，这些技术是构建数据平台、实现异地协同办公、辅助决策等功能的前提和条件。比如，在工程造价管理阶段，可以利用三维设计技术对实体工程量进行分类统计，细化工程量，统计好材料费用，形成科学清单，在已有模板基础上设计人员测算费用就会更加方便快捷。再比如，数据信息的收集功能与仿真建模功能的结合能够搭建三维小场景，塔位小场景的搭建模型首先要对现场进行勘察测绘，其次要收集、整理与融合测绘数据，包括杆塔信息、塔基范围内的地表障碍物等，最后利用三维数字化仿真模拟技术搭建塔位小场景[8]。

3 三维数字化发展目标与实施路线展望

3.1 发展阶段及其对应目标

三维数字化设计技术应用于电网工程主要需要经历以下几个发展阶段，首先是起步阶段。这一阶段才刚刚引入三维数字化设计相关概念，电网工程智能化刚刚起步，这一阶段的主要目标是实现可视化展示以及设计成果的数字化移交。其次是发展阶段。这一阶段电网工程的智能化已经趋于系统和完善，建构了功能性和适应性较强的平台，能够解决数据交互、信息处理等问题。这一阶段的主要目标是推动重点工程的发展和提高设计质量，延长相关产业链。最后是成熟阶段。这一阶段已经形成完善的行业标准体系，三维数字化技术应用率和覆盖率达到100%，实现设计成果的全寿命周期应用。现阶段，我国三维数字化设计进入了发展阶段，不断吸收国内外先进的技术经验，正在经历攻坚克难的时期，为步入成熟阶段打好坚实的基础[9]。

3.2 改进方向与实施路线

3.2.1 发挥政府主导作用

技术革新是社会进步的重要表现，但是往往会存在阶段性的困难。鉴于此，我们要发挥政府的主导作用，构建政府引导、试点应用、企业宣传、行业推广的参与机制。

3.2.2 建立统一标准体系

标准体系能够促进三维数字化设计的统筹发展，对我国有关领域和行业的发展能够起到重要的作用，企业标准先行，再逐步上升到行业标准、国家标准。

3.2.3 构建专业人才队伍

三维数字化技术的应用范围较广，涉及诸多专业，因此有关单位应注重培养专业素质与综合素质“双高”的复合型人才；相关单位和企业应该从软硬件购置、教育培训等方面加强人才队伍建设的投入和保障；同时，激励设计行业加强对三维数字化的技术投入，探索三维数字化设计成果的质量认证方式。

4 结语

综上所述，基于BIM技术全寿命周期理念之下的三维数字化技术已经广泛应用于我国电力事业中，在输电线路领域发挥了其作用和价值，促进了输电管理工作的科学性与合理性。三维数字化技术在基于实现数据共享、协同管理的基础上，还能够为通道清理、排线选位、构建场景、碰撞检查等工作提供科学的决策和辅助图纸，促进工作效率的提升和管理水平的科学性。