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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(jì)模式向三維設(shè)計(jì)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(jì)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?；诖饲闆r，分析了三維設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)手段“上臺階”，完成設(shè)計(jì)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(shí)隨著云計(jì)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(jì)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(jì)的應(yīng)用。目前計(jì)算機(jī)二維設(shè)計(jì)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(xiàng)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(shí)際應(yīng)用都需要更進(jìn)一步地探索[3-4]。在電力行業(yè)內(nèi)，中國已基本實(shí)現(xiàn)了發(fā)電和變電領(lǐng)域的全專業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)，但是線路領(lǐng)域一直局限于在設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)主要應(yīng)用的軟件包括可以實(shí)現(xiàn)二維接線和三維數(shù)字化設(shè)計(jì)的Bently公司的Substation和Autodesk公司的Revit；可以進(jìn)行三維設(shè)計(jì)軟件集成功能，實(shí)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(shí)際平臺；國內(nèi)常用的以數(shù)據(jù)為核心，堅(jiān)持?jǐn)?shù)據(jù)驅(qū)動圖形理念的博超設(shè)計(jì)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(jì)平臺開發(fā)

設(shè)計(jì)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(jì)平臺，如ProjectWise平臺，大多側(cè)重于設(shè)計(jì)和施工階段的模型展示，相互獨(dú)立不能互通，無法進(jìn)行協(xié)同管理，不能滿足項(xiàng)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(jìn)行開發(fā)或采購相應(yīng)軟件，極大地增加了管理成本?；诖饲闆r文獻(xiàn)[5]對于BIM協(xié)同的管理平臺進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)際工程在變電站設(shè)計(jì)施工中的進(jìn)度管理、質(zhì)量管理、安全管理、物資管理等場景可行性進(jìn)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(jì)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(jì)平臺為載體，對設(shè)計(jì)、勘探、造價(jià)、制造、施工、運(yùn)維等專業(yè)的輔助設(shè)計(jì)計(jì)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(jìn)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(shí)踐

3.1線路最優(yōu)路徑選擇中的應(yīng)用

文獻(xiàn)[6]利用線路沿線的地形實(shí)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(shí)加入水文、地質(zhì)、公路、房屋等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合最優(yōu)路徑選取，如圖1所示。

3.2變電站設(shè)計(jì)、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(jì)階段到施工管理以及建成后的運(yùn)維都已有成熟的研究成果。文獻(xiàn)[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(jìn)行運(yùn)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(shí)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(jì)數(shù)據(jù)的協(xié)同工作與共享。文獻(xiàn)[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(xiǎn)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(xiǎn)特征進(jìn)行了評估，經(jīng)仿真驗(yàn)證評估準(zhǔn)確性最高可達(dá)100%。文獻(xiàn)[9]中設(shè)計(jì)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(yùn)行與設(shè)備數(shù)據(jù)易于工作人員進(jìn)行直觀監(jiān)控。文獻(xiàn)[10]中對變電站施工現(xiàn)場安全文明施工進(jìn)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(shí)際生產(chǎn)施工中，實(shí)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(shí)，可根據(jù)規(guī)程規(guī)范設(shè)置的邊界條件自動計(jì)算出導(dǎo)引繩、牽引繩、導(dǎo)地線、防護(hù)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(jìn)而自動分析出防護(hù)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(jì)性等指標(biāo)，進(jìn)行施工方案的比選和推薦，進(jìn)而生成計(jì)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(jìn)一步貫徹落實(shí)國網(wǎng)公司和江蘇省供電公司的戰(zhàn)略部署，提高機(jī)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(diǎn)問題，促進(jìn)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(diǎn)，從施工數(shù)字化模擬、吊裝方案仿真模擬以及4D進(jìn)度管理進(jìn)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(jī)具及材料的三維模型進(jìn)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(jìn)行優(yōu)化，對方案修改部分及時(shí)跟進(jìn)，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(yàn)、受力分析、超重預(yù)警等進(jìn)行了三維仿真模擬，能夠在模擬吊裝過程中實(shí)時(shí)計(jì)算履帶吊模型與塔材模型間的直線距離，符合現(xiàn)場實(shí)際作業(yè)工況，實(shí)時(shí)顯示履帶吊性能以及塔材質(zhì)量，實(shí)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(shí)糾偏，驗(yàn)證吊裝方案的可行性以及安全性，實(shí)現(xiàn)了施工前的安全模擬復(fù)測，實(shí)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(jì)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(diǎn)評估等工作，有效拓展策劃深度，提高策劃質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)方案優(yōu)化，有效規(guī)避施工風(fēng)險(xiǎn)。依托江蘇虞城±800kV換流站項(xiàng)目分析變電站中電纜溝規(guī)劃以支架類型，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)最大程度減少電纜交叉，實(shí)時(shí)顯示電纜敷設(shè)的總長。通過對通道節(jié)點(diǎn)的電纜走向分析，設(shè)計(jì)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(jì)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(shí)2D表現(xiàn)形式，打造出了沉浸式、交互式的可視化體驗(yàn)，從而增強(qiáng)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(jì)雖有很多優(yōu)點(diǎn)，能夠提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量，但也存在難以緊密結(jié)合工程實(shí)際，難以落到實(shí)處的難題。同時(shí)，雖然三維模型+GIS技術(shù)在水利水電、市政工程中運(yùn)用較多，可目前在電網(wǎng)工程中并未推廣使用?；诖饲闆r，文獻(xiàn)[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(jī)、平板等電子設(shè)備與施工現(xiàn)場相融合，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場按照1∶1的比例實(shí)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(shí)，國網(wǎng)運(yùn)城供電公司開始進(jìn)行基于BIM+GIS主網(wǎng)設(shè)備三維運(yùn)檢平臺的研究，目前已取得一定的研究成果，三維運(yùn)檢平臺已經(jīng)進(jìn)入試點(diǎn)階段。

3.7三維設(shè)計(jì)評審要點(diǎn)研究

項(xiàng)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(jì)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(jì)評審深度要求，對三維設(shè)計(jì)的模型范圍、幾何精度、屬性特性等進(jìn)行審核核實(shí)，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(jì)標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)要求。其次，要對工程設(shè)計(jì)方案的精細(xì)化把控進(jìn)行審核，是否利用三維設(shè)計(jì)模型精細(xì)統(tǒng)計(jì)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(jì)功能進(jìn)行評審，檢查數(shù)據(jù)貫通性、接口互通性、設(shè)計(jì)平臺易用性等。最后，需要審核設(shè)計(jì)單位的質(zhì)量管理體系，要求三維設(shè)計(jì)人員與工程設(shè)計(jì)人員一體化。通過評審分析不足、提煉亮點(diǎn)、定期總結(jié)。

4結(jié)論

三維設(shè)計(jì)應(yīng)用于電網(wǎng)工程建設(shè)是國網(wǎng)公司貫徹堅(jiān)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(jià)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(diǎn)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