输电线路铁塔三维数字化建模方法研究

输电线路铁塔三维数字化建模方法研究

孟庆明

北京送变电有限公司 北京市 102401

摘要：近年来，建筑信息模型化技术在建筑、水力、化工、石油等行业进入应用阶段，但在输电线路行业尚处于探索阶段。即使将BIM技术应用于实际工程，也仅作为辅助施工和加工的一种手段。输电线路工程正在大力推进三维数字化和智能电网的建设，实现对设备设施全寿命周期的管理。但目前针对铁塔的三维数字化建模方法暂无系统性研究。对铁塔三维数字化模型进行定义，分析模型细节层次，总结和分析目前主要的建模方法及优缺点，提出了一种从铁塔计算模型直接生成三维实体模型的建模方法，从而构建满足全寿命周期管理的铁塔模型。梳理现有铁塔三维数字化建模通用软件的优缺点，采用TeklaStructures软件，建立一种特高压工程铁塔三维模型。

关键词：铁塔；三维数字化模型；建模方法

引言

为建设智能电网，输电线路行业正大力推进三维数字化设计，力求建立全线路完整的三维数字化模型，满足工程全寿命周期管理的需要。输电线路模型主要包括铁塔、基础、金具、绝缘子串、导地线等设备设施等，其三维数字化模型中包含了丰富的数据信息，既可表达外形等几何信息，又包含设备的属性信息以及与关联设备间的逻辑关联信息。基础、金具、绝缘子串和导地线因其部件少，形状特征可归纳提取，早已实现参数化建模。而输电铁塔因其具有塔型多样、结构布置形式种类多、零件数量巨大，多接身多接腿组合、挂点和塔脚局部构造复杂等特点，已成为输电线路三维数字化模型的关键。

1架空输电线路三维数字化协同开发平台总体设计

首先是结构框架。高压架空输电线路三维数字协同开发平台提供以下几方面功能：全生命周期线路项目规划、平台协同设计、统计、分析、方案改良；覆盖工程的招投标、初步设计、可行性研究、选线规划、设计施工图阶段；完成估算经济指标、查询统计成果、优化路径选择、数字化成果移交、地理资料数字化采集，较大提高咨询和设计服务水平。其次是设计方法输电线路三维数字化协同开发平台以高精度影像和地理数据为基准，大型数据库为中心，依托精细化三维建模平台，采用数据可视化建模技术，结合工程信息，进而以三维数字化形式并结合协同开发系统平台理念，将架空输电线路的地形地貌及施工数据信息整合；构建逼真三维环境现场。一是科学计算可视化基本模型建模设计开发工作者的数据可视分析办法由科学计算可视化建模来创建。一般地，建立物理模型是研究物理现象的前提，之后在将物理模型变为数学模型，然后生成计算模型，以便计算机计算生成可视图形信息；之后将可视图形信息提交由研发人员做分析，进而概括物理世界的内在规则。可视化数据建模输入有2种：一种是模拟阶段的数据，另一种是分析阶段的可视化过程命令。可视化过程输出图形信息，以供研究。可视化过程建模也可分：以下四步。1）生成应用数据模块的是“数据预处理”，2）数据几何是由数据模块“映射”而来；3）几何数据转变图像数据是由“绘制”功能实现。4）“显示”不仅完成显示功能，还要接受研发人员的反馈，全部建模流程。二是软件开发技术。首先是面向对象技术面向对象技术无可厚非的成为软件开发领域的一种常用技术，它可以使软件和现实世界直接对应，使现实世界在软件系统中得以模拟，而这个过程是软件系统中的解空间的一个对应过程。它努力实现一个高效解决问题的目标；它是一种方法学，类似于人类认识事物的过程，既吸收现有关于事物的知识和经验，又反复且逐步深入认识研究事物。每个物体实例（对象）均具备其特有的状态和运行规律；经过分析之后，多数物体实例（对象）皆可以找到一个实例类别，那么物体实例（对象）便成为其一个对象实例；经过计算机处理之后，实例类别转变为软件系统中的操作数据。实例类别经过操作，也就是软件系统中的“方法”来实现类的功能，所以“方法”是类实现功能的方法，类还通过数据显示其结构特征，这个数据也被称为类的属性。通过消息来实现类对象之间的交互。不同对象之间的交互构成了各种系统，从而构成现实世界；在面向对象技术中，不言而喻对象是其核心；在将现实世界对应到软件系统的过程中，对象是基本的研究单位，经过针对对象的研究、分析。其次是数据库技术数据库技术作为软件科学中的一项重要技术，辅助数据管理方法，是现代信息科学的必要组成部分，它研究和管理的对象是数据，涉及主要内容包括：经过对数据的管理和组织，建立数据仓库；实现对数据库中的数据进行理解、分析、处理、删除、修改、添加、打印和报表等多种功能的数据挖掘使用系统；实现对数据分析、理解和共享，实现高效检索、保障数据安全，并减少数据冗余。

2计算模型生成实体模型建模方法的应用

2.1创建节点板

TeklaStructures本身具有强大的节点模板库，其中含有600多种节点型式以及参数化节点设计模块。但由于主要面向建筑和民用钢结构领域，对于输电铁塔并不完全适用，目前输电铁塔建模大部分采用人工逐个节点建模或者二次开发相应的功能。节点板人工建模需要先绘制外形，然后定义材质和尺寸信息。

2.2创建挂点。

铁塔挂点是模型最复杂的部分，通常在杆件和节点板建成后再进行挂点建模。首先对挂线角钢、挂线板、肋板进行建模并计算其装配位置信息，然后将构件放置到相应的位置。由于目前TeklaStructures不支持角钢开合角，因此对于开合角较大的角钢只能单独定义截面类型再装配。

2.3复杂构件误差检测

首先将铁塔构件的点云数据进行适当的预处理,再将处理后的点云与标准模型同时输入到软件中,以GeomagicQualify中的BestFitAlignment命令将构件点云与标准模型进行对齐,通过3DCompare命令后生成的误差检测报告,误差报告中给出了测量点的公差和偏差范围,正向最大偏差为12.51mm,平均偏差2.00mm;负向最大偏差为-30.15mm,平均偏差-3.48mm;标准差为3.93mm。82%的点误差在公差范围内,进一步分析超出公差范围的部分,突破了传统的三视图信息描述一个物体,实现了在检测途中全方位多角度的观察物体各方面的误差情况,各种颜色所代表的误差值在图中直观的显示出来。通过以上的实例分析可知运用GeomagicQualify三维检测的方法能够直观的显示出误差的分布和误差大小,检测报告也很详细,对于物体表面的检测很有效果,但是对物体表面的孔洞检测效果不理想,具体表现为从检测结果七视图中无法判断这些孔洞的误差情况如何,它只显示有点云覆盖的表面误差,因此,需要进一步对本文中的螺栓孔空间位置进行检测。

结语

总之，基于对铁塔三维数字化模型的研究，提出了一种从计算模型直接生成实体模型的建模方法。建模过程中利用实体模型与计算模型进行数据对比，随时对节点构造进行调整，使铁塔模型具备了构造属性。远期还可基于通用软件进行二次开发，使程序根据杆塔单线模型的结构参数，结合实际角钢朝向、节点板、挂线板、塔脚板、法兰、支座等部件设计经验算法，利用计算机技术进行空间分析、三维设计，自动建立杆塔的三维精细实体模型。

参考文献

［1］周静瑜.特高压组塔措施推演辅助BIM应用与研究［J］.建设监理，2014（7）：15-17.

［2］张大庆，绳晓玲.基于AutoCAD的输电铁塔三维系统开发［J］.仪器仪表与分析监测，2008（1）：22-24.