随着经济的发展,电力工程的建设力度不断加强。作为电力工程中重要的组成部分,输电线路工程的规模也日益增长。由于输电线路工程一般复杂度高、工期长、地域跨度大,从设计到施工会产生大量图纸资料,而二维图纸信息表达能力有限且缺乏联动性,因此设计信息在各专业共享程度低。建筑工程领域广泛应用的BIM技术,在数字化设计、信息管理等方面已取得了较为可观的成果。将BIM技术应用于输电线路工程,采用BIM软件进行设计,所有的信息都被储存在一个BIM三维模型当中[1],信息的传递、调用、管理都通过这个中央模型来实现,方便各参与方查看与决策,大幅度提高了工作效率。

本文基于国家电网项目“上海金山新夫110kV输变电”工程,探索了BIM技术在输电工程设计中的应用,提出了基于BIM技术的架空输电线路三维设计的方法,并与传统设计方法进行了对比,为输电工程BIM技术的应用提供参考。

1、传统架空线路设计的缺陷

传统输电线路的设计中,设计人员在完成线路选线和路径优化后,需要根据二维底图构思出架空线路的三维模型,然后将三维模型绘制成平面图纸,同时把各构件的参数信息以图纸或表单形式表达[2]。这种以二维平面CAD图纸作为信息存储及传递媒介的设计模式,存在以下两大弊端。

首先,二维设计环境下,设计人员将大部分精力用来绘制图纸以表达设计方案,而不是集中于思考优化方案,导致设计效率、质量低下。并且,设计成果以二维图纸进行展示,构件间的空间关系以及可能存在的设计冲突均无法可视化、直观地查看,图纸与图纸之间也缺乏联动,使设计变得更困难。

其次,用图纸或表单存储的设计信息,表达能力受限,管理、查询极其不便,使各专业设计整体呈孤立、被动化模式。二维图纸中代表构件的点、线、面元素并不具备实际工程意义,彼此之间无法自动满足构件间的空间依附关系。例如,随着杆塔横担尺寸的变动,其上的绝缘子串可能需要改变型号,但依旧通过金具置于改动后的横担上。再者,构件的具体参数信息往往需要专门整理提交并分散在众多图表中,若发生设计变更,设计人员需要被动地去寻找、手动更新图表,效率低下。若有新设计想参照该线路设计的思路时,也需要翻阅大量的图纸,知识利用率不高。

针对传统输电线路设计中存在的问题,BIM技术的应用可以在一定程度上予以解决。基于BIM三维平台,设计成果不再依赖于平面图纸,而是以三维可视化模型交付,供各参与方调用、查看。工程各阶段信息都被存储于一个BIM中心模型中,各个视图保持统一联动,信息的获取、更新与管理容易,专业人员的设计成果可以直接被交互使用,帮助决策者做出准确判断。

2、基于BIM的架空线路参数化设计流程

典型的架空输电线路设计主要包括选线定位、杆塔设计、基础设计、绝缘子组装等。本文将架空输电线路的设计分为两大部分:第一部分是杆塔设计,杆塔在类型上分为悬垂杆和耐张杆,其作用是承受导线、绝缘子串等带来的荷载。第二部分为除杆塔以外其他构件的设计,下文统称为构件,包括导线、避雷线、绝缘子串、跳线串、地线串、间隔棒等。其中,绝缘子串由多个绝缘子和金具构成,用于悬挂导线使其与杆塔、大地保持绝缘,按杆塔的类型可分为悬垂串和耐张串。

本文以Revit软件为设计平台。Revit软件作为市面上最为流行的BIM建模软件之一,以“族”的创建和使用较好地体现了BIM参数化特点。Revit中的族,代表外形相似但部分参数值不同的构件的集合,通过改变族的几何参数、非几何参数等实现不同类型构件的自动生成[3]。考虑到输电线路工程构件型号众多,参数化建模工作量大且构件间定位较难,本文结合二次开发技术,通过驱动族参数等方式完成各类型构件的自动创建和完整命名,辅助建立架空输电线路工程标准参数化族库。

在完成选线及路径优化后,本文提出的基于BIM的架空线路三维参数化设计思路如图1所示。

图1基于BIM的架空线路三维参数化设计流程

首先,借助Revit软件的“导入CAD”功能,设计人员可将以.dwg格式存储的选线信息路线底图导入,在三维可视化环境下进行杆塔二维选点,并赋予点以高程、路径代号等信息。然后,通过调用前期建立的参数化族库在二维点处完成杆塔选型及自动建模。再借助一套基于杆塔的绝缘子自动排序和架空线自动生成算法,根据杆塔信息,于指定位置生成构件,包括自动排布悬垂串或耐张串在架空线路径的回路及相序,根据弧垂公式在梁端生成架空线。最后,在三维可视化环境下调整模型,完成设计。

基于BIM的架空线路三维参数化设计方法可实现Revit软件中输电线路工程构件模型的自动调用、生成、空间位置定位及关联等功能,其中两大关键技术为标准参数化族库的构建以及根据杆塔选型实现其他构件的自动生成与排布。下面,将针对这两大关键技术进行详细说明。

3、标准参数化族库的构建

标准参数化族库作为整个BIM应用流程的关键,在后续输电线路设计中会被随时调用。本文结合之前所提出的基于BIM的架空线路三维参数化设计方法,搭建包括二维路径点标注族和架空输电线路构件族在内的标准参数化族库。

3.1二维路径点标注族

传统二维设计中,当线路路径选定后,设计人员往往需要结合多份平断面定位图进行杆塔的定位,在后续设计中也要花费大量工作用于图纸间的协调,效率低下且容易出错。而在Revit软件环境下,设计人员可基于选线底图选择二维路径点。该点作为参数化标注族,以类型、高程、路径代号、编号等信息作为族参数,代表实际情况下该处杆塔的类型信息、底面中心点的空间位置信息以及杆塔所处输电线路路径信息,为下一步结构选型以及模型自动生成提供必要的信息。

3.2架空输电线路构件族

输电线路工程中的设备设施多为标准件,将标准件的几何信息及通用属性以建立标准参数化族的方式存入标准化族库,并按照交付标准命名。本文在Revit软件环境下,结合二次开发技术,搭建了包括杆塔以及其他构件在内的架空输电线路标准参数化族库。

除杆塔以外的构件,如绝缘子串,一般由挂板、悬垂线夹、绝缘子元件等各种零件组成,这些零件都是来自设计规范中的标准化零件。预先搭建标准化零件族库,在设计绝缘子串时即可实现“需要什么就调用什么”,再通过修改零件参数完成绝缘子串的自动组装[4]。不同类型绝缘子串的区别在于几何和非几何特征,将各类绝缘子串的几何信息及通用属性作为族参数,并按照规范标准统一命名,建立标准化绝缘子串族库,为后续参数化驱动建模做准备。图2所示为在Revit软件中构建的双联导线耐张串族,命名为CTS(按照电网工程数字化交付标准的命名规范)。

图2双联耐张绝缘子串参数化模型

考虑到实际项目中会频繁调用大量同一类型不同型号的绝缘子串,为了避免参数重复修改,在上述标准化族库的基础上,结合二次开发技术,通过调用RevitAPI(applicationprogramminginterface,应用程序编程接口)中提供的函数,读取族信息并依据型号信息驱动族参数的修改,实现项目中各类型每种型号构件的自动生成及完整命名,从而大幅提高构件的利用率。仍以双联导线耐张串(CTS)族为例,各型号命名方式遵循如下格式:CTS_电压等级代码_杆塔设计编号_工程编号(例:CTS_V50_A25_111600850Y)。

本文使用VisualStudio软件,采用C#语言进行编程并编译出一个.dll文件,实现了上述驱动族参数自动建模功能。同时,为了方便使用者快速调用该.dll文件,本文通过编写一个外部应用文件,于Revit软件工具栏处创建功能按钮,当用户点击该按钮并输入必要信息后,即可实现与程序的交互。

同样的,本文建立了杆塔和其余构件的标准化族库。此外,当杆塔杆件数量较多,手动定位较为困难且工作量大时,也可借助二次开发技术读取位置信息进行辅助定位,提高设计效率。

4、基于BIM的架空线路自动生成算法

不同于二维图纸的表达,三维模型中杆塔和其上的绝缘子串等构件信息不再是以孤立、零散的形式存在,彼此之间可以实现工程意义上的位置关联,提高信息利用率。本文开发了一套绝缘子串自动排序和架空线自动生成算法,结合二次开发技术,通过读取杆塔的设计信息,实现构件的自动匹配和排布。

4.1绝缘子串自动排序算法

绝缘子串呈一定角度依附于杆塔的横担某处,相对于杆塔的位置可视为固定。为了实现基于杆塔的绝缘子串快速生成,本文开发了一套基于杆塔的绝缘子串自动排序算法,其流程如图3所示。

图3绝缘子串自动排序算法流程

在Revit中,当设计人员选定杆塔模型,并按提示对绝缘子串原始族、电压等级、左/右侧位置进行选择后,该算法会对每个绝缘子串所在架空线路径的回路及相序按照从上到下、从左到右的顺序进行编号,最后通过二次开发调用函数读取杆塔信息,在该处自动生成绝缘子串模型,并根据杆塔的方位信息实现自动旋转。

4.2架空线自动生成算法

架空线两端与处于同一回路、相序的两个相邻绝缘子串相连,故当两端的绝缘子串位置确定后,架空线也可随即确定。基于4.1节得到的各绝缘子串的回路、相序信息,本文开发了一套架空线自动生成算法。

为了使模型轻量化,在Revit中可用模型线作为架空线的三维模型,将架空线设计规范中的应力弧垂公式作为约束。然后,借助RevitAPI中的函数读取两端绝缘子串的位置信息,作为架空线端点的坐标输入,实现各回路、各相序绝缘子串之间的架空线模型自动设计和生成。

同样,为了便于实际工程项目应用,本文借助C#语言实现以上两大算法的封装,通过编写一个外部应用文件,于Revit软件工具栏创建相应的按钮,当用户点击并输入信息后,即可实现快速调用并执行功能。

5、案例分析

本文将所提出的基于BIM的架空线路三维参数化设计方法应用于“上海金山新夫110kV输变电”架空线路工程项目,进行可行性验证和成果展示,并分析其与传统设计相较的优势。

5.1案例应用

本项目基于BIM的设计流程以Revit2018软件为中心平台,并于初步设计后开始,即已进行线路选线和路径优化。为了实现各功能的实时调用,本文结合二次开发技术,在Revit工具栏中创建了“路径点放置”“模型选型”“生成绝缘子串”“生成架空线”等按钮。

1)基于选线底图的二维选点

将以.dwg格式存储的选线信息路线底图通过“导入CAD”功能导入到Revit软件中,并将视图定位于路线底图平面,如图4所示。其中,底图信息包括二维线路和杆塔型号及定位。

图4Revit中选线信息路线底图

在工具栏中点击“路径点放置”按钮,将出现图5所示的“设置路径点类型”选框,通过选择“杆塔”,输入高程、埋深、路径代号等信息,程序会读取交互信息并调用二维路径点生成函数完成二维选点。

图5Revit中“设置路径点类型”选框

2)基于二维选点的杆塔选型及自动生成

二维路径点模型已提供了杆塔的定位信息。利用二次开发技术,结合前期建立的标准化族库,设计人员只需点击“模型选型”按钮,选取相应的二维路径点,并输入设计的杆塔型号信息,程序就会调用函数在该处自动生成杆塔模型。这里调用的函数是驱动族参数在Revit中生成杆塔构件的函数,由于杆塔构件的生成包括杆塔的定位和杆塔族参数的指定,通过读取该处二维路径点高程参数信息和用户输入的杆塔类型、代号等信息生成模型。

3)基于杆塔信息的构件自动匹配、排布

当设计人员选择将要进行构件布置的杆塔模型后,在工具栏中相继点击“生成绝缘子串”和“生成架空线”按钮,程序将读取杆塔的设计信息,调用第4节提出的生成绝缘子串、架空线函数,实现构件的自动匹配和排布,如图6所示。

图6在Revit中自动生成的架空线

4)模型调整

三维可视化环境下,模型的调整较之二维设计显得容易又快速。模型中明显的设计错误可以得到及时发现并在各个视图中进行统一协调更正[5]。

利用Revit的出图功能和明细表功能[6],也可以基于三维中心模型实现平断面图的自动生成以及杆塔、构件等明细表的快速获取。

5.2BIM应用优势

由案例应用效果来看,将BIM技术应用于输电线路工程较之传统设计,主要有以下两大优势。

一是提高设计效率和设计质量。参数化设计方式的引入使设计人员摆脱枯燥繁杂的二维平面绘图,他们只需调用预先建立好的标准参数化族库,即可以快速生成杆塔、绝缘子串等三维模型。本文还通过二次开发技术,精确定位各构件之间的空间位置关系,设计人员只需考虑杆塔、绝缘子串等构件的选型,从而可将更多的精力放在方案的设计和优化方面。同时,基于BIM三维模型,设计过程中构件定位错误、位置冲突等问题可直观识别并及时调整[7],且各视图协调统一,变更容易。

二是信息利用率高。不同于传统二维设计,BIM环境下的设计信息,包括从一个零件到整个线路的所有信息均存储于同一个中心模型中,各参与方可直接在该中心模型中增加、删除、修改设计信息,并得到及时更新,便于专业内、专业间进行实时信息交互。该模型也形成了一个完整的数据库,很容易管理和查询所需的数据。并且,族库的引入,可实现构件的重复使用,极大地提高了知识的利用率。

6、结论

本文以“上海金山新夫110kV输变电”工程为例,成功探究了BIM技术在架空输电线路三维设计中的应用。结合参数化设计和二次开发技术,实现了架空线路中央模型的自动生成,相较传统设计方式,极大地提高了设计效率和设计质量。本项目研究成果为今后BIM技术在架空线路工程中的应用提供了参照。

国内的BIM技术研究正处于起步阶段,在输电工程中的应用还缺乏经验,仍需进一步研究。本文尚未实现基于BIM的线路选线及路径优化,即如何在设计之初就引入BIM技术实现正向自主设计,进一步发挥BIM协同、信息共享的优势,这将会是未来研究与探索的方向。

参考文献：

[1]林水晶.基于BIM技术的输电线路工程项目管理应用研究[J].商品与质量,2018(14):120.

[2]姚艺强,周杨.三维技术在输电线路设计中的应用[C]//2013年全国电网设计技术交流会.北京:2013.

[3]姚刚.基于BIM的工业化住宅协同设计的关键要素与整合应用研究[D].南京:东南大学,2016.

[4]李铁鼎,刘文勋,林芳,等.输电线路工程数字化设计全过程应用及展望[J].智能电网,2016(3):323-327.

[5]傅筱.建筑信息模型带来的设计思维和方法的转型[J].建筑学报,2009(1):77-80.

[6]刘爽.建筑信息模型(BIM)技术的应用[J].建筑学报,2008(2):100-101.

[7]何清华,钱丽丽,段运峰,等.BIM在国内外应用的现状及障碍研究[J].工程管理学报,2012(1):12-16.

吕征宇,陈培智,史健勇.基于BIM的输电工程架空线路参数化设计及其应用研究[J].四川建筑科学研究,2020,46(06):47-53.