數(shù)字化場坪設(shè)計在昭通±500kV換流站中的應(yīng)用

朱紋羲，李越茂，姚楓

(西南電力設(shè)計院，成都市610021)

數(shù)字化場坪設(shè)計在昭通±500kV換流站中的應(yīng)用

朱紋羲，李越茂，姚楓

(西南電力設(shè)計院，成都市610021)

數(shù)字化場坪設(shè)計能夠提高設(shè)計精度和效率，并且能夠滿足工程數(shù)字化移交的需求。在昭通±500 kV換流站工程中，采用數(shù)字化場坪設(shè)計方法建立了場地的三維模型，在三維模型中進行精確的土方量計算、高程分析和站址模擬。通過與傳統(tǒng)場坪設(shè)計進行對比，得出數(shù)字化場坪設(shè)計更能夠適應(yīng)現(xiàn)代工程的結(jié)論。

數(shù)字化場坪設(shè)計；土方量計算；三維模型；高程分析；站址模擬

0 引 言

昭通±500 kV換流站是溪洛渡右岸電站送電廣東同塔雙回直流工程的送端換流站。本工程是云南至廣東跨區(qū)域高壓直流輸電電網(wǎng)的重要組成部分，是世界上首個采用2回±500 kV直流線路同塔雙回架設(shè)，2個±500 kV換流站同期同址合建，2回直流共用接地極的輸電工程，是進一步落實國家“西部大開發(fā)”戰(zhàn)略，實現(xiàn)南方電網(wǎng)“西電東送”總體規(guī)劃目標(biāo)，促進區(qū)域內(nèi)資源優(yōu)化配置的一項重要舉措。本工程動態(tài)總投資為171.78億元。本文論述數(shù)字化場坪設(shè)計在該工程中的應(yīng)用。

1 數(shù)字化場坪設(shè)計方法介紹

1.1 數(shù)字化場坪設(shè)計的概念

數(shù)字化場坪設(shè)計是數(shù)字化設(shè)計中的一個部分，為數(shù)字化設(shè)計提供最基本的模型和基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

通過數(shù)字化的面向?qū)ο蠹夹g(shù)，使場坪內(nèi)的各設(shè)計元素轉(zhuǎn)換為數(shù)字化三維模型，方便后期對各個模型的數(shù)據(jù)處理，保證與實際工程的一致，并且為后期的三維布置提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型。

1.2 與傳統(tǒng)場坪設(shè)計方法的對比

傳統(tǒng)的場坪設(shè)計方法如格網(wǎng)法、斷面法等，不論采用哪一種方式，都有其自身的局限性。

格網(wǎng)法是將場地劃分為若干個具有一定間距的正方形方格。在格網(wǎng)點測定點位高程,對每一格網(wǎng)面按四角高程的平均值計算土方。挖填方宜分別冠以“-”“ + ”號以示區(qū)別，然后分別計算每一方格的挖填土方。將所有方格計算的土方匯總，即得場地挖方和填方的總土方量。方格越小計算的結(jié)果越精確,當(dāng)方格的大小與實地地形最小的區(qū)別尺寸相近時最好。格網(wǎng)法室外作業(yè)工作量大,測點可能受地形限制，優(yōu)點是：直觀、易懂、計算簡單，但由于每點高程的權(quán)不一樣，邊界點、格網(wǎng)交叉點、格網(wǎng)線上點、格網(wǎng)中間點不能分別確權(quán)，故計算精度較差。若要提高計算精度，可適當(dāng)減小方格網(wǎng)的尺寸，但相應(yīng)的室外工作量也會加大。

斷面法是根據(jù)場地形狀沿某一平直方向一一測定垂直于該方向的斷面數(shù)據(jù),斷面間土方量以斷面平均截面積與斷面間距確定,進而由此計算總土方量。斷面法外業(yè)操作相對復(fù)雜，工作量大，精度取決于外業(yè)橫斷面密度(精度與間距L的長度有關(guān)，L越小，精度就越高)，但是這種方法內(nèi)業(yè)計算量大，尤其是在范圍較大、精度要求較高的情況下更為明顯。若是為了減少計算量而加大斷面間隔，則會降低計算結(jié)果的精度，所以斷面法存在計算精度和計算速度的矛盾。

而數(shù)字化場坪設(shè)計軟件是在數(shù)字地形模型的基礎(chǔ)上采用不規(guī)則三角網(wǎng)法來對土方量進行計算。

不規(guī)則三角網(wǎng)法計算土方量是利用實測地形碎部點、特征點進行三角構(gòu)網(wǎng),對計算區(qū)域按三棱柱法計算土方,最后累計得到指定范圍內(nèi)填方和挖方的土方量，其實質(zhì)就是在坐標(biāo)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上建立不規(guī)則三角網(wǎng)后再計算土方量。因為三角網(wǎng)中的點和線的分布密度和結(jié)構(gòu)完全可以與地表的特征相協(xié)調(diào)，不改變原始數(shù)據(jù)和精度，保存原有關(guān)鍵的地形特征，能夠很好地適應(yīng)復(fù)雜不規(guī)則地形，因此該種計算方法計算精度相對較高。圖1中Z1、Z2、Z3為三角形角點挖填高差，S3為三棱柱底面積,土石方量計算公式為

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

(1)

整個區(qū)域的土石方量為

(2)

圖1 不規(guī)則三角網(wǎng)法

綜上所述，因傳統(tǒng)場坪設(shè)計土方量計算是在二維圖紙上發(fā)揮工程師的空間想象能力進行的，數(shù)據(jù)檢查完全依靠人工進行，不但需要大量的人力和時間，而且計算結(jié)果誤差較大，且不能夠動態(tài)分析各個階段的土方量，沒有直觀的三維模型，工作效率低下。而數(shù)字化場坪設(shè)計是在三維模型的基礎(chǔ)上采用不規(guī)則三角網(wǎng)法進行計算，整個過程中自動檢查數(shù)據(jù)，在保證數(shù)據(jù)正確的前提下進行計算，并且能夠根據(jù)需要迅速調(diào)整場坪設(shè)計方案得到計算結(jié)果。

2 數(shù)字化場坪設(shè)計在本工程中的應(yīng)用

在本工程中，由于地形起伏，方案設(shè)計和土方計算難度比較大。最初采用傳統(tǒng)的方格網(wǎng)近似算法計算出的場坪土方量為填方84萬m3，與實際相差較大，在采用數(shù)字化場坪設(shè)計方法對場坪進行重新計算后，場坪土方量為填方94余萬m3。經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，通過降低設(shè)計標(biāo)高、增加場地內(nèi)豎向等高線的方式再次將場坪土方量降低到填方90余萬m3，計算結(jié)果和實際工程量基本相同，如表1所示。

表1土方量優(yōu)化

Tab.1Earthworkoptimization

本工程施工時正逢雨季，強夯處理方案不能順利開展，需在填土中增加20%～30%碎石，造成費用大量增加。此時，需要快速調(diào)整設(shè)計方案，盡可能減少填土量以保障工期和減少投資。

通過數(shù)字化場坪設(shè)計，多次調(diào)整設(shè)計方案，最終減少了15%土方造價，縮短了約20%土建工期。

數(shù)字化場坪設(shè)計主要包含土方量計算和場地數(shù)字模擬2個部分。土方量計算是通過對原始場地和場坪曲面進行三維建模，然后采用棱柱體法對這2個曲面進行分析。場地數(shù)字模擬可以模擬站址區(qū)周邊的地形、地貌(包含農(nóng)田、農(nóng)房、道路)等信息，從而獲取更直觀的站址模型，以便幫助設(shè)計方向業(yè)主更高效地傳達設(shè)計意圖，加深對基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)計方案的理解。

2.1 土方量計算

在數(shù)字化場坪設(shè)計中，根據(jù)勘測專業(yè)提供的原始地形高程點，在Civil3D中新建三角網(wǎng)曲面，將地形點添加入曲面即完成“數(shù)字化地形”(圖2)的建立，再采用軟件中“創(chuàng)建道路”的方式創(chuàng)建“數(shù)字化場地邊坡曲面”(圖3)模型，最后在這2個曲面之間進行矢量疊加形成體積曲面(圖4)，在體積曲面中按不規(guī)則三角網(wǎng)法計算土方。

圖2 數(shù)字化地形

圖3 場坪邊坡曲面

圖4 體積曲面

經(jīng)過計算，昭通換流站的土方量如圖6所示。

圖5 挖填方量

2.2 生成土方圖

對工程進行精確的土方量計算后，生成土方圖(圖6)。土方圖中清晰地反映出了每一個網(wǎng)格中的挖方和填方的數(shù)值，可以用于指導(dǎo)施工。

圖6 土方圖

2.3 站址區(qū)模擬

在數(shù)字化場坪設(shè)計中，采用AIW軟件對站址區(qū)進行模擬。

將勘測專業(yè)提供的地形圖中的農(nóng)田、農(nóng)房、道路等導(dǎo)出為SDF或者IMX格式，再將原始地形曲面和場坪邊坡曲面分別以LandXML格式導(dǎo)出。

在AIW中新建一個工程，設(shè)置好坐標(biāo)系，將準(zhǔn)備好的模型數(shù)據(jù)分別導(dǎo)入，設(shè)置和工程相同的坐標(biāo)系，分別設(shè)置每個數(shù)據(jù)源的顯示樣式，刷新模型后即初步完成站址區(qū)模擬，如圖7所示。

圖7 站址區(qū)模擬

完成模擬后，可以再從數(shù)據(jù)庫下載站址區(qū)地圖，通過設(shè)置經(jīng)緯度范圍來確定下載范圍，如圖8所示。

最后采用數(shù)字化場坪設(shè)計軟件中的Raster對圖片進行編輯和定位，將帶經(jīng)緯度信息的圖片移動到模型所在坐標(biāo)系，并將坐標(biāo)系信息放在和圖片同名的*.jgw文件中。在AIW中，通過添加Raster格式的數(shù)據(jù)源將圖片添加進模型，使得模型展示的信息更完整，如圖9所示。

圖8 地圖下載

圖9 模擬效果

AIW除了可以對站址區(qū)進行模擬外，還能對地形進行高程、坡向和坡度的分析，并使用云圖的方式顯示(圖10)。

圖10 高程分析

通過AIW的高程分析，可以很直觀地看出該場坪場地的挖方區(qū)和填方區(qū)，從而可以更好地進行場坪高程和位置的調(diào)整，更好地達到挖填平衡的目的。

3 結(jié) 語

與傳統(tǒng)場坪設(shè)計方法相比，數(shù)字化場坪設(shè)計具有傳統(tǒng)方法不可比擬的優(yōu)勢，主要有以下幾個方面：

(1)自動進行數(shù)據(jù)檢查和三維模型的生成；

(2)快速完成整個場地的土方量計算，并迅速動態(tài)地修改和顯示各個設(shè)計階段的土方量，并附有三維圖形顯示；

(3)站址模擬能夠快速地進行多個場坪方案的展示，幫助業(yè)主進行方案的選擇；

(4)反映較為真實的站址區(qū)地形地貌，大致了解占用農(nóng)田、農(nóng)房等信息；

(5)在進站道路優(yōu)化選線方面也能夠給設(shè)計人員提供較大的幫助；

(6)適應(yīng)建筑信息模型(building information model, BIM)的要求，能夠給后續(xù)數(shù)字化移交等工作提供場地數(shù)據(jù)支持。

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(編輯：劉文瑩)

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

朱紋羲(1986)，男，本科，助理工程師，主要從事變電數(shù)字化設(shè)計工作，E-mail：510323570@qq.com；

李越茂(1982)，男，本科，工程師，主要從事變電數(shù)字化設(shè)計工作；

姚楓(1979)，女，本科，工程師，主要從事變電數(shù)字化設(shè)計工作。