變電站塔架的計(jì)算機(jī)仿真模型研究

白 勇，張 為

(1.重慶電力高等專(zhuān)科學(xué)校，重慶400053;2.重慶市電力公司檢修分公司，重慶400039)

隨著社會(huì)的發(fā)展、科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)仿真［1］在工程中，尤其是在建筑工程中的使用正成為當(dāng)下的熱門(mén)議題和發(fā)展方向。在建筑工程的可行性分析階段，首先使用計(jì)算機(jī)構(gòu)建虛擬建筑模型，并設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)程式對(duì)模型進(jìn)行仿真，以確定建筑本身的可靠性。

目前市場(chǎng)上存在大量的建筑設(shè)計(jì)輔助軟件，如AutoCAD［2］，PKPM，ETABS 等等。這些軟件擁有一個(gè)特點(diǎn)，就是廣而不精，工程師在使用時(shí)須將模型信息錄入到軟件系統(tǒng)中去。這對(duì)于一些復(fù)雜模型，如變電站塔架(圖1)、筒倉(cāng)、多層桁架等，錄入模型要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力，只靠工程師手工繪制，工作量大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、設(shè)計(jì)效率低。因此，一些行業(yè)里面的特殊模型，需要一些軟件來(lái)對(duì)其需求進(jìn)行細(xì)化，利用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合已有的技術(shù)成果，來(lái)幫助工程師很方便地解決工程中的棘手問(wèn)題。

在國(guó)內(nèi)，變電站塔架設(shè)計(jì)建模一般使用結(jié)構(gòu)空間分析軟件，如3D3S，STAAD CHINA，PKPM等。這些軟件建模效率低下，使用起來(lái)較為繁瑣。國(guó)外的變電站塔架設(shè)計(jì)軟件與我國(guó)塔架設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)有很大差異，在設(shè)計(jì)規(guī)范上也并不相同，類(lèi)似材料和構(gòu)架的要求有很大出入。因此，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)還沒(méi)有廣泛使用的國(guó)外變電站塔架設(shè)計(jì)軟件。

在變電站塔架設(shè)計(jì)中，需要軟件能夠適用于各種類(lèi)型的建筑模型，不同級(jí)別的變電站其建筑構(gòu)件的形式也不相同。一般來(lái)說(shuō)，不同的構(gòu)件類(lèi)型也擁有不同的特點(diǎn)［3］。本文首先對(duì)變電站建筑構(gòu)件的常見(jiàn)形式進(jìn)行總結(jié)和歸納。之后，在構(gòu)件模型的標(biāo)準(zhǔn)化方面投入大量精力，對(duì)構(gòu)件的建模方式進(jìn)行全面分析和設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)的正確性和可靠性，力求把變電站模型設(shè)計(jì)仿真做到簡(jiǎn)單、方便、實(shí)用、準(zhǔn)確，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師可以迅速建立復(fù)雜的各種構(gòu)件模型，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和設(shè)計(jì)進(jìn)度。

圖1 某變電站鳥(niǎo)瞰圖

1 CAD標(biāo)準(zhǔn)和構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化

CAD(Computer Aided Design)標(biāo)準(zhǔn)主要是統(tǒng)一建筑領(lǐng)域內(nèi)模型構(gòu)件的相關(guān)描述，從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的模型輔助建模，并以此來(lái)實(shí)現(xiàn)模型構(gòu)件的管理統(tǒng)一性和資源共享性［4］。CAD標(biāo)準(zhǔn)化主要是指CAD標(biāo)準(zhǔn)體系的建立。具體來(lái)說(shuō)，CAD圖形的標(biāo)準(zhǔn)體系如圖2所示［5］。

圖2 CAD標(biāo)準(zhǔn)體系

傳統(tǒng)的制圖標(biāo)準(zhǔn)作為工程人員表達(dá)設(shè)計(jì)思想、交流先進(jìn)技術(shù)的統(tǒng)一語(yǔ)言，是傳統(tǒng)工程技術(shù)領(lǐng)域的重要標(biāo)準(zhǔn)。然而，在現(xiàn)代化工程中，CAD技術(shù)被廣泛推廣應(yīng)用，對(duì)紙面上的制圖標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)生了巨大的沖擊。一部分原有標(biāo)準(zhǔn)在新的情況下尚可適用，但大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)需要結(jié)合計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)來(lái)做適當(dāng)修改、調(diào)整;有的還需要添加新的內(nèi)容，如圖形顏色的規(guī)定、線寬的規(guī)定，以及加入一些簡(jiǎn)化畫(huà)法等等。所以，CAD標(biāo)準(zhǔn)也是為了解決用戶在使用CAD系統(tǒng)時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題。

在信息技術(shù)領(lǐng)域，對(duì)建筑構(gòu)件進(jìn)行CAD標(biāo)準(zhǔn)的工作非常重要，它為技術(shù)的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)，是信息技術(shù)不斷向生產(chǎn)力轉(zhuǎn)化的動(dòng)力。在制造業(yè)與信息技術(shù)不斷融合發(fā)展的當(dāng)今社會(huì)，CAD標(biāo)準(zhǔn)化工作更體現(xiàn)出它的重要作用和地位。

基于CAD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)模型構(gòu)件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，對(duì)生產(chǎn)效率的提升具有重大意義，其主要工作有以下幾方面。(1)構(gòu)件定型化。即根據(jù)構(gòu)件結(jié)構(gòu)選擇模型構(gòu)件的參數(shù)描述方式、技術(shù)規(guī)格和質(zhì)量評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。(2)系列化。即對(duì)構(gòu)件進(jìn)行分類(lèi)、分檔，對(duì)存在關(guān)聯(lián)關(guān)系的構(gòu)件進(jìn)行分組。(3)通用化。設(shè)計(jì)的構(gòu)件應(yīng)當(dāng)通用，在設(shè)計(jì)時(shí)能夠隨情況進(jìn)行互換和重用。

本文針對(duì)不同的變電站構(gòu)件類(lèi)型，研究其標(biāo)準(zhǔn)化方法，從而可選取標(biāo)準(zhǔn)化構(gòu)件進(jìn)行組合和建模。特別是在多排架結(jié)構(gòu)建模時(shí)，如果沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件庫(kù)，模型的建立將需要繁瑣的手工設(shè)置，變得非常復(fù)雜，影響模型的質(zhì)量。標(biāo)準(zhǔn)化的構(gòu)件能夠幫助設(shè)計(jì)師迅速建立起復(fù)雜模型，同時(shí)也能保證模型的質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率。因此，提供一套標(biāo)準(zhǔn)的構(gòu)件模型庫(kù)就變得十分必要。

2 變電站塔架的標(biāo)準(zhǔn)化

本文研究的建模系統(tǒng)向用戶提供了110 kV、220 kV、500 kV、750 kV四種變電站類(lèi)型下常見(jiàn)梁、柱形式的建模。它主要包含圓鋼梁、三角形格構(gòu)梁(三種形式)、四邊形格構(gòu)梁(兩種形式)、圓鋼柱、人字柱和格構(gòu)柱等。在實(shí)際工程中常見(jiàn)組合如表1所示。

表1 梁柱架構(gòu)形式對(duì)照表

下面將針對(duì)每一種柱梁結(jié)構(gòu)，介紹其標(biāo)準(zhǔn)化過(guò)程。

2.1 圓鋼梁和圓鋼柱

圓鋼梁和圓鋼柱是110 kV變電站［6］類(lèi)型中常見(jiàn)結(jié)構(gòu)。圓鋼梁的主要描述參數(shù)為橫向段桿數(shù)、每段桿長(zhǎng)度;圓鋼柱的描述參數(shù)包括柱高度、地線柱高度。另外，圓鋼梁在實(shí)際工程中會(huì)設(shè)置掛線點(diǎn)，電線從掛線點(diǎn)處穿過(guò);圓鋼柱上的地線掛點(diǎn)處會(huì)有地線掛載，默認(rèn)為地線柱的最高點(diǎn)。要特別注明的是，一般提到的桿，其描述參數(shù)有起始位置、結(jié)束位置、截面類(lèi)型、材料類(lèi)型等。

2.2 人字柱(A柱)

人字柱(如圖3所示)常用在220 kV和500 kV變電站中，采用三角支撐使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，在柱頂處設(shè)置連接支架，用于支撐梁［7］。

圖3 人字柱

描述人字柱的特性，從下往上講:第一是根開(kāi)尺寸，就是底部叉開(kāi)的Y向?qū)挾?第二是是否有端撐，即是否存在第三條支撐柱，如有則需要指定端撐的X向根開(kāi)寬度;第三是頂部寬度，人字柱的頂部一般會(huì)設(shè)立面積不大的操作平臺(tái)，一般為兩邊支撐柱截面面積之和的二分之一;第四是柱分段數(shù)，在段與段間設(shè)置橫撐，橫撐的長(zhǎng)度由以上參數(shù)可以計(jì)算;第五是地線柱設(shè)置，同圓鋼柱;第六是避雷針設(shè)置，一般提供用戶選擇，不為必須，避雷針也可配置分段數(shù)和長(zhǎng)度，并可設(shè)置每段截面屬性，一般截面設(shè)置形式為從下往上越來(lái)越細(xì)。

2.3 三角形格構(gòu)梁

三角形格構(gòu)梁擁有三種形式，其特征描述主要包含以下部分:第一是偏心尺寸，即梁與柱之間的間隙距離;第二是橫向分段數(shù)，每一段的長(zhǎng)度屬性;第三是段與段之間的屬性，包含是否有立桿，立桿中是否有腹桿，段結(jié)尾處是否為掛線點(diǎn);第四為梁的底部寬度和垂直高度，如有起拱則最高起拱處拱起高度。

圖4為三角形I型格構(gòu)梁模型示意。該類(lèi)型梁的特點(diǎn)如下:首個(gè)橫向段頂部不存在主桿，每一段的斜撐起點(diǎn)與上一段斜撐終點(diǎn)相連;模型的斜撐呈之字型前后相連。因此，該模型建模時(shí)必須保證模型的總跨數(shù)為偶數(shù)。

圖4 三角形I型格構(gòu)梁

圖5為三角形II型格構(gòu)梁模型示意。該類(lèi)型的特點(diǎn)在于首個(gè)橫向段頂部主桿存在，因此第一個(gè)橫向段起始處一定有立桿。

圖5 三角形II型格構(gòu)梁

圖6為三角形III型格構(gòu)梁模型示意。該類(lèi)型梁的特點(diǎn)為在其2～3段處有一個(gè)折點(diǎn)，梁的起始寬度小于梁最大寬度。梁底部的斜撐形式為交叉形，而側(cè)面的形式則呈以中心段為軸左右對(duì)稱(chēng)型。并且，此種類(lèi)型每一段都存在立桿。因此，該類(lèi)型在標(biāo)準(zhǔn)化時(shí)需額外提供折點(diǎn)，而不需要選擇立桿選項(xiàng)。

圖6 三角形III型格構(gòu)梁

2.4 格構(gòu)柱

格構(gòu)柱常用在500 kV以上級(jí)別的變電站中，其特點(diǎn)是具有高度優(yōu)勢(shì)，當(dāng)承載高壓電線時(shí)可大大降低對(duì)地面設(shè)施的影響。圖7展示了工程中使用的格構(gòu)柱［8］。

圖7 格構(gòu)柱示意

格構(gòu)柱模型是由多個(gè)豎向的段疊加而成，段與段之間由橫向的隔層隔開(kāi)，每一段有四個(gè)面，每一面的形式也不盡相同。因此，對(duì)該結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化定義，重點(diǎn)在于定義每一段。具體來(lái)說(shuō)，可將每一段分為前后左右四個(gè)面，前后面相同，左右面相同;每一面擁有底部寬度、頂部寬度和高度三個(gè)幾何屬性;每一面的支撐桿件的形式一般為以下五種形式之一:“/”、“×”、“＞”、“”、“”。段與段間的隔層一般為交叉型結(jié)構(gòu)，故此處僅需要提供截面定義接口即可。

2.5 四邊形格構(gòu)梁

四邊形格構(gòu)梁包含兩種形式，其橫截面均為四邊形。四邊形I型格構(gòu)梁與人字柱結(jié)合使用，在500 kV變電站中較為常見(jiàn)。而四邊形II型格構(gòu)梁則與格構(gòu)柱結(jié)合使用，在750 kV中較為常用。圖8展示了750 kV變電站中，格構(gòu)柱和格構(gòu)梁結(jié)合使用的情況［3］。

圖8 750 kV變電站示意

圖9為四邊形I型格構(gòu)梁模型圖，其底面為交叉型斜撐組成，側(cè)面和頂面為“之”字相連形式斜撐。與三角形格構(gòu)梁相同，描述其特征也需要描述橫向段數(shù)、每段長(zhǎng)度、結(jié)構(gòu)整體寬度和長(zhǎng)度等。每一段之間的腹桿也需要進(jìn)行定義，如腹桿類(lèi)型和截面等。該格構(gòu)梁的首段也沒(méi)有立桿，故分段數(shù)需要為偶數(shù)形式。

圖9 四邊形I型格構(gòu)梁

圖10為四邊形II型格構(gòu)梁模型圖，與I型不同。它在兩側(cè)存在額外的支撐，可以與格構(gòu)柱連接。因此，該模型在定義時(shí)還需要提供該支撐部分的參數(shù)定義。

圖10 四邊形II型格構(gòu)梁

以上詳細(xì)介紹了每一種構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)定義方法和描述參數(shù)，通過(guò)這些參數(shù)的研究和定義，為構(gòu)件的計(jì)算機(jī)模型化創(chuàng)造了前提條件。

3 變電站塔架的建模方法

針對(duì)上述構(gòu)件的計(jì)算機(jī)模型設(shè)計(jì)，提出構(gòu)件的計(jì)算機(jī)建模方法。圖11展示變電站塔架中常見(jiàn)模型構(gòu)件的 UML 圖［9］。

圖11 模型構(gòu)件UML圖

在構(gòu)件的計(jì)算機(jī)表示設(shè)計(jì)中，Component為構(gòu)件頂級(jí)父類(lèi)［10］，為每一個(gè)構(gòu)件提供了 Name屬性。另外，構(gòu)件的建模需要提供一個(gè)初始原點(diǎn)，即Zero-Point，根據(jù)構(gòu)件的參數(shù)和該 ZeroPoint，調(diào)用 GeneralElements生成構(gòu)件。

Pole類(lèi)為柱構(gòu)件的公共父類(lèi)［11］，提供了兩個(gè)公共方法:GetHeight為得到構(gòu)件的總高度，即柱本身、地線柱、避雷針的高度之和;GetBottomPoints為得到構(gòu)件地面支撐點(diǎn)。Pole類(lèi)有三個(gè)子類(lèi)，即圓鋼柱、LinePole、人字柱

APole和格構(gòu)柱GridPole。LinePole可以設(shè)置其柱身高度PoleHeight和地線柱GroundColumn;APole可以設(shè)置其底部寬度BottomWidth、頂部寬度Top-Width、地線柱 GroundColumn、避雷針 LightRod、垂直段VerticalParts等;GridPole可設(shè)置的主要為垂直段VerticalParts和最上部段的頂部寬度TopWidth。除此之外，GridPole提供了一個(gè)自動(dòng)計(jì)算段寬度的方法AutoCaculateParts。

Beam為梁構(gòu)件的公共父類(lèi)，提供了兩個(gè)公共方法:GetLength為得到構(gòu)件的橫向全長(zhǎng);Eccentricity-Length為偏心距離，即梁與柱結(jié)合建模時(shí)，梁連接點(diǎn)到柱連接點(diǎn)距離，一般在這里安裝連接件。Beam有三個(gè)子類(lèi)，即圓鋼梁LineBeam、三角形格構(gòu)梁RectangleBeam和四邊形格構(gòu)梁QuadrangleBeam，分別表示三種常見(jiàn)梁構(gòu)件。其中，LineBeam的設(shè)置只包含線形橫向段LineParts;RectangleBeam包含有寬度Width、高度 Height、橫向段 HorizontalParts、撓度 Deflection、梁類(lèi)型BeamType等的設(shè)置。Deflection是指梁最高處的拱起高度;QuadrangleBeam中除了這些屬性之外，還包含與格構(gòu)柱連接處的屬性設(shè)置StandBarWidth 和 StandBarHeight。

除了主要的Pole和Beam構(gòu)件之外，還有其包含的子構(gòu)件。LightRod即避雷針構(gòu)件，其提供了分段數(shù)Parts設(shè)置，以及每段的截面類(lèi)型SectionName和長(zhǎng)度Lengtj;GroundColumn為地線柱構(gòu)件，其提供了高度Height和截面的設(shè)置SectionName;Horizon-Part為水平向的段構(gòu)件，VerticalPart為垂直向的段構(gòu)件，一般包含段的長(zhǎng)度Length和一些特點(diǎn)屬性。

上述基礎(chǔ)對(duì)象模型構(gòu)成了變電站塔架的基本構(gòu)件庫(kù)，為模型的計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)建模和分析提供了支持。

4 結(jié)論

本文基于構(gòu)件組裝的變電站塔架CAD設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)模型常見(jiàn)構(gòu)件的標(biāo)準(zhǔn)化工作，提出自主模型構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)了變電站構(gòu)件模型的計(jì)算機(jī)模型構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化，并實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)建模方法。

目前變電站建模系統(tǒng)已經(jīng)可以將模型在計(jì)算機(jī)中建立和生成，模型的仿真結(jié)果對(duì)變電站設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)更加重要。因此，筆者將會(huì)深入研究基于計(jì)算機(jī)模型的工程仿真方法，為變電站行業(yè)的CAD設(shè)計(jì)仿真做出更大的努力。

［1］ 李云峰.現(xiàn)代計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)的研究與發(fā)展［J］.計(jì)算技術(shù)與自動(dòng)化，2002，(4):75-78.

［2］ 劉殿華，夏軍武.建筑結(jié)構(gòu)CAD［M］.南京:東南大學(xué)出版社，2011.

［3］ 中南電力設(shè)計(jì)院.變電構(gòu)架設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.武漢:湖北科學(xué)技術(shù)出版社，2007.

［4］ 王成勇.淺談?dòng)?jì)算機(jī)技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］.黑龍江科技信息，2009，(22):314.

［5］ 于蘭.企業(yè)CAD標(biāo)準(zhǔn)化的應(yīng)用與推廣［J］.機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2005，(4):18-20.

［6］ 郭英民.常規(guī)110 kV變電站的抗震設(shè)計(jì)［J］.河北電力技術(shù)，2000，(6):49-52.

［7］ 余友誼.變電站鋼構(gòu)架結(jié)構(gòu)建模計(jì)算及分析［J］.科技與生活，2010，(18):116-117.

［8］ 中國(guó)電力規(guī)劃設(shè)計(jì)協(xié)會(huì).變電站建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［Z］.2006.

［9］ 李邐.UML中的類(lèi)與類(lèi)圖的認(rèn)識(shí)及使用［J］.信息技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2009，(6):44-46.

［10］ Gamma E，Helm R，Johnson R，et al.Design patterns［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

［11］ 楊莉萍.面向?qū)ο蟮姆椒ê驮O(shè)計(jì)模式［J］.計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2006，(3):36-38.