输电塔架参数化三维建模方法研究与实现

李 林，张晓伟，高青风

（华北电力大学能源电力与机械工程学院，北京 102206）

输电塔架是电网的重要组成。随着电网的安全运行技术发展及电网信息管理的精细化，开展输电线路三维可视化系统开发具有重要的意义，塔架三维模型的建立与应用势在必行。目前三维建模中三维信息获取的常用方法是“近景摄影技术”和“激光扫描技术”[1]，虽然可以获得塔架上大量点的三维数据，但是塔架建模需要的是塔架各个构件的端点坐标和连接点，造成资源大量浪费。现有输电线路塔架的结构模型大多是单线模型[2]，与塔架的实际情况有较大区别。而且输电塔架的种类丰富，规格各不相同，在进行同一系列塔架的结构建模时，如果逐个进行建模，需要花费大量的人力和物力，工作周期长。因此，将模块化思想与参数驱动技术引入塔架三维建模过程中，可以极大地减少输电铁塔建模的工作量，缩短周期，提高工作效率。

1 输电塔架的类型和特征

根据结构型式和受力特点，输电塔架可分为自立式和拉线式两种[3-4]。拉线式输电塔架一般常用于电压等级不是很高的输电线路，自立式输电塔架特别适用于高电压输电线路且应用较广。本文主要研究自立式塔架。

输电塔架根据电压等级和地形等条件的不同而有不同的塔型。塔架结构主要以角钢通过节点处的螺栓连接而成，不同输电塔架的结构具有相似性和继承性，这为进行塔架的参数化建模提供了必要的基础条件。

输电塔的结构主要分为塔头、塔身、塔腿3个部分。塔身部分一般为台形四棱锥，塔腿为4个四棱锥，塔头部分结构最复杂，种类最多，包括酒杯型、干字型、克里木型、猫头型等，是不同塔型的输电塔架在外观上最大的区别之处。

观察输电线路中各个塔架实际结构并分析其结构图，塔架各部分都具有对称和重复的结构，同一型号塔架的塔头部分相同，按照呼高的不同来组合不同的塔身和塔腿。由图1可知，不同型号的塔架虽然塔头部分结构不同，但是塔腿和塔身部分的结构相近或相同。各个塔架中结构相近及相同的部分可以用同一个型式的原始模型来表示，建立塔架模块的模型时，使用参数化的模型来描述结构相同的部分，实现塔架建模的模块化和参数化。

图1 酒杯塔（左）与猫头塔（右）的塔架结构

塔架划分模块时，主要依据是结构的相似性和重复性。以图1中两座塔架为例，塔头部分和塔腿部分各自为一个模块，酒杯型塔架的塔身部分以横隔为界分为两段结构，两段结构相似但是具体尺寸不同，因此分为2个模块；猫头型塔架的塔身部分以横隔为界分为三段结构，中间的一段结构虽然没有横隔将其分开，但是其上下两部分结构不同，因此将该塔身部分划分为4个模块。

2 基于三维建模的参数提取

输电塔架结构具有对称和重复的特点，规则性较强，因此将塔架分解为基本的结构模块，并提取其特征参数建立模型[5-6]。提取各模块特征参数时采用结构长度、宽度、高度3个方向的外形尺寸，斜材及辅助材结构的布置方式及重复次数作为特征参数，用较少的参数描述模块的结构特征。外形尺寸决定模块的尺寸，斜材和辅助材的布置方式及重复次数决定模块的结构型式。

塔架各部分参数化建模的主要过程：

（1）将输电塔架划分为塔头、塔身、塔腿3个部分。

（2）分析比较各种输电塔架各个部分的相似以及相同结构，总结每个部分的典型结构型式。

（3）以塔架每部分的典型结构型式为基础，提取其特征参数，建立相应模块的参数化模型，实现塔架各部分结构的模块化和参数化。

2.1 塔头结构参数化

整个输电塔架中塔头部分的结构最复杂，包括悬挂输电线和地线的结构。以酒杯型直线塔为例，塔头部分由自下向上由逐渐变宽变薄的塔颈部（上曲臂和下曲臂）、用来悬挂输电线的横担部分、以及用来悬挂地线的地线支架3部分组成。不同尺寸但是结构相同的塔头模型可以用同一个模块赋不同的值表示。如图2所示，酒杯型塔头的特征参数有高度方向的参数(H1、H2、H3)，宽度方向的参数(L1、L6、L7)，长度方向的参数(L1、L2、L3、L4、L5)。

猫头型塔头也有类似的特征参数，如图3所示，包括高度方向的参数(H1、H2、H3、L7)，宽度方向的参数(L1、L5、L6)，长度方向的参数(L1、L2、L3、L4)。对这些参数赋不同的值即可得到不同尺寸的酒杯型塔头模型和猫头型塔头模型。这两种型式的塔头模块代表了两种塔头结构，根据需要也可建立更多的塔头模块来表现不同的塔头结构型式。在建立塔头模型时，只需选择相应的模块并对其特征参数进行赋值即可。

图2 酒杯型塔头的结构图及其特征参数

2.2 塔身结构参数化

塔身部分结构简单，一般为台形四棱锥，水平截面为正方形或矩形。塔身的主材与斜材的布置方式基本相同，辅助材有不同的布置方式。如图4所示，塔身模块的特征参数主要是长度方面的参数(L1、L2)、高度方面的参数(H1、H2)、决定辅助材布置方式的参数(typebody、N1、N2)。其中塔身型式(typebody)决定了塔身模块的结构以及建模使用的参数。

图3 猫头型塔头的结构图及其特征参数

图4 塔身部分结构图及其特征参数

2.3 塔腿结构参数化

塔腿部分结构一般为4个四棱锥。塔腿的斜材与辅助材也有不同的布置方式。如图5所示，塔腿模块的特征参数主要是长度方面的参数(L1、L2)、高度方面的参数(H1、H2)、决定辅助材布置方式的参数(typeleg、N1、N2)。其中塔腿型式(typeleg)决定了塔腿模块的结构以及建模使用的参数。

图5 塔腿部分的结构图及特征参数

2.4 角钢结构参数化

为了实现输电塔架的三维建模，要完成角钢的建模，根据塔架结构图上给出的各个角钢的端点位置、规格等参数绘制角钢，构成整个塔架的模型。

输电塔架的角钢构件包括处于塔架四边的主材，处在塔架表面的斜材和辅助材，处于塔架内部横隔位置和其他水平放置的水平材。不同位置的角钢，在起点、终点坐标的处理方式以及角钢朝向等方面有所不同。故将角钢按位置分为主材角钢、斜材辅助材角钢和水平材角钢[4]3类来绘制。3类角钢选择适合的参数，能在很大程度上还原塔架结构设计图中的位置。角钢的特征参数包括端点的位置坐标、角钢的规格（宽度和厚度）和角钢的朝向（指向塔内或塔外等）。

3 塔架快速三维建模的参数化驱动方法

塔架的塔型和呼高、模块组合方式、模块结构型式和特征参数，各部分的参数关联关系为某塔架的塔型和呼高确定该塔架各部分模块型式的选择和组合方式，再对相应模块的参数化模型的特征参数进行赋值，按组合顺序建立塔架各模块的模型，完成塔架的建模。

基于对模型数据的操作，参数驱动时以塔架各部分模块的结构型式与特征参数为基础，对其参数化模型的特征参数赋值，建立各部分模块的模型；根据塔型与呼高及各模块组合方式的数据关联，实现塔架结构各部分模块的选择与组合，建立相应的输电塔架三维模型。

3.1 型号与呼高参数驱动

同一塔型的输电塔架塔头部分结构相同，不同呼高的同塔型输电塔架是由相同的塔头部分与不同的塔身部分和塔腿部分组成的。

建立某塔型输电塔架的三维模型时，首先根据该塔型各个呼高的塔架的结构，将塔架分解为各个模块，再选择相应的塔头、塔身、塔腿模块的结构型式，对各个模块的特征参数赋以具体的数值。建立该塔型某呼高的塔架模型时，选取该呼高对应的塔架模块，利用设置好的各部分模块的结构型式与特征参数，快速地建立相应的三维模型。如图6所示，呼高1和呼高2的输电塔架塔头部分结构相同，塔身1和塔腿1为呼高1塔架的塔身部分和塔腿部分，分别对应呼高1的塔身模块和塔腿模块的结构型式及特征参数。选择呼高1的输电塔架的同时，该塔架各部分模块的结构型式与特征参数也确定下来。

图6 输电塔架呼高驱动示意图

3.2 各模块结构参数驱动

建立输电塔架某模块的三维模型时，读取模块的结构型式和特征参数，计算获得模块全部角钢构件的端点坐标数据，实现该段塔架结构中角钢构件的三维建模，组合角钢构件构成模块的三维模型，如图7所示。

图7 塔架某模块的参数驱动

3.3 角钢参数驱动

塔架模块的参数化模型中，每根角钢的位置类型、规格和朝向根据模块的结构型式进行设定。根据模块的尺寸参数、结构型式、斜材辅助材结构重复次数，计算某根角钢的端点坐标，建立该角钢的三维模型，如图8所示。

图8 角钢的参数驱动

3.4 塔架三维可视化系统开发及实现

根据上述研究及分析，以VC为开发平台，基于MFC和OpenGL编写输电塔架可视化三维建模程序。建模的过程分为以下几个步骤：

（1）将塔架分为3个部分，按照塔架各部分的结构型式进行分类，分别建立各模块的参数化模型。建模过程中利用塔架结构的对称性，建立对称部分的模型，旋转坐标系后重复命令，减少程序量。

（2）根据进行建模的塔架的结构，按照其特征将塔架分为各个模块。确定塔型及呼高与各模块组合方式的参数驱动程式，建立各模块之间的关联。

（3）选择各模块的结构型式，对各模块的特征参数赋以具体数值，依照塔型呼高与模块的关联进行组合，得到输电塔架的三维模型。

以某酒杯型直线塔为对象，划分模块后选择各模块的结构型式并对其赋值，组合不同模块建立4种不同呼高的塔架三维模型。参考酒杯型直线塔的结构设计图，将塔架划分为8个结构模块，其中地线支架①、横担②、塔颈部③构成塔头部分模块，塔身部④、塔身部⑤、塔身部⑥3个塔身模块构成塔身部分，塔腿部⑦、塔腿部⑧、塔腿部⑨、塔腿部⑩ 4个塔腿模块构成塔腿部分。各模块特征参数，如表1所示。各呼高塔架的模块组合方式，如表2所示。呼高16米塔架的三维模型，如图9所示。全部呼高塔架的三维模型，如图10所示。

表1 酒杯型塔架各模块参数(mm)

表2 酒杯型不同呼高的塔架的模块组合方式

图9 呼高16米塔架的三维模型

图10 4种不同呼高塔架的三维模型

应用同样的方法，其他塔型的输电塔架也可以快速地建立三维模型，如图11所示。

图11 其他塔型不同呼高塔架的三维模型

4 结论

通过对输电塔架快速三维建模方法进行研究，提出塔架分模块后进行参数化建模的建模方法，对塔架各部分模块的型式进行研究和分类，建立各模块的参数化模型。在建模过程中应用模块化、参数化的思路，输入塔架各模块的特征参数，对模块进行选择组合，生成输电塔架的三维模型。完成基于VC和OpenGL的塔架三维建模程序，实现塔架快速的可视化三维建模。对某型号酒杯塔进行三维仿真建模，得到如下结论：

（1）根据输电塔架结构特点，对输电线路塔架结构模块化分析和参数化建模方法的正确性和可行性。

（2）采用参数化方法，减少建模的工作量，提高效率，通用性好。

（3）只需要输入塔架型号和呼高，即可建立其可视化三维模型，自动化程度高。

[1]栾悉道, 应 龙, 谢毓湘, 吴玲达, 文 军.三维建模技术研究进展[J].计算机科学, 2008, 35(2):204-210.

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