变电站塔架的计算机仿真模型研究

时间：2024-07-28

白勇，张为

(1.重庆电力高等专科学校，重庆400053;2.重庆市电力公司检修分公司，重庆400039)

随着社会的发展、科技的进步，计算机仿真［1］在工程中，尤其是在建筑工程中的使用正成为当下的热门议题和发展方向。在建筑工程的可行性分析阶段，首先使用计算机构建虚拟建筑模型，并设计计算机程式对模型进行仿真，以确定建筑本身的可靠性。

目前市场上存在大量的建筑设计辅助软件，如AutoCAD［2］，PKPM，ETABS 等等。这些软件拥有一个特点，就是广而不精，工程师在使用时须将模型信息录入到软件系统中去。这对于一些复杂模型，如变电站塔架(图1)、筒仓、多层桁架等，录入模型要耗费大量时间和精力，只靠工程师手工绘制，工作量大、设计周期长、设计效率低。因此，一些行业里面的特殊模型，需要一些软件来对其需求进行细化，利用先进的计算机技术，结合已有的技术成果，来帮助工程师很方便地解决工程中的棘手问题。

在国内，变电站塔架设计建模一般使用结构空间分析软件，如3D3S，STAAD CHINA，PKPM等。这些软件建模效率低下，使用起来较为繁琐。国外的变电站塔架设计软件与我国塔架设计标准有很大差异，在设计规范上也并不相同，类似材料和构架的要求有很大出入。因此，在国内市场还没有广泛使用的国外变电站塔架设计软件。

在变电站塔架设计中，需要软件能够适用于各种类型的建筑模型，不同级别的变电站其建筑构件的形式也不相同。一般来说，不同的构件类型也拥有不同的特点［3］。本文首先对变电站建筑构件的常见形式进行总结和归纳。之后，在构件模型的标准化方面投入大量精力，对构件的建模方式进行全面分析和设计，保证设计的正确性和可靠性，力求把变电站模型设计仿真做到简单、方便、实用、准确，使得结构设计工程师可以迅速建立复杂的各种构件模型，提高设计质量和设计进度。

图1 某变电站鸟瞰图

1 CAD标准和构件标准化

CAD(Computer Aided Design)标准主要是统一建筑领域内模型构件的相关描述，从而实现计算机的模型辅助建模，并以此来实现模型构件的管理统一性和资源共享性［4］。CAD标准化主要是指CAD标准体系的建立。具体来说，CAD图形的标准体系如图2所示［5］。

图2 CAD标准体系

传统的制图标准作为工程人员表达设计思想、交流先进技术的统一语言，是传统工程技术领域的重要标准。然而，在现代化工程中，CAD技术被广泛推广应用，对纸面上的制图标准产生了巨大的冲击。一部分原有标准在新的情况下尚可适用，但大多数标准需要结合计算机实现来做适当修改、调整;有的还需要添加新的内容，如图形颜色的规定、线宽的规定，以及加入一些简化画法等等。所以，CAD标准也是为了解决用户在使用CAD系统时产生的问题。

在信息技术领域，对建筑构件进行CAD标准的工作非常重要，它为技术的发展提供了坚实的理论基础，是信息技术不断向生产力转化的动力。在制造业与信息技术不断融合发展的当今社会，CAD标准化工作更体现出它的重要作用和地位。

基于CAD标准对模型构件进行标准化，对生产效率的提升具有重大意义，其主要工作有以下几方面。(1)构件定型化。即根据构件结构选择模型构件的参数描述方式、技术规格和质量评判标准。(2)系列化。即对构件进行分类、分档，对存在关联关系的构件进行分组。(3)通用化。设计的构件应当通用，在设计时能够随情况进行互换和重用。

本文针对不同的变电站构件类型，研究其标准化方法，从而可选取标准化构件进行组合和建模。特别是在多排架结构建模时，如果没有标准构件库，模型的建立将需要繁琐的手工设置，变得非常复杂，影响模型的质量。标准化的构件能够帮助设计师迅速建立起复杂模型，同时也能保证模型的质量，提高设计效率。因此，提供一套标准的构件模型库就变得十分必要。

2 变电站塔架的标准化

本文研究的建模系统向用户提供了110 kV、220 kV、500 kV、750 kV四种变电站类型下常见梁、柱形式的建模。它主要包含圆钢梁、三角形格构梁(三种形式)、四边形格构梁(两种形式)、圆钢柱、人字柱和格构柱等。在实际工程中常见组合如表1所示。

表1 梁柱架构形式对照表

下面将针对每一种柱梁结构，介绍其标准化过程。

2.1 圆钢梁和圆钢柱

圆钢梁和圆钢柱是110 kV变电站［6］类型中常见结构。圆钢梁的主要描述参数为横向段杆数、每段杆长度;圆钢柱的描述参数包括柱高度、地线柱高度。另外，圆钢梁在实际工程中会设置挂线点，电线从挂线点处穿过;圆钢柱上的地线挂点处会有地线挂载，默认为地线柱的最高点。要特别注明的是，一般提到的杆，其描述参数有起始位置、结束位置、截面类型、材料类型等。

2.2 人字柱(A柱)

人字柱(如图3所示)常用在220 kV和500 kV变电站中，采用三角支撑使结构更加稳定，在柱顶处设置连接支架，用于支撑梁［7］。

图3 人字柱

描述人字柱的特性，从下往上讲:第一是根开尺寸，就是底部叉开的Y向宽度;第二是是否有端撑，即是否存在第三条支撑柱，如有则需要指定端撑的X向根开宽度;第三是顶部宽度，人字柱的顶部一般会设立面积不大的操作平台，一般为两边支撑柱截面面积之和的二分之一;第四是柱分段数，在段与段间设置横撑，横撑的长度由以上参数可以计算;第五是地线柱设置，同圆钢柱;第六是避雷针设置，一般提供用户选择，不为必须，避雷针也可配置分段数和长度，并可设置每段截面属性，一般截面设置形式为从下往上越来越细。

2.3 三角形格构梁

三角形格构梁拥有三种形式，其特征描述主要包含以下部分:第一是偏心尺寸，即梁与柱之间的间隙距离;第二是横向分段数，每一段的长度属性;第三是段与段之间的属性，包含是否有立杆，立杆中是否有腹杆，段结尾处是否为挂线点;第四为梁的底部宽度和垂直高度，如有起拱则最高起拱处拱起高度。

图4为三角形I型格构梁模型示意。该类型梁的特点如下:首个横向段顶部不存在主杆，每一段的斜撑起点与上一段斜撑终点相连;模型的斜撑呈之字型前后相连。因此，该模型建模时必须保证模型的总跨数为偶数。

图4 三角形I型格构梁

图5为三角形II型格构梁模型示意。该类型的特点在于首个横向段顶部主杆存在，因此第一个横向段起始处一定有立杆。

图5 三角形II型格构梁

图6为三角形III型格构梁模型示意。该类型梁的特点为在其2～3段处有一个折点，梁的起始宽度小于梁最大宽度。梁底部的斜撑形式为交叉形，而侧面的形式则呈以中心段为轴左右对称型。并且，此种类型每一段都存在立杆。因此，该类型在标准化时需额外提供折点，而不需要选择立杆选项。

图6 三角形III型格构梁

2.4 格构柱

格构柱常用在500 kV以上级别的变电站中，其特点是具有高度优势，当承载高压电线时可大大降低对地面设施的影响。图7展示了工程中使用的格构柱［8］。

图7 格构柱示意

格构柱模型是由多个竖向的段叠加而成，段与段之间由横向的隔层隔开，每一段有四个面，每一面的形式也不尽相同。因此，对该结构标准化定义，重点在于定义每一段。具体来说，可将每一段分为前后左右四个面，前后面相同，左右面相同;每一面拥有底部宽度、顶部宽度和高度三个几何属性;每一面的支撑杆件的形式一般为以下五种形式之一:“/”、“×”、“＞”、“”、“”。段与段间的隔层一般为交叉型结构，故此处仅需要提供截面定义接口即可。

2.5 四边形格构梁

四边形格构梁包含两种形式，其横截面均为四边形。四边形I型格构梁与人字柱结合使用，在500 kV变电站中较为常见。而四边形II型格构梁则与格构柱结合使用，在750 kV中较为常用。图8展示了750 kV变电站中，格构柱和格构梁结合使用的情况［3］。

图8 750 kV变电站示意

图9为四边形I型格构梁模型图，其底面为交叉型斜撑组成，侧面和顶面为“之”字相连形式斜撑。与三角形格构梁相同，描述其特征也需要描述横向段数、每段长度、结构整体宽度和长度等。每一段之间的腹杆也需要进行定义，如腹杆类型和截面等。该格构梁的首段也没有立杆，故分段数需要为偶数形式。

图9 四边形I型格构梁

图10为四边形II型格构梁模型图，与I型不同。它在两侧存在额外的支撑，可以与格构柱连接。因此，该模型在定义时还需要提供该支撑部分的参数定义。

图10 四边形II型格构梁

以上详细介绍了每一种构件的标准定义方法和描述参数，通过这些参数的研究和定义，为构件的计算机模型化创造了前提条件。

3 变电站塔架的建模方法

针对上述构件的计算机模型设计，提出构件的计算机建模方法。图11展示变电站塔架中常见模型构件的 UML 图［9］。

图11 模型构件UML图

在构件的计算机表示设计中，Component为构件顶级父类［10］，为每一个构件提供了 Name属性。另外，构件的建模需要提供一个初始原点，即Zero-Point，根据构件的参数和该 ZeroPoint，调用 GeneralElements生成构件。

Pole类为柱构件的公共父类［11］，提供了两个公共方法:GetHeight为得到构件的总高度，即柱本身、地线柱、避雷针的高度之和;GetBottomPoints为得到构件地面支撑点。Pole类有三个子类，即圆钢柱、LinePole、人字柱

APole和格构柱GridPole。LinePole可以设置其柱身高度PoleHeight和地线柱GroundColumn;APole可以设置其底部宽度BottomWidth、顶部宽度Top-Width、地线柱 GroundColumn、避雷针 LightRod、垂直段VerticalParts等;GridPole可设置的主要为垂直段VerticalParts和最上部段的顶部宽度TopWidth。除此之外，GridPole提供了一个自动计算段宽度的方法AutoCaculateParts。

Beam为梁构件的公共父类，提供了两个公共方法:GetLength为得到构件的横向全长;Eccentricity-Length为偏心距离，即梁与柱结合建模时，梁连接点到柱连接点距离，一般在这里安装连接件。Beam有三个子类，即圆钢梁LineBeam、三角形格构梁RectangleBeam和四边形格构梁QuadrangleBeam，分别表示三种常见梁构件。其中，LineBeam的设置只包含线形横向段LineParts;RectangleBeam包含有宽度Width、高度 Height、横向段 HorizontalParts、挠度 Deflection、梁类型BeamType等的设置。Deflection是指梁最高处的拱起高度;QuadrangleBeam中除了这些属性之外，还包含与格构柱连接处的属性设置StandBarWidth 和 StandBarHeight。

除了主要的Pole和Beam构件之外，还有其包含的子构件。LightRod即避雷针构件，其提供了分段数Parts设置，以及每段的截面类型SectionName和长度Lengtj;GroundColumn为地线柱构件，其提供了高度Height和截面的设置SectionName;Horizon-Part为水平向的段构件，VerticalPart为垂直向的段构件，一般包含段的长度Length和一些特点属性。

上述基础对象模型构成了变电站塔架的基本构件库，为模型的计算机实时建模和分析提供了支持。