孫 斌 李愛君 田新星 張政華

水閘設(shè)計工作十分復(fù)雜，主要表現(xiàn)在：設(shè)計流程復(fù)雜；結(jié)構(gòu)形式靈活多變；多重影響因子相互制約[1]。傳統(tǒng)設(shè)計模式下，水閘設(shè)計人員的工作量和工作難度很大。目前設(shè)計單位亟需改進(jìn)設(shè)計手段，從而提升設(shè)計效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

為解決上述問題，研究和開發(fā)了水閘的三維協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)，該系統(tǒng)是針對水閘工程的設(shè)計過程提煉、開發(fā)出的一套標(biāo)準(zhǔn)化解決方案，而非傳統(tǒng)意義上的單一計算工具或制圖工具。

1 技術(shù)路線

1.1 資料的收集與整理

收集水閘設(shè)計工作相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)規(guī)范、設(shè)計報告、標(biāo)準(zhǔn)圖冊、標(biāo)準(zhǔn)計算書等資料，對相關(guān)的設(shè)計流程、工程布置類型、常用結(jié)構(gòu)型式、優(yōu)化設(shè)計的原理和方法、相關(guān)功能計算分析原理、計算公式、標(biāo)準(zhǔn)計算書等進(jìn)行分類和匯總。

1.2 確定系統(tǒng)框架

在上一步驟成果的基礎(chǔ)上，確定水閘設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計流程，標(biāo)準(zhǔn)化優(yōu)選算法、標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)庫、標(biāo)準(zhǔn)化計算庫，形成標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)的框架。該框架將工程方案優(yōu)化布置、復(fù)核計算、數(shù)據(jù)存儲傳遞、后期出計算書等若干獨立環(huán)節(jié)串聯(lián)集成在一起。

1.3 編程實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)

利用計算機(jī)編程技術(shù)，將標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計體系框架的各組成部分通過計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)自動化操作，進(jìn)行系統(tǒng)集成，完成系統(tǒng)開發(fā)。

2 開發(fā)語言選擇

在輔助設(shè)計領(lǐng)域，目前常用的系統(tǒng)開發(fā)語言有C、C++、C#、VisualBasic等多種。本系統(tǒng)在開發(fā)過程中既要考慮各模塊的功能要求，又要考慮后期系統(tǒng)集成的要求。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計功能的開發(fā)語言選擇比較自由，但可視化功能需要在對三維協(xié)同設(shè)計平臺軟件Microstation進(jìn)行二次開發(fā)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)，開發(fā)語言受到一定的限制[3]。

為便于后期系統(tǒng)集成，考慮統(tǒng)一采用Microsoft.NET Framework平臺下的開發(fā)語言編寫程序。本系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計功能采用C#.NET語言編寫程序，可視化功能采用VB.NET語言編寫程序。

3 系統(tǒng)框架和數(shù)據(jù)傳遞設(shè)計

水閘三維協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)的框架和數(shù)據(jù)傳遞圖如圖1所示。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)框架和數(shù)據(jù)傳遞圖

水閘設(shè)計涉及的環(huán)節(jié)很多，本系統(tǒng)從工程優(yōu)化布置出發(fā)，設(shè)計了與之相關(guān)的方案初擬和優(yōu)化模塊、方案設(shè)計模塊、復(fù)核計算模塊和可視化模模塊等4個主要模塊和一個后臺工程數(shù)據(jù)庫。

該系統(tǒng)以水閘標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計體系為核心，以工程數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，實現(xiàn)工程參數(shù)和其他數(shù)據(jù)信息在工程數(shù)據(jù)庫集中存儲，通過設(shè)計流程實現(xiàn)工程數(shù)據(jù)在設(shè)計模塊和設(shè)計平臺之間的交互和有序傳遞。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 數(shù)據(jù)庫設(shè)計

本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫統(tǒng)一工程中各類數(shù)據(jù)的格式和表達(dá)方式，并進(jìn)行統(tǒng)一的存儲管理，避免各設(shè)計模塊之間互相取用數(shù)據(jù)產(chǎn)生的相互干擾和混亂，確保數(shù)據(jù)在各流程之間實現(xiàn)穩(wěn)定、有序的傳遞。各模塊讀入的基本參數(shù)和產(chǎn)生的參數(shù)均存入工程數(shù)據(jù)庫，供下游模塊使用，保證數(shù)據(jù)來源的唯一性。

水閘工程數(shù)據(jù)庫按功能分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫、方案參數(shù)庫、復(fù)核計算參數(shù)庫以及建模參數(shù)庫等4個二級數(shù)據(jù)庫。各個二級數(shù)據(jù)庫下設(shè)多個數(shù)據(jù)表單。工程數(shù)據(jù)庫的結(jié)構(gòu)件如圖2所示。

圖2 水閘工程數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)圖

本文僅選取有代表性的閘室布置參數(shù)表做詳細(xì)說明。閘室布置參數(shù)信息實體用于描述閘室縱向、橫向和豎向布置的基本參數(shù)?？v向布置參數(shù)包括閘室長度、閘門位置等。橫向布置參數(shù)包括閘室總凈寬、單孔凈寬、分段數(shù)、總閘孔數(shù)、邊墩厚度、中墩厚度等。豎向布置參數(shù)包括墩頂高程、底板高程、底板厚度等。

4.2 模塊設(shè)計

方案初擬優(yōu)化模塊：根據(jù)基本的地形資料、水文資料、地質(zhì)資料、氣象資料和工程安全要求等，進(jìn)行水閘頂高程計算和水閘布置方案初擬。

方案設(shè)計模塊：根據(jù)初擬方案的優(yōu)化結(jié)果、已有參數(shù)和水閘結(jié)構(gòu)庫的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行水閘結(jié)構(gòu)布置設(shè)計，并讀取復(fù)核計算模塊的結(jié)果，按規(guī)范要求修正結(jié)構(gòu)布置設(shè)計方案。模塊多次運(yùn)行后生成滿足規(guī)范、經(jīng)過復(fù)核計算的標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)布置方案并將結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)存入工程數(shù)據(jù)庫。

復(fù)核計算模塊：實現(xiàn)過流能力、消能防沖、防滲排水、閘室穩(wěn)定、閘室結(jié)構(gòu)、擋墻穩(wěn)定、地基處理等8種計算功能。能夠自動讀取工程數(shù)據(jù)庫相關(guān)參數(shù)，計算結(jié)果直接生成標(biāo)準(zhǔn)格式計算書，實現(xiàn)了計算過程的智能化。該模塊用于在方案優(yōu)化過程中對擬定的設(shè)計方案進(jìn)行復(fù)核計算，檢驗方案與規(guī)范的符合性，指導(dǎo)設(shè)計修改，直至滿足規(guī)范要求。

可視化模塊：以方案設(shè)計模塊確定的工程方案為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，在Microstation平臺上實現(xiàn)自動參數(shù)化建模、工程方案的可視化展示和分類統(tǒng)計工程量[3]。參數(shù)化建模所需的全部設(shè)計參數(shù)均由上一環(huán)節(jié)的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計模塊通過后臺數(shù)據(jù)庫傳遞過來，可實現(xiàn)全自動運(yùn)行。在建模過程中同時設(shè)置模型的材料類型、圖層、線寬等信息，用于后續(xù)工序根據(jù)材料統(tǒng)計工程量和出圖。輸出的工程量統(tǒng)計結(jié)果按部位集中統(tǒng)計，按ID單個輸出，按材料分類匯總，可以快速地提供給工程造價專業(yè)使用。

方案設(shè)計模塊界面如圖3所示，復(fù)核計算模塊界面如圖4所示。

4.3 應(yīng)用流程

利用本系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計的流程如下：

（1）根據(jù)基本的水文資料、地形資料和工程安全要求，確定墩頂高程；

（2）孔口寬度，初擬工程豎向布置方案和平面布置方案；

（3）根據(jù)過流要求、穩(wěn)定要求、結(jié)構(gòu)受力要求、消能防沖要求等，對初擬的布置方案進(jìn)行復(fù)核計算；

（4）據(jù)復(fù)核計算結(jié)果，不斷優(yōu)化設(shè)計方案；

（5）確定設(shè)計方案；

（6）讀取設(shè)計方案數(shù)據(jù)，自動進(jìn)行三維建模和可視化展示；

（7）統(tǒng)計工程量。

圖3 方案設(shè)計模塊界面

圖4 復(fù)核計算模塊界面

5 應(yīng)用案例

本系統(tǒng)在河北省引黃入冀補(bǔ)淀工程和河北省地下水超采綜合治理地表水灌溉工程的100多座水閘的設(shè)計工作中進(jìn)行了應(yīng)用。這些水閘功能類型包括防洪、節(jié)制、引水、排水等，建閘河道寬度范圍為1.5～100 m，涵蓋了大、中、小型各種規(guī)模的水閘。通過應(yīng)用證明，水閘三維協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)在不同規(guī)模、不同邊界條件的水閘設(shè)計過程中均運(yùn)行穩(wěn)定可靠，使設(shè)計效率取得了顯著提高。

某水閘工程等別為Ⅳ等，規(guī)模為?。?）型，主要建筑物級別為4級，設(shè)計防洪標(biāo)準(zhǔn)為10年一遇，設(shè)計流量45 m3/s，閘下設(shè)計水位17.731 m，上游設(shè)計擋水位17.88 m，下游設(shè)計擋水位18.35 m，設(shè)計河底高程13.00 m，天然河道上口寬49.2 m。該工程采用本系統(tǒng)確定的最終設(shè)計方案如下：

（1）水閘孔數(shù)為2孔，閘室長度13.5 m，單孔凈寬5.0 m，孔口高度5.8 m，底板厚1.1 m，閘墩厚1.0 m。

（2）上游漸變段設(shè)圓弧翼墻，圓弧半徑10.0 m，翼墻斷面為懸臂式結(jié)構(gòu)，立墻高5.8 m，立墻之間河底設(shè)鋼筋混凝土鋪蓋，厚0.4 m。

（3）上游河道段依次設(shè)10 m長漿砌石防護(hù)和5 m長干砌石防護(hù)，厚度均為0.4 m。

（4）下游漸變段設(shè)八字圓弧翼墻，八字?jǐn)U散角為10.9°，圓弧半徑6.0 m，翼墻斷面為懸臂式結(jié)構(gòu)，立墻高6.8 m，立墻之間河底設(shè)鋼筋混凝土消力池，消力池底板厚0.7 m。

（5）下游河道段依次設(shè)10 m長漿砌石防護(hù)和10 m長干砌石防護(hù)，厚度均為0.4 m。

該設(shè)計方案輸出的三維模型如圖5所示。

圖5 某水閘設(shè)計輸出的三維模型

6 結(jié)語

（1）水閘三維協(xié)同標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計系統(tǒng)以工程數(shù)據(jù)庫為紐帶，通過將工程布置、復(fù)核計算、三維可視化等獨立環(huán)節(jié)和設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)、設(shè)計知識進(jìn)行集成，形成了智能化的設(shè)計系統(tǒng)。代表了工程設(shè)計領(lǐng)域的智能化和標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展方向。

（2）系統(tǒng)將諸多繁雜的設(shè)計環(huán)節(jié)進(jìn)行精簡和集成，首尾貫通，流轉(zhuǎn)順暢，從根本上解決了水閘設(shè)計工作流程復(fù)雜、協(xié)作困難、參數(shù)傳遞困難等問題，降低了設(shè)計人員的工作難度。

（3）系統(tǒng)在可視化平臺上將設(shè)計成果快速轉(zhuǎn)換為真實可見的三維模型。能幫助設(shè)計人員對設(shè)計方案有更加直觀的認(rèn)識和判斷，還能夠自動完成主要工程量的統(tǒng)計匯總。