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(中建四局第五建筑工程有限公司，貴陽 550003)

1 引言

曼寧公式是1889年由美國水利學者曼寧提出的，反映水流與河床的部分關系以及河床內部諸因素間的相互關系[1]。常用于物理計算、水利建設等活動中，在地下管網(wǎng)應用較少。AutoCAD Civil 3D是一款智能管網(wǎng)三維建模軟件，在管網(wǎng)設計時能夠實時、動態(tài)生成管網(wǎng)模型，管網(wǎng)設計工作與道路設計工作類似，均有平、縱、橫視圖顯示。軟件自帶有豐富的管網(wǎng)零件和管網(wǎng)結構，基本上滿足市政管網(wǎng)設計研究工作。但在目前使用軟件進行管網(wǎng)優(yōu)化設計時通常只考慮管網(wǎng)零件規(guī)則查錯和三維碰撞，很少運用曼寧公式解決管網(wǎng)優(yōu)化設計和管網(wǎng)查錯問題。同時在管網(wǎng)設計中如果直接引用曼寧公式進行計算，需要事先計算出水力半徑，在軟件操作方面軟件無法自動識別水力半徑，造成已編制完成的流量表達式，軟件無法選取識別相應的數(shù)據(jù)進行計算。所以直接利用曼寧公式進行工程管網(wǎng)施工運用存在困難，要求在實際管網(wǎng)工程中對曼寧公式進行進一步優(yōu)化。

2 曼寧公式在地下管網(wǎng)應用研究現(xiàn)狀

(1)曼寧公式在地下管網(wǎng)研究現(xiàn)狀

曼寧公式因公式簡單，應用方便，受到廣大技術人員的普遍歡迎，而且應用廣泛[3]。如果在進行管網(wǎng)設計時，可以動態(tài)顯示每一個管網(wǎng)零件的流量值，那么動態(tài)流量值將對優(yōu)化管網(wǎng)方案起到巨大作用。然而目前針對曼寧公式的研究主要放在河道、水庫、急變流等方面，在管網(wǎng)方面因地下管線變更頻繁，數(shù)量不斷增多，舊管線不斷被替換，地下管網(wǎng)系統(tǒng)永遠處在一個動態(tài)的變化之中[4]。造成相關應用比較淺薄。如果讓曼寧公式與管網(wǎng)零件半徑、坡度、動態(tài)連接起來，將完全改變傳統(tǒng)的管網(wǎng)設計思維。

(2)曼寧公式在地下管網(wǎng)應用現(xiàn)狀[5]

目前，曼寧公式在地下管網(wǎng)中主要應用于較粗糙的管網(wǎng)或管網(wǎng)水頭損失計算方面的應用，主要原因在于：一方面是市面上關于管網(wǎng)設計軟件無法很好的與曼寧公式進行深度擬合，直接造成軟件術語過于專業(yè)，操作復雜，軟件應用較少。另一方面，大多數(shù)管網(wǎng)網(wǎng)絡設計者并沒有把曼寧公式作為管網(wǎng)網(wǎng)絡設計的革新者，致使傳統(tǒng)管網(wǎng)設計思維未得到有效改變[5]。

可知，曼寧公式在地下管網(wǎng)的應用尚處在初級階段，目前的應用沒有把曼寧公式與信息化、智能化結合，也沒有對曼寧公式在管網(wǎng)設計的應用做出深入研究。

3 工程概況

該市政管網(wǎng)工程項目位于環(huán)西大道(K0+000～K4+800段)。本次道路設計長度為4.8km。工程設計排水管網(wǎng)作用是污水管網(wǎng)，布置管徑DN300-DN500、坡度盡量接近道路坡度、管網(wǎng)雙側敷設在人行道下。管網(wǎng)采用HDPE雙壁波紋管，其強度等級SN≥8kN·m-12，管網(wǎng)連接采用承插式密封圈連接。

我司成立了專門BIM管網(wǎng)小組，針對管網(wǎng)進行優(yōu)化設計與管網(wǎng)零件查錯，以為業(yè)主節(jié)約工程建設項目施工成本。同時深入研究曼寧公式在管網(wǎng)優(yōu)化設計的應用，為公司高新課題做出重要的理論數(shù)據(jù)支撐。

4 曼寧公式優(yōu)化

曼寧公式被認為是用于計算管網(wǎng)中異重流的工程默認公式，其基本的計算公式為：

式中:k-為轉換系數(shù);F-流水橫斷面面積;n-是糙率，是綜合反映管渠壁面粗糙情況對水流影響的一個系數(shù);R-是水力半徑，是流體截面積與濕周長的比值;S-指管網(wǎng)底坡坡度。

在對流量表達式進行編寫的時候，在管網(wǎng)優(yōu)化時，通?？紤]管網(wǎng)直徑與坡度，因為在工程中容易調整，而水力半徑與官網(wǎng)零件直徑相關，這里對水力半徑進行優(yōu)化。為方便進行計算，在優(yōu)化管網(wǎng)設計時，統(tǒng)一假設管網(wǎng)的最大流量為100%[2]，則管網(wǎng)的過水斷面面積為管網(wǎng)橫斷面面積，濕周為管網(wǎng)的周長。

根據(jù)上述說明，進一步將曼寧公式簡化為含有管網(wǎng)半徑、坡度的函數(shù)：Q=(k/n)* pi *(R)^2 *(R/2)^(2/3)*(坡度)^(1/ 2)pi是π。這樣做有以下三點好處：

(1)方便在后期工作中對管網(wǎng)流量表達式進行自定義的設置，管網(wǎng)零件半徑有多種表達方式，不用根據(jù)實際數(shù)據(jù)轉化為軟件識別的表達式； 計算準確，有保證[6]。

(2)根據(jù)管網(wǎng)流量表達式設置管網(wǎng)流量標簽，在設計管網(wǎng)的過程中就可以直接顯示管網(wǎng)流量，無需查詢與計算。

(3)在管網(wǎng)流量計算時，通常以管網(wǎng)全流量進行計算、分析[2]，該簡化公式也是根據(jù)全流量考慮，減少兩者轉化誤差[6]，保證最后結果的準確性。

5 管網(wǎng)流量表達式自定義編寫

在管網(wǎng)標簽設定功能里，可以自定義編寫表達式，這樣有兩方面的好處，一方面是可以針對不同的工程類型進行不同流量公式的編寫，以滿足實際工程需求。另外一方面方便在進行軟件二次開發(fā)出軟件自身沒有的參數(shù)，只需要把參數(shù)替換即可滿足計算要求。在輸入公式之前需要對軟件函數(shù)做一個比較清晰的認識，在公式編制之前一定要按照軟件合法的數(shù)據(jù)進行編制，可以在幫助文檔查找軟件識別的數(shù)據(jù)或者在編寫表達式時直接使用軟件自帶的函數(shù)表達式。軟件提供了許多管網(wǎng)基礎數(shù)據(jù)，比如管道半徑、方向角、內部直徑或寬度等等。比如軟件對“坡度”是不識別的，“管道坡度”才能夠識別，對識別不了的符號與文字軟件會進行標紅處理且無法確定[7]。

根據(jù)上述曼寧公式“k”取國際單位值1，考慮到現(xiàn)場管網(wǎng)為混凝土管網(wǎng)，則“n”值取0.012。表達式就可以表達為：Q=(1/0.012)* pi *(R)^2 *(R/2)^(2/3)*(坡度)^(1/2)。表達式按照格式Q=1*pi*(((起點中心線高程—起點管網(wǎng)內底高程)^2)*(1/0.012)*((起點中心線高程—起點管道內底高程)/2)^(2/3))*(SQRT(管道坡度))(如圖1)。(起點中心線高程—起點管道內底高程)表示管網(wǎng)的半徑R，SQRT表示返回正數(shù)的平方根[2]。

圖1 流量表達式創(chuàng)建

6 創(chuàng)建流量標簽樣式

表達式創(chuàng)建完成之后，在標簽樣式集(如圖2)創(chuàng)建具體相關標簽即可，標簽是軟件對不同模型的不同表現(xiàn)形式，主要作用在于同一個模型有不同的標注方式，以適應各個地方標注的差異。比如在進行道路設計時，國內工程制圖均是采用ZY、QZ、YZ點對路線進行標注，如果采用軟件默認標簽，將不會和國內工程制圖一致。需要顯示什么數(shù)據(jù)，就在文本文本部件編輯器輸入相關數(shù)據(jù)(如圖3)，標簽樣式生成器右邊將會生成預覽模式，以便及時查看標注樣式。一旦在管網(wǎng)零件特性設置此標簽，則管網(wǎng)平面圖將會顯示此標簽樣式。這里有兩點需要注意，一點是如果在想要在縱斷面視圖顯示標簽，需要先生成管網(wǎng)零件縱斷面視圖。一點是有些數(shù)據(jù)是沒有表達式，需要創(chuàng)建，比如之前并沒有創(chuàng)建流量表達式—劉幫，則在文本編輯器特性里面是無法找到流量表達式—劉幫。因之前已經(jīng)設置好流量表達式，找準對應流量表達式名稱，添加進去即可(如圖3)，創(chuàng)建的好的標簽數(shù)據(jù)，注記到已創(chuàng)建好的管網(wǎng)三維模型(如圖4)，就可以非常清楚地觀察管網(wǎng)的基礎數(shù)據(jù)，根據(jù)實際工程的不同，顯示的數(shù)據(jù)也不同。

表1 應用過程、結果對比分析

圖2 標簽樣式生成器

圖3 流量標簽設置

圖4 管網(wǎng)流量顯示(部分平面顯示)

7 工程實例分析

針對環(huán)西大道市政管網(wǎng)項目，由管網(wǎng)設計圖紙創(chuàng)建管網(wǎng)網(wǎng)絡三維模型，把優(yōu)化后的曼寧公式運用到管網(wǎng)標簽上，注記到已創(chuàng)建好的三維模型上，就可以查看每一個管網(wǎng)零件的流量值。流量值與管網(wǎng)零件的坡度、半徑相關，當固定一個變量，就可以得出另一變量的最優(yōu)值。在管網(wǎng)零件方面運用流量表達式可以模擬在當?shù)亟涤陾l件管網(wǎng)零件的流量數(shù)值[8]； 同時總結各方面理論資料，得出優(yōu)化曼寧公式前后的應用過程、結果對比分析情況(如表1)。

8 總結

通過某工程地下管網(wǎng)實例，在管網(wǎng)零件查錯和管網(wǎng)優(yōu)化設計方面應用曼寧公式，發(fā)現(xiàn)在管網(wǎng)優(yōu)化設計時，操作方便、專業(yè)性低，通過標簽來顯示管網(wǎng)流量后，非常簡單直觀地觀察管網(wǎng)流量來與其他設計方法所展示的管網(wǎng)流量做不同的對比，得到管網(wǎng)零件半徑、坡度的最優(yōu)值。不僅僅是節(jié)約了工作時間，而且進一步解放人的思維[9]。在管網(wǎng)零件查錯方面，曼寧公式也能很好地彌補管網(wǎng)零件規(guī)則檢查、三維碰撞的缺點，幾乎完全杜絕因圖紙錯誤而引起的工程返工。

[1] 王文英， 李百克，鄒文安.曼寧公式在工程水文設計中的應用[J].東北水利水電, 2010，(5)： 13-15.

[2] Civil 3D幫助文檔.

[3] 董淑芳， 何同溪.曼寧公式在管網(wǎng)水頭損失計算中適用性的討論[J].山東建筑工程學院學報， 1998(01)： 104-107.

[4] 萬晶晶. 住宅園區(qū)地下管網(wǎng)BIM技術應用研究[D].武漢理工大學， 2015.

[5] 程海根， 沈長江.BIM技術在橋梁工程中的應用研究綜述[J].土木建筑工程信息技術， 2017, 9(05): 103-109.

[6] 賈界峰， 趙井衛(wèi)，陳客賢.曼寧公式及其誤差分析[J].山西建筑, 2010，(7)： 313-314.

[7] 曹新輝， 席桂平，孫秀杰.應用曼寧公式進行明渠水力計算的誤差分析[J].黑龍江水專學報, 2007，(3)： 34-35.

[8] 林宗信.曼寧公式計算流量的誤差分析[C].//福建省第十二屆水利水電青年學術交流會論文集.福建省莆田水文水資源勘測分局， 2008， 92-99.

[9] 李鋒， 王家儀.曼寧公式在寬淺型河流中的應用[J].黑龍江水專學報， 1996(02)： 19-22.