水闸三维协同标准化设计系统研究

2018-02-21李爱君田新星张政华

水利水电工程设计 2018年4期

关键词：闸室水闸可视化

孙斌李爱君田新星张政华

水闸设计工作十分复杂，主要表现在：设计流程复杂；结构形式灵活多变；多重影响因子相互制约[1]。传统设计模式下，水闸设计人员的工作量和工作难度很大。目前设计单位亟需改进设计手段，从而提升设计效率和产品质量。

为解决上述问题，研究和开发了水闸的三维协同标准化设计系统，该系统是针对水闸工程的设计过程提炼、开发出的一套标准化解决方案，而非传统意义上的单一计算工具或制图工具。

1 技术路线

1.1 资料的收集与整理

收集水闸设计工作相关的国家标准、行业规范、设计报告、标准图册、标准计算书等资料，对相关的设计流程、工程布置类型、常用结构型式、优化设计的原理和方法、相关功能计算分析原理、计算公式、标准计算书等进行分类和汇总。

1.2 确定系统框架

在上一步骤成果的基础上，确定水闸设计的标准化设计流程，标准化优选算法、标准化结构库、标准化计算库，形成标准化设计系统的框架。该框架将工程方案优化布置、复核计算、数据存储传递、后期出计算书等若干独立环节串联集成在一起。

1.3 编程实现标准化系统

利用计算机编程技术，将标准化设计体系框架的各组成部分通过计算机程序实现自动化操作，进行系统集成，完成系统开发。

2 开发语言选择

在辅助设计领域，目前常用的系统开发语言有C、C++、C#、VisualBasic等多种。本系统在开发过程中既要考虑各模块的功能要求，又要考虑后期系统集成的要求。标准化设计功能的开发语言选择比较自由，但可视化功能需要在对三维协同设计平台软件Microstation进行二次开发的基础上实现，开发语言受到一定的限制[3]。

为便于后期系统集成，考虑统一采用Microsoft.NET Framework平台下的开发语言编写程序。本系统的标准化设计功能采用C#.NET语言编写程序，可视化功能采用VB.NET语言编写程序。

3 系统框架和数据传递设计

水闸三维协同标准化设计系统的框架和数据传递图如图1所示。

图1 标准化设计系统框架和数据传递图

水闸设计涉及的环节很多，本系统从工程优化布置出发，设计了与之相关的方案初拟和优化模块、方案设计模块、复核计算模块和可视化模模块等4个主要模块和一个后台工程数据库。

该系统以水闸标准化设计体系为核心，以工程数据库为数据基础，实现工程参数和其他数据信息在工程数据库集中存储，通过设计流程实现工程数据在设计模块和设计平台之间的交互和有序传递。

4 系统设计

4.1 数据库设计

本系统利用数据库统一工程中各类数据的格式和表达方式，并进行统一的存储管理，避免各设计模块之间互相取用数据产生的相互干扰和混乱，确保数据在各流程之间实现稳定、有序的传递。各模块读入的基本参数和产生的参数均存入工程数据库，供下游模块使用，保证数据来源的唯一性。

水闸工程数据库按功能分为基础数据库、方案参数库、复核计算参数库以及建模参数库等4个二级数据库。各个二级数据库下设多个数据表单。工程数据库的结构件如图2所示。

图2 水闸工程数据库结构图

本文仅选取有代表性的闸室布置参数表做详细说明。闸室布置参数信息实体用于描述闸室纵向、横向和竖向布置的基本参数。纵向布置参数包括闸室长度、闸门位置等。横向布置参数包括闸室总净宽、单孔净宽、分段数、总闸孔数、边墩厚度、中墩厚度等。竖向布置参数包括墩顶高程、底板高程、底板厚度等。

4.2 模块设计

方案初拟优化模块：根据基本的地形资料、水文资料、地质资料、气象资料和工程安全要求等，进行水闸顶高程计算和水闸布置方案初拟。

方案设计模块：根据初拟方案的优化结果、已有参数和水闸结构库的标准化结构型式进行水闸结构布置设计，并读取复核计算模块的结果，按规范要求修正结构布置设计方案。模块多次运行后生成满足规范、经过复核计算的标准化结构布置方案并将结构数据存入工程数据库。

复核计算模块：实现过流能力、消能防冲、防渗排水、闸室稳定、闸室结构、挡墙稳定、地基处理等8种计算功能。能够自动读取工程数据库相关参数，计算结果直接生成标准格式计算书，实现了计算过程的智能化。该模块用于在方案优化过程中对拟定的设计方案进行复核计算，检验方案与规范的符合性，指导设计修改，直至满足规范要求。

可视化模块：以方案设计模块确定的工程方案为数据基础，在Microstation平台上实现自动参数化建模、工程方案的可视化展示和分类统计工程量[3]。参数化建模所需的全部设计参数均由上一环节的标准化设计模块通过后台数据库传递过来，可实现全自动运行。在建模过程中同时设置模型的材料类型、图层、线宽等信息，用于后续工序根据材料统计工程量和出图。输出的工程量统计结果按部位集中统计，按ID单个输出，按材料分类汇总，可以快速地提供给工程造价专业使用。

方案设计模块界面如图3所示，复核计算模块界面如图4所示。

4.3 应用流程

利用本系统进行设计的流程如下：

（1）根据基本的水文资料、地形资料和工程安全要求，确定墩顶高程；

（2）孔口宽度，初拟工程竖向布置方案和平面布置方案；

（3）根据过流要求、稳定要求、结构受力要求、消能防冲要求等，对初拟的布置方案进行复核计算；

（4）据复核计算结果，不断优化设计方案；

（5）确定设计方案；

（6）读取设计方案数据，自动进行三维建模和可视化展示；

（7）统计工程量。

图3 方案设计模块界面

图4 复核计算模块界面

5 应用案例

本系统在河北省引黄入冀补淀工程和河北省地下水超采综合治理地表水灌溉工程的100多座水闸的设计工作中进行了应用。这些水闸功能类型包括防洪、节制、引水、排水等，建闸河道宽度范围为1.5～100 m，涵盖了大、中、小型各种规模的水闸。通过应用证明，水闸三维协同标准化设计系统在不同规模、不同边界条件的水闸设计过程中均运行稳定可靠，使设计效率取得了显著提高。

某水闸工程等别为Ⅳ等，规模为小（1）型，主要建筑物级别为4级，设计防洪标准为10年一遇，设计流量45 m3/s，闸下设计水位17.731 m，上游设计挡水位17.88 m，下游设计挡水位18.35 m，设计河底高程13.00 m，天然河道上口宽49.2 m。该工程采用本系统确定的最终设计方案如下：

（1）水闸孔数为2孔，闸室长度13.5 m，单孔净宽5.0 m，孔口高度5.8 m，底板厚1.1 m，闸墩厚1.0 m。

（2）上游渐变段设圆弧翼墙，圆弧半径10.0 m，翼墙断面为悬臂式结构，立墙高5.8 m，立墙之间河底设钢筋混凝土铺盖，厚0.4 m。

（3）上游河道段依次设10 m长浆砌石防护和5 m长干砌石防护，厚度均为0.4 m。

（4）下游渐变段设八字圆弧翼墙，八字扩散角为10.9°，圆弧半径6.0 m，翼墙断面为悬臂式结构，立墙高6.8 m，立墙之间河底设钢筋混凝土消力池，消力池底板厚0.7 m。

（5）下游河道段依次设10 m长浆砌石防护和10 m长干砌石防护，厚度均为0.4 m。

该设计方案输出的三维模型如图5所示。