计算机技术在水利工程设计中的应用——评《水利工程设计导论》

伴随着互联网技术的成熟以及科学技术的不断进步，水利水电工程建设的新理论、新方法和新材料不断涌现，为水利水电工程建设水平的提高奠定了基础。《水利工程设计导论》一书力求通过对常见水工建筑物的设计思想、设计方法和设计过程的阐述，培养读者综合运用有关理论和专业知识来解决工程设计问题的基本技能，以及计算、绘图和编写设计文件的能力。该书的第1章介绍了水利水电工程设计的一般知识，后面的章节分别对一些典型的水工建筑物，如重力坝、土石坝、拱坝、水闸、渡槽、引水式水电站、水电站机电设备等给出了设计实例。在互联网时代，水利水电工程设计离不开计算机技术的支持，计算机技术的应用能够为水利水电工程设计带来极大的便捷。

CAD技术与BIM技术都是互联网信息时代常见的计算机技术，能够在水利工程设计中普及应用。在水利工程规划设计、施工管理以及运营管理维护等阶段均可以利用CAD技术与BIM技术。在设计阶段可以利用CAD技术与BIM技术进行高效便捷设计，提升设计质量与效率，减少人工设计差错;在施工阶段，CAD技术与BIM技术能够有效提升施工进度与施工质量;在运营管理维护阶段，CAD技术与BIM技术能够为质量维护管理提供直观便捷的管理平台。

CAD技术即利用计算机与相关图形设备辅助设计人员开展设计工作的技术。在工程设计中，计算机能够辅助设计人员承担计算、信息存储以及图像制作等工作。在工程设计中需要计算机对各类方案进行大量计算，对计算结果进行分析对比，以选择最合理的方案。在工程设计过程中的各类设计信息，不论是数字信息，还是文字信息、图形信息，都能够存储在计算机中，当需要使用的时候，通过关键词或分类检索就可以快速查找。CAD技术主要由交互技术、图形变换技术、曲面造型技术以及实体造型技术组成，凭借自身的交互技术、图形变换技术、曲面造型技术等在工程设计领域得到广泛的应用。CAD系统类型众多，有信息检索型CAD系统、人机交互型CAD系统、智能型CAD系统等。伴随着计算机软件的发展，越来越多的工程设计行业在运用CAD技术，水利工程设计就是其中之一。在水利工程设计过程中，相对于人工绘图的方式.CAD技术的优势十分明显，主要表现在以下几个方面：第一，提升工程设计前期工作效率。《水利工程设计导论》一书提出，传统工程设计模式下设计人员进行区域选择以及测量计算，需要耗费大量的施工图纸以及测量器材，工作量较大，并且不便捷，在工作过程中还有可能导致精密设备仪器的损坏。CAD技术在水利工程设计中的应用，只需要攜带笔记本电脑以及相关电子产品就可以完成测量计算工作。CAD技术的应用使得水利工程前期设计准备工作变得更加高效、更加便捷。第二，CAD技术操作便捷，出错率低。工程设计人员进行人工绘图的过程中需要使用不同粗细、不同颜色的笔以及直尺、三角尺等工具，还要不断更换使用，如出现问题需要修改，则难度较大，工作过程较为繁杂，个别情况还需要重新进行设计，修改后的图纸图面不整洁。而CAD技术拥有统一的线型库与字体库，使用操作十分便捷，只需要操作计算机就可以进行绘图。假如在绘制过程中出现差错，可以使用UNDO功能来进行处理，显著提升了设计人员的设计效率，并且设计图面十分整洁。第三，提高设计图纸绘制精确度。水利工程设计过程十分复杂，需要耗费大量时间、精力，并且对工程设计图纸的要求很高，往往要精确到1 mm，采用CAD技术能够有效提升水利工程设计图纸绘制的精度。第四，提升水利工程设计速度与效率。水利工程建设工期紧，这就要求水利工程的前期设计工作在短时间内保质保量完成。应用CAD技术进行水利工程设计能够在短时间内准确地完成长度、周长与面积的计算，有效提升工程设计运算速度，节约设计时间，提升水利工程设计效率。第五，数据信息存储便捷。《水利工程设计导论》中提到，水利工程设计过程中往往需要涉及大量数据，各类数据信息的存储将直接关系着水利工程设计的科学性。假如采用手绘的方式，会消耗大量纸张，纸质档案的保存占用空间较大，并且查阅难度也较大。基于CAD技术的数据信息存储能够进行分类保存，并且不会占用计算机中的大量空间。一般来说，可以将水利工程设计图纸图形等文件保存至计算机的硬盘或移动设备中，不仅方便储存，同时能节省大量空间，还便于查找。

CAD技术可以应用在水利工程设计的以下几个方面：第一，利用CAD技术进行地形、地质研究。在水利工程设计中地形、地质的研究是十分关键的，利用CAD技术进行三维地形设计能够构建基于数字技术的三维立体图像，对大坝、导流洞、引水洞、泄洪洞等结构进行优化设计。这一优化设计过程能够将水利工程中大坝所处的区域展现在计算机中，利用CAD技术能够精确计算出不同断面的面积，并且可以对山体进行旋转、切剖、开挖等模拟操作，能够按照勘测数据对山体内部进行地质建筑实体与网格处理，以便在短时间内快速计算所需土方量、砂石量等。第二，利用CAD技术进行工程设计。水利工程设计通常都采用骨架设计形式，这种设计形式应用的均是并行设计的设计与协同方式，利用CAD技术进行水利工程设计能够更加明确地进行概念性设计，部分设计人员还能够开展剖面图的设计，使得整个设计理念更加明确。第三，利用CAD技术精准计算工程量。《水利工程设计导论》中提出，在坝体的工程量计算中，需要精准计算不同坝段的横截面积以及不同位置的坐标点，经过精准的计算才能满足工程计量设计需求。在对建筑物与坝址进行不同类别建模后，还需要计算不同材料在水利工程中的用量，以便为水利工程施工过程提供准确可靠的依据。如CAD技术在水利工程设计中可以用于溢流段坝面曲线的绘制，利用CAD技术中的绘制线条Spline功能绘制溢流段的坝面曲线，再使用Excel表格对其进行处理，使得溢流段坝面曲线可以完整呈现。其中，设计数据需要经过Excel处理才能够转换为坐标;Spline命令需要在CAD软件中执行：将数据在Excel表格中进行处理并转化为曲线坐标进行复制，然后将其粘贴于CAD的执行命令中，最后点击回车键完成，溢流段坝面曲线图即可生成。

BIM技术即建筑信息模型技术，是基于CAD技术延伸形成的多维建筑模型信息集成管理技术，是由传统工程设计向三维数字立体化设计转化的创新技术，能够推动绿色建筑发展，全面提升产业发展水平、促进建筑行业的信息化转型。将BIM技术应用在水利工程设计中，可以发挥BIM技术可视化、虚拟化以及进度控制等优势，有效提升水利工程设计的水平，降低返工的概率，有效缩短水利工程建设工期。BIM技术在水利工程设计中的应用与设计平台的选择有着密切关系，水利工程设计平台选择要充分考虑软件的建模能力、数据格式转换、格式兼容、参数化设计等。当前尚未出现专门满足水利工程设计需求的三维设计软件，水利工程设计主流软件有Revit、Mi-croStation以及Catia。其中，Catia软件的曲面建模功能十分强大，能够用于水利工程设计中拱坝等复杂水工结构的设计，能够对结构参数进行优化，同时相配套的ENOVIAVPM软件可以提供相应的协同数据管理，因此Catia成为常用的水利工程三维设计平台。而MicroStation相关系列的软件应用了统一的数据格式，多专业间设计成果需要进行多次的数据格式转化，并且在水利工程厂房设计、管线走向安排上具有一定优势，也在水利工程设计中广泛使用。Revit则是Autodesk公司针对建筑工程行业开发的三维设计软件，能够提供建筑、结构、暖通、机电等不同专业的设计模式，可以利用核心文件與工作集同时实现多专业的协同工作，还能够对AutoCAD、3DS MAX等设计软件进行数据转化。相对于Catia和MicroStation来说，Revit在工程建模方面拥有无可比拟的优势，成为水利工程设计中使用最广泛的三维设计工具。具体来说，利用Revit软件结构创建功能中的结构板、结构墙等部件，则能够十分轻松便捷地创建翼墙的底板与墙身;在获取翼墙相关工程量信息后，翼墙的体量与形状则可以通过对板墙轮廓的编辑来转变;利用墙面轮廓设计功能能够完成斜边切角的设计;倾斜的翼墙顶板则可以使用Revit中的“修改子图元”功能来完成;如果左、右岸翼墙是对称的，则可以用中轴线镜像功能将其复制到另一边相应位置。

传统的水利工程设计方式注重建筑形体的创建，最终设计出来的三维设计成果几乎不涵盖其他属性的数据，使得模型难以普遍应用，局限性较为明显。应用BIM技术后，水利工程设计模型创建的过程中不仅涵盖了几何构造、尺寸数据等相关信息，同时所完成的设计成果能够在水利工程设计时期应用，还可以使用在水利工程施工与运维管理过程中。BIM技术在水利工程设计中的应用，能够有效提升设计质量，提高设计效率。应用Revit、MicroStation软件可以对模型进行多次碰撞检查，产生不同碰撞结果，对不同次数的碰撞结果进行对比，从而快速查找工程设计中存在的错误，以便有针对地进行修改。通过BIM技术修正调整的水利工程设计图纸可以有效避免错漏问题，BIM技术还能够统计水利工程的工程量;应用BIM技术构建的工程信息模型，不仅含有水利工程的几何形体信息，还包括相关构件的型号、材料、造价等.可以十分便捷地生成工程量信息;通过Revit工程量计算功能，能够自动生成材料统计表格以及工程总量：利用BIM技术进行的工程量统计不仅可以作为水利工程设计的造价参考，也可以作为水利工程施工管理的重要借鉴。

（徐里萍：川北幼儿师范高等专科学校讲师）