水利工程施工计算与数据处理方法研究

解海军

摘要：随着建筑工程技术的飞速发展，数据分析与计算在施工项目技术的论证应用也更加广泛。传统的手工计算与数据分析不仅费时费力，而且精准度、时效性难以满足现代工程快速化、高质量、严安全的要求。如何在继承原有理论计算及数据处理的经验基础上，借助先进的数据计算与处理平台完成相关工作，并实现快速、精确、详实的输出结果，也是工程技术人员亟待解决的问题。本文引入Mathcad Prime和AxMath进行数据计算，借助Excel进行数据图表绘制及CAD坐标展点，借助隧道施工软件进行数据分析等，能够有效地解决上述问题。

关键词：Mathcad Prime和AxMath数据计算;Excel数据图表绘制;CAD坐标展点;隧道施工软件数据分析

中图分类号： TV52             文献标识码：A

1  概况

目前，大多数建筑企业在进行项目施工方案论证过程中，仍旧沿用传统的手工理论计算方式，电算化程度不高，对于工程计算与数据处理的速度、精准度、时效性，特别是对于混凝土出机口温控计算、水力截流计算，强度指标数据绘制图表，坐标数据导入CAD展点，隧道不同围岩级别开挖进尺统计，数据单位批量上下标设置，难以满足现代快速化施工的需求。针对这种问题，笔者经过对建筑行业内几款优秀的理论计算软件的比选，结合自身工程实践，利用Mathcad Prime、AxMath进行工程计算，利用Excel完成Project软件提取的主要强度指标数据绘制图表，利用Excel完成图纸坐标在CAD中批量展点，利用隧道施工计算软件完成不同围岩等级、不同开挖进尺条件下，整条洞室工期的分析，利用Excel完成大量坐标数据转换、坐标数据连线及编号，利用Word查找和替换功能完成数据或单位批量上下标设置，显著地提高工效和精准度，出色地完成日常工程计算与数据处理工作。

2  Mathcad Prime和AxMath数据计算

2.1  Mathcad Prime

Mathcad[1]是美国PTC公司旗下的一款工程计算软件，作为工程计算的全球标准，与专有的计算工具和电子表格不同，Mathcad允许工程师利用详尽的应用数学函数和动态、可感知单位的计算来同时设计和记录工程计算。Mathcad Prime是在Mathcad基础上开发的针对全球工程师行业技术标准计算工具。Mathcad Prime通过将计算、图表、文本和图像结合在一个文档中，支持知识撷取和发布，而这些都有助于大型项目的管理。

在国内外水电工程中施工中，经常会涉及到水工建筑物混凝土温度控制问题，针对混凝土温控问题均需要计算混凝土出机口温度，相关专业书籍给出的混凝土出机口温度计算公式如下：

上式中参数变量多，分项式多，如果采用传统的手工计算，将耗费大量的时间和精力，稍不留神，容易出现计算错误。经过对现有计算手段分析、比较，采用Mathcad Prime软件，在参数已知情况下，通过定义参数变量，软件可自动、快速、准确的计算结果。其计算主要过程如下（计算简图见图1）：

（1）在不考虑混凝土拌和产生的机械热时，分别给定Cs、Cg、Cc、Cw，qs、qg，Ts、Tg、Tc、Tw，Ws、Wg、Wc、Ww参数取值;

（2）在Mathcad Prime软件中，将步骤（1）中参数变量进行定义;

（3）按照软件输入规则完成温控计算公式书写;

（4）进行公式运算，软件自动完成公式求解。

对于水利工程中涉及导截流施工的相关理论计算也可借助Mathcad Prime软件完成。例如截流水力学计算[2]中的龙口泄流量计算：                                  （淹沒流形态），在给定不同时段龙口上游水深H、龙口平均水面宽度B（σ淹没系数、m收缩流量系数均可根据不同过水断面形式、流态查相关参数表获取），可分别计算不同时段龙口下泄流量，最终完成截流水力学计算成果表，为截流施工选取龙口宽度、截流材料用量、截流施工机械配置等提供理论依据。

特別是在束窄河床水力计算中，对于显式函数方程：           的求解，通常在Excel中采用直接迭代法或直接迭代加速法（常用埃特金加速法）进行计算，需进行计算列表并经过2～3次迭代运算，方可求得最终结果，而借助Mathcad Prime软件，将上述公式按照一元三次方程进行求解，可直接得到结果（需剔除假值）。

Mathcad Prime软件主要适用于复杂公式计算以及高等数学理论计算，尤其在求解方程、方程组，矩阵及函数，微积分及曲线图绘制方面优势明显。

2.2  AxMath

Axmath软件是一款最新的国产化公式的编辑与排版、科学计算软件，与其同期推出的还有AxGlyph（主要用于函数图形及计算简图绘制）。AxMath软件与之前的MathType软件相比较，具有性价比高，界面更人性化、操作简单等优点。AxMath属于OLE（用来在WORD等容器中插入公式或图片对象）软件，包含latex语法编辑公式。AxMath的公式输入方法包括面板输入、LaTex语法输入和面板、LaTex语法混合输入三种方式。极大地满足各专业人员在Word、WPS等环境下公式编排、理论计算的需求。

3  Project资源分配数据提取与利用

Project软件作为一款项目管理工具软件，学习及操作简单，功能齐全，深受广大工程行业人员喜爱。但是使用该软件的人员经常会为提取进度计划中各主要项目的分配数据而烦劳，尤其是在该软件“资源图表”模块下生成的各主要项目资源柱状图效果不尽如人意。

经过多次工程实践摸索，可借助Excel软件的图表绘制功能并利用提取的Project资源分配数据完成数据柱状图或曲线图绘制。

（1）资源分配数据提取：将Project软件切换至资源使用状况界面，先根据需要利用“时间刻度”对话框完成时间刻度年、季度、月的格式设置，再利用鼠标左键拖动选择需要提取的数据，最后利用“Ctrl+C”组合键进行选中数据复制（Project软件中不能使用直接复制功能）。

（2）数据放置及处理：新建Excel空白文档，将Project软件提取的数据粘贴到文档中，并对数据分类名称、数据显示小数位数、数据时间段进行完善。由于从Project软件中提取的数据为水平排列，如果想将其调整为垂直方式排列，相应操作为：①复制需要转向的数据;②粘贴前鼠标右键选“选择性粘贴”项，③在空白单元格处单击，在打开的选择性粘贴对话框中勾选“转置”项，单击确定按钮即可实现数据行列转置。利用Excel的转置功能，亦可实现长系列数据表格的纵横向转置。

（3）数据图表绘制：对于经常使用的图表，应预先完成图表样式设置，使用时仅需要替换图表中相关联的数据，就可自动生成图表。借助步骤（2）处理后的数据，将其录入到Excel预设图表中，即可自行生成图表。

（4）插入图表：在Word中选中“保留源格式和嵌入工作簿”格式粘贴，可在Word中对图表格式进行调整。

4  地下洞室掘进数据分析

在地下洞室开挖进度安排上，工程技术人员往往需要根据揭示有围岩类别的洞室设计纵断面图，并结合围岩分类、开挖方式、施工规范要求及本单位施工能力等因素，通过将围岩等级、开挖长度、每循环开挖进尺、每循环消耗工时等项目汇总、列表，采用手工或借助Excel进行分析计算。其工程量大，工作效率及准确度不高，而且难以对不同围岩类别开挖进尺强度进行横向比较。经过多次实践运用比较，借助一款隧洞施工计算软件中的“工期计算”模块工程，在完成设计图纸中不同等级围岩长度初步统计后，先在软件中调取适用于本工程的Ⅱ～Ⅴ类围岩，其次根据本单位施工能力逐一完成各类围岩长度、每循环掘进进尺、每循环耗时数据输入，再通过点击软件计算按钮，可自动计算各类围岩开挖进尺总用时及整个洞室开挖进尺总工期。

根据以往類似洞室施工经验，初期开挖支护应考虑洞室进出口洞脸施工用时、洞室可能出现不良地质条件处理用时，在软件计算的洞内正常开挖进尺总用时基础上，适当考虑洞脸施工及地质不良洞段处理施工用时，最终可获得整条洞室开挖支护施工总工期。

5 图纸坐标数据转换为CAD坐标数据

日常工作中，经常需要将设计图纸中的坐标添加到CAD中，以便在CAD进行地块面积查询，建筑物结构设计等工作。如何实现多个坐标数据批量导入CAD展点，笔者经过查询相关资料并多次应用比较，利用Excel完成CAD坐标数据转换，可顺利实现坐标数据批量导入CAD展点（数据处理结果如图2）。

操作步骤如下：

（1）将设计图纸中坐标数据按照表格中X、Y、H列项对应输入（表格在建立时已将原图纸中X、Y数据进行位置调整）。

（2）在“CAD展点连线（二维平面）”列项第一单元格中带源格式输入（=C3&"，"&B3&""），其中C3、B3分别为点号D001的Y、X数值，点击单元格在右下角智能十字光标出现后自上而下拖动，即可完成二维平面环境下图纸坐标数据转换为CAD坐标数据。“CAD展点连线（三维立面）”列项数据转换，可在其列项第一个单元格中带源格式输入（=C3&"，"&B3&"，"&D3），其中C3、B3、D3分别为点号D001的Y、X、H数值，其余步骤与二维平面操作相同，可完成三维立面图纸坐标数据转换为CAD坐标数据。

（3）在CAD界面中，如仅进行二维坐标数据导入展点，采用PL二维多段线命令操作，先将“CAD展点连线（二维平面）”列转换后的数据全部复制，根据CAD命令行提示，再将其全部数据粘贴在CAD命令行，可完成坐标数据连线。如仅需要画坐标点，可在CAD中执行Piont命令的多点命令（绘图→点→多点）即可。为便于查看数据坐标点位，可执行格式→点样式操作，对点的样式进行设置。

（4）在CAD界面中，对于三维坐标数据导入，采用3DPL三维多段线命令;如需画三维坐标点，可在CAD中执行Piont命令的多点命令，其余操作与二维坐标数据导入相同。

6 原始地形转三维实体

在利用ZDM水工辅助设计软件进行原始地形转三维实体操作前，应对CAD版本的原始地形图进行必要的处理，以适应软件的使用要求，方可进行软件操作。操作步骤如下：

（1）在CAD安装ZDM软件后，打开一张CAD原始地形图，执行土建→地形图处理→删除地形图重线、重点合并图层操作，按照命令行提示依次完成操作，可完成地形图重线、重点及合并图层处理。在选择高程点、等高线时，应将框定区域的多段线也选中，否则，生成实体时无法选择作为边界的多段线。

（2）执行土建→实体法开挖计算→生成实体地面操作，根据命令行提示完成操作，可生成地貌结构实体。

（3）执行土建→实体法开挖计算→三维三角面转实体操作，可三维实体。

（4）通过三维合并命令，最终形成完整三维实体结构。

7 批量设置数据、单位上下标

在写工程专业论文或编制施工方案过程中，经常会遇到多个数据、单位的上下标情况，对于同一单位、数据在同一文档中多次出现情况，如利用手工依次设置，则费时费力，并且在文档格式后续调整过程中，已设置的数据、单位上下标又会被取消。经过笔者多次摸索，通过利用Word中“查找和替换”功能可批量、快速设置数据、单位上下标，避免不必要的干扰，效果良好。具体操作步骤如下：

（1）在Word中选择某一数据或单位，先通过手动方式完成其上下标设置;

（2）全选设定好的数据或单位并复制;

（3）在Word“开始”模块中，单击“替换”按钮，打开“查找和替换”对话框，将步骤（2）中复制的内容粘贴到“查找内容”栏;

（4）在“替换为”栏输入“^c”，其中“^c”格式可通过“查找和替换”对话框中“替换”下“特殊格式”的“制表符”项，并通过将“^t”中的t手动更改为c获取;

（5）单击“查找和替换”对话框中“全部替换”按钮，可实现同一文档、同一数据、单位上下标的批量设置。依次类推，可完成整篇文档所有数据、单位上下标的批量设置。

8 曲线图表的绘制

一般的曲线图都是借助Excel软件的图表工程来完成，而对于专业性强、精度要求高的曲线图，利用Excel软件图表功能绘图存在不足。以曲线函数f（z）=z2+1为例，在确定其值域为z=-3～10时，Mathcad Prime软件可自动完成曲线函数绘制。同理，亦可完成f（x，y）=x2+y2在其值域内的3D网格曲面的绘制。对于利用数据表绘制二维折线图，可利用软件“矩阵/表格”功能下的“插入表格”项，先完成表格数据录入，再在“插入绘图”项调出“XY绘图”，其次选择已自动生成图表，最后在“更改类型”中选取适合的图形轨迹类型即可。

9  结语

通过对以上几种工程行业新近开发的电算化软件使用功能，以及笔者推荐的数据处理方式的简要介绍与展示，能够解决工程领域日常理论计算及数据处理存在的速度、精准度、时效性问题，为个人专业研究、项目管理提供有益帮助，可在工程建设领域推广。

（责任编辑：侯辛锋）

参考文献：

[1]董仁扬.Mathcad Prime2.0基础与应用技巧[M].机械工业出版社，2014（6）.

[2]张丽萍，任灏.基于Mathcad的施工导流水力计算[J].人民珠江，2015（3）：91-93.