计算机辅助软件在长距离输水管线埋地镇墩设计中的应用

李 密，吕 锋，曾祥磊，田均兵

(贵州省水利水电勘测设计研究院有限公司，贵州 贵阳 550000)

近年来，水资源已成为制约经济社会发展的关键因素，季节性缺水和严重的水质性缺水已严重困扰着区域性可持续发展。水资源配置中的供水水源工程，是构建区域多水源联合调度系统的关键工程，可充分利用当地水资源、蓄水容积资源，有效地提高供水保证率，改善水质，保障特殊干旱年的需水要求，促进水环境的治理与改善。

在供水工程中，供水安全性和供水水质的保证是考虑输水方式的首要条件。管道输水的优点是供水保证率高、损失水量少、施工方便、运行维护方便、防污染性强，虽然埋地管道输水在造价上较高，但其具备供水可靠、水质不易受污染、水量损失少的优点，目前供水工程中大多采用埋地管道输水。

长距离输水管道一般长达数十公里甚至上百公里，管道敷设过程中往往受地形和障碍物的影响，沿管道敷设方向不可避免地出现水平、竖面及空间转折。当有压水流流经管道转折处时，便对管壁产生一个外推力，若管道转折处的接头不能承受该外推力，就会发生漏水事故。为此，需在管道敷设方向改变处设置镇墩，通过镇墩自重维持管道的稳定。工程技术人员针对输水管道埋地镇墩的设计做了大量的研究，如刘立军[1]针对泵站压力管道中某一镇墩进行稳定性分析。高琰乔[2]针对供水工程中某一空间弯管镇墩进行分析，确定其合理尺寸。邰纯洁[3]考虑温度变化及伸缩节影响分析镇墩的稳定性。刘倩[4]、魏燕[5]通过EXCELL宏文件分析镇墩满足规范要求的体型尺寸。郭明道[6]分析看土压力对镇墩稳定性的影响。雷蕾[7]基于C#语言编写了镇墩稳定性计算的程序，力求解决镇墩稳定性标准化计算的问题。林佳明[8]等基于VB语言编写了镇墩稳定性计算的循环搜索法。李逸之[9]基于VB语言开发了集稳定计算、出图、计算书输出为一体的镇墩设计程序。严文祥[10]针对空间弯管分析其空间转角及镇墩稳定性的计算。胡连超[11]等针对水平弯管镇墩进行稳定性分析。周云[12]等针对竖直向下弯管镇墩进行稳定性分析。遗憾的是，这些研究均是局限在单一镇墩的分析上，而长距离输水管线涉及到镇墩数量庞大。本文结合多年使用经验，介绍ZDM、ZDM新浪潮、MicroStation、Restation软件在长距离输水管线埋地镇墩设计中的应用，以此提高设计效率减轻广大设计人员的工作量，为类似工程的设计提供参考。

1 ZDM生成线路几何特征

1.1 平面设计

输水线路的平面设计需在数字化带状地形图上进行，在CAD中布置输水线路的走向时，须使用ZDM软件chgc命令对数字化带状地形图进行处理。平面设计按如下步骤：

1)调用bzzh命令标注线路弯折点桩号

2)调用p_bg命令设置线路中心线高程

在这里只需设置一个水平的高程，待切出纵剖面后，再在纵剖面中调整线路的竖向变化。

1.2 纵剖面设计

1.2.1 地形切纵剖面

在用ZDM软件处理过的地形图上，调用getz命令在输水线路上每隔10米获得地面线高程，再使用地形剖面dxpm命令切纵剖面，切出地形线和线路中心线。

1.2.2 修改线路纵剖面

供水管道通常采用埋地敷设，可将地形线向下拷贝埋深距离加管道半径作为线路中心线，由于地形线存在很多折点，会导致竖向弯头过多。可以使用多段线编辑命令ppedit进行消点。

由于新绘制的线路纵剖面不具备线路的属性，可使用ZDM软件的cr命令给新绘制的线路赋予线路属性。选择要修改属性的新绘制的线路纵剖面，再选择s选项格式刷，再选择源物体(剖切生成的水平线)，程序提示是否将扩展数据赋给实体，用y应答后程序自动将数据赋给新绘制的纵剖面线路，该命令格式化刷选项，不仅具有Autocad的格式刷功能，还能复制其他实体的扩展数据。

使用uppm命令，选择修改的纵剖面线路，程序将按修改后的线路自动更新平面中心线的高程，此时会在平面中心线上增加竖向弯折点。由于平面线路特征点改变，须使用bzzh命令重新标注桩号，此时会增加竖向弯折点的桩号。

用bzzh命令再次标注桩号，我们可以看见平面中心线上增加了竖向弯折的桩号。

表1 线路几何特征

1.3 生成线路几何特征表、转角表

用zhzb命令生成线路特征表，并标注线路节点编号。节点编号后缀P表示水平弯折点，S表示竖向弯折点，K表示空间弯折点。

生成的几何线路特征表具有编号、桩号、编号坐标、空间圆心角(转弯角)，可以描述线路的几何走向，施工阶段可根据该表施工放线，线路几何特征见表1。

2 ZDM新浪潮计算镇墩稳定

为进行镇墩的稳定计算确定各镇墩的几何尺寸，需要知道线路弯折点的平面转角和竖向转角。可通过线路几何特征表，调用ZDM软件中pipejd命令生成线路弯折点平面转角和竖向转角表，并输出数据文件到ZDM新浪潮计算软件分析各镇墩的稳定性，确定各镇墩几何尺寸。输水线路弯折点转角见表2。

启动ZDM新浪潮软件，选择输水管镇墩计算，调入输出的线路转角数据文件即可计算镇墩稳定性。ZDM新浪潮软件界面见图1。

图1 ZDM新浪潮软件界面

3 MicroStation建立镇墩三维模型

MicroStation是集二维绘图，三维建模和工程可视化于一体的BIM应用软件。将ZDM新浪潮拟定的镇墩尺寸导入Excel，通过VBA编程，由外部Eecell表格中尺寸参数驱动MicroStation快速建立镇墩三维模型。不同类型镇墩三维模型见图2。

表2 线路弯折点转角表

基于MicroStation强大的数据架构，通过定义PART样式和Component工程量，精确统计镇墩的混凝土量，见表3。

表3 镇墩混凝土工程量

4 ReStation生成镇墩温度筋

ReStation是一套参数化的三维配筋设计系统。其主要包括数据管理、特种异形体配筋、大体积砼配筋、显示管理、编号报表、抽图标注等模块[13-14]。将MicroStation中批量创建的镇墩三维模型导入ReStation中配表面温度钢筋。镇墩的主要配筋流程大致如下：

(1)对模型进行配筋设置、创建配筋参数模板；

(2)创建、修改配筋体；

(3)基于面配筋功能创建三维钢筋；

(4)检查、核对钢筋是否错漏并修改；

(5)通过钢筋归组，自动生成钢筋编号报表；

(6)抽取二维钢筋并修改钢筋标注；

(7)核对钢筋图、钢筋剖面。

以垂直向下弯折镇墩为例，基于ReStation的镇墩表面温度钢筋创建成果见图3。

图2 不同类型镇墩三维模型

ReStation友好的操作界面、完备的中国标准、快速的三维配筋和修改，加上自动更新等功能，可以帮助设计人员摆脱繁重的钢筋图绘制工作，极大地提高混凝土配筋的设计效率。以一个30 km的输水线路为例，镇墩数量180个，基于ZDM的钢筋图绘制到完成校审至少需要10天，而使用 ReStation三维配筋只需2～3 d即可完成钢筋图的绘制和校审工作。

5 结语

供水工程属于带状线路工程，输水线路长达几十甚至几百公里，受内、外部因素的影响，线路方案的稳定性较差。虽然输水线路上的镇墩结构形式简单，但是数量庞大且种类繁多。采用常规设计方法对每一个镇墩进行详细设计，往往是重复性工作量大，设计成本高，设计效率低。若直接套用镇墩图集，从安全角度考虑往往选取较大的镇墩参数和镇墩尺寸，这就使得工程量偏大，投资增加，且受地形条件限制有些镇墩较难实施。鉴于此，本文结合多年使用经验，介绍如何运用ZDM进行输水线路的设计并输出线路转角特征表；如何运用ZDM新浪潮进行镇墩稳定计算并确定各镇墩合理尺寸；如何通过MicroStation建立镇墩三维模型并统计工程量；如何运用Restation创建镇墩表面温度钢筋。该方法可快速实现长距离输水线路埋地镇墩的批量设计，可显著地提高设计效率、提高设计成果的准确性、节约设计成本，对类似工程设计具有一定的借鉴意义。

图3 垂下向下弯折镇墩三维配筋成果