計(jì)算機(jī)輔助軟件在長(zhǎng)距離輸水管線埋地鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

李 密，呂 鋒，曾祥磊，田均兵

(貴州省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550000)

近年來(lái)，水資源已成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的關(guān)鍵因素，季節(jié)性缺水和嚴(yán)重的水質(zhì)性缺水已嚴(yán)重困擾著區(qū)域性可持續(xù)發(fā)展。水資源配置中的供水水源工程，是構(gòu)建區(qū)域多水源聯(lián)合調(diào)度系統(tǒng)的關(guān)鍵工程，可充分利用當(dāng)?shù)厮Y源、蓄水容積資源，有效地提高供水保證率，改善水質(zhì)，保障特殊干旱年的需水要求，促進(jìn)水環(huán)境的治理與改善。

在供水工程中，供水安全性和供水水質(zhì)的保證是考慮輸水方式的首要條件。管道輸水的優(yōu)點(diǎn)是供水保證率高、損失水量少、施工方便、運(yùn)行維護(hù)方便、防污染性強(qiáng)，雖然埋地管道輸水在造價(jià)上較高，但其具備供水可靠、水質(zhì)不易受污染、水量損失少的優(yōu)點(diǎn)，目前供水工程中大多采用埋地管道輸水。

長(zhǎng)距離輸水管道一般長(zhǎng)達(dá)數(shù)十公里甚至上百公里，管道敷設(shè)過(guò)程中往往受地形和障礙物的影響，沿管道敷設(shè)方向不可避免地出現(xiàn)水平、豎面及空間轉(zhuǎn)折。當(dāng)有壓水流流經(jīng)管道轉(zhuǎn)折處時(shí)，便對(duì)管壁產(chǎn)生一個(gè)外推力，若管道轉(zhuǎn)折處的接頭不能承受該外推力，就會(huì)發(fā)生漏水事故。為此，需在管道敷設(shè)方向改變處設(shè)置鎮(zhèn)墩，通過(guò)鎮(zhèn)墩自重維持管道的穩(wěn)定。工程技術(shù)人員針對(duì)輸水管道埋地鎮(zhèn)墩的設(shè)計(jì)做了大量的研究，如劉立軍[1]針對(duì)泵站壓力管道中某一鎮(zhèn)墩進(jìn)行穩(wěn)定性分析。高琰喬[2]針對(duì)供水工程中某一空間彎管鎮(zhèn)墩進(jìn)行分析，確定其合理尺寸。邰純潔[3]考慮溫度變化及伸縮節(jié)影響分析鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定性。劉倩[4]、魏燕[5]通過(guò)EXCELL宏文件分析鎮(zhèn)墩滿(mǎn)足規(guī)范要求的體型尺寸。郭明道[6]分析看土壓力對(duì)鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性的影響。雷蕾[7]基于C#語(yǔ)言編寫(xiě)了鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性計(jì)算的程序，力求解決鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)化計(jì)算的問(wèn)題。林佳明[8]等基于VB語(yǔ)言編寫(xiě)了鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性計(jì)算的循環(huán)搜索法。李逸之[9]基于VB語(yǔ)言開(kāi)發(fā)了集穩(wěn)定計(jì)算、出圖、計(jì)算書(shū)輸出為一體的鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)程序。嚴(yán)文祥[10]針對(duì)空間彎管分析其空間轉(zhuǎn)角及鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性的計(jì)算。胡連超[11]等針對(duì)水平彎管鎮(zhèn)墩進(jìn)行穩(wěn)定性分析。周云[12]等針對(duì)豎直向下彎管鎮(zhèn)墩進(jìn)行穩(wěn)定性分析。遺憾的是，這些研究均是局限在單一鎮(zhèn)墩的分析上，而長(zhǎng)距離輸水管線涉及到鎮(zhèn)墩數(shù)量龐大。本文結(jié)合多年使用經(jīng)驗(yàn)，介紹ZDM、ZDM新浪潮、MicroStation、Restation軟件在長(zhǎng)距離輸水管線埋地鎮(zhèn)墩設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以此提高設(shè)計(jì)效率減輕廣大設(shè)計(jì)人員的工作量，為類(lèi)似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 ZDM生成線路幾何特征

1.1 平面設(shè)計(jì)

輸水線路的平面設(shè)計(jì)需在數(shù)字化帶狀地形圖上進(jìn)行，在CAD中布置輸水線路的走向時(shí)，須使用ZDM軟件chgc命令對(duì)數(shù)字化帶狀地形圖進(jìn)行處理。平面設(shè)計(jì)按如下步驟：

1)調(diào)用bzzh命令標(biāo)注線路彎折點(diǎn)樁號(hào)

2)調(diào)用p_bg命令設(shè)置線路中心線高程

在這里只需設(shè)置一個(gè)水平的高程，待切出縱剖面后，再在縱剖面中調(diào)整線路的豎向變化。

1.2 縱剖面設(shè)計(jì)

1.2.1 地形切縱剖面

在用ZDM軟件處理過(guò)的地形圖上，調(diào)用getz命令在輸水線路上每隔10米獲得地面線高程，再使用地形剖面dxpm命令切縱剖面，切出地形線和線路中心線。

1.2.2 修改線路縱剖面

供水管道通常采用埋地敷設(shè)，可將地形線向下拷貝埋深距離加管道半徑作為線路中心線，由于地形線存在很多折點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致豎向彎頭過(guò)多。可以使用多段線編輯命令ppedit進(jìn)行消點(diǎn)。

由于新繪制的線路縱剖面不具備線路的屬性，可使用ZDM軟件的cr命令給新繪制的線路賦予線路屬性。選擇要修改屬性的新繪制的線路縱剖面，再選擇s選項(xiàng)格式刷，再選擇源物體(剖切生成的水平線)，程序提示是否將擴(kuò)展數(shù)據(jù)賦給實(shí)體，用y應(yīng)答后程序自動(dòng)將數(shù)據(jù)賦給新繪制的縱剖面線路，該命令格式化刷選項(xiàng)，不僅具有Autocad的格式刷功能，還能復(fù)制其他實(shí)體的擴(kuò)展數(shù)據(jù)。

使用uppm命令，選擇修改的縱剖面線路，程序?qū)葱薷暮蟮木€路自動(dòng)更新平面中心線的高程，此時(shí)會(huì)在平面中心線上增加豎向彎折點(diǎn)。由于平面線路特征點(diǎn)改變，須使用bzzh命令重新標(biāo)注樁號(hào)，此時(shí)會(huì)增加豎向彎折點(diǎn)的樁號(hào)。

用bzzh命令再次標(biāo)注樁號(hào)，我們可以看見(jiàn)平面中心線上增加了豎向彎折的樁號(hào)。

表1 線路幾何特征

1.3 生成線路幾何特征表、轉(zhuǎn)角表

用zhzb命令生成線路特征表，并標(biāo)注線路節(jié)點(diǎn)編號(hào)。節(jié)點(diǎn)編號(hào)后綴P表示水平彎折點(diǎn)，S表示豎向彎折點(diǎn)，K表示空間彎折點(diǎn)。

生成的幾何線路特征表具有編號(hào)、樁號(hào)、編號(hào)坐標(biāo)、空間圓心角(轉(zhuǎn)彎角)，可以描述線路的幾何走向，施工階段可根據(jù)該表施工放線，線路幾何特征見(jiàn)表1。

2 ZDM新浪潮計(jì)算鎮(zhèn)墩穩(wěn)定

為進(jìn)行鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定計(jì)算確定各鎮(zhèn)墩的幾何尺寸，需要知道線路彎折點(diǎn)的平面轉(zhuǎn)角和豎向轉(zhuǎn)角。可通過(guò)線路幾何特征表，調(diào)用ZDM軟件中pipejd命令生成線路彎折點(diǎn)平面轉(zhuǎn)角和豎向轉(zhuǎn)角表，并輸出數(shù)據(jù)文件到ZDM新浪潮計(jì)算軟件分析各鎮(zhèn)墩的穩(wěn)定性，確定各鎮(zhèn)墩幾何尺寸。輸水線路彎折點(diǎn)轉(zhuǎn)角見(jiàn)表2。

啟動(dòng)ZDM新浪潮軟件，選擇輸水管鎮(zhèn)墩計(jì)算，調(diào)入輸出的線路轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)文件即可計(jì)算鎮(zhèn)墩穩(wěn)定性。ZDM新浪潮軟件界面見(jiàn)圖1。

圖1 ZDM新浪潮軟件界面

3 MicroStation建立鎮(zhèn)墩三維模型

MicroStation是集二維繪圖，三維建模和工程可視化于一體的BIM應(yīng)用軟件。將ZDM新浪潮擬定的鎮(zhèn)墩尺寸導(dǎo)入Excel，通過(guò)VBA編程，由外部Eecell表格中尺寸參數(shù)驅(qū)動(dòng)MicroStation快速建立鎮(zhèn)墩三維模型。不同類(lèi)型鎮(zhèn)墩三維模型見(jiàn)圖2。

表2 線路彎折點(diǎn)轉(zhuǎn)角表

基于MicroStation強(qiáng)大的數(shù)據(jù)架構(gòu)，通過(guò)定義PART樣式和Component工程量，精確統(tǒng)計(jì)鎮(zhèn)墩的混凝土量，見(jiàn)表3。

表3 鎮(zhèn)墩混凝土工程量

4 ReStation生成鎮(zhèn)墩溫度筋

ReStation是一套參數(shù)化的三維配筋設(shè)計(jì)系統(tǒng)。其主要包括數(shù)據(jù)管理、特種異形體配筋、大體積砼配筋、顯示管理、編號(hào)報(bào)表、抽圖標(biāo)注等模塊[13-14]。將MicroStation中批量創(chuàng)建的鎮(zhèn)墩三維模型導(dǎo)入ReStation中配表面溫度鋼筋。鎮(zhèn)墩的主要配筋流程大致如下：

(1)對(duì)模型進(jìn)行配筋設(shè)置、創(chuàng)建配筋參數(shù)模板；

(2)創(chuàng)建、修改配筋體；

(3)基于面配筋功能創(chuàng)建三維鋼筋；

(4)檢查、核對(duì)鋼筋是否錯(cuò)漏并修改；

(5)通過(guò)鋼筋歸組，自動(dòng)生成鋼筋編號(hào)報(bào)表；

(6)抽取二維鋼筋并修改鋼筋標(biāo)注；

(7)核對(duì)鋼筋圖、鋼筋剖面。

以垂直向下彎折鎮(zhèn)墩為例，基于ReStation的鎮(zhèn)墩表面溫度鋼筋創(chuàng)建成果見(jiàn)圖3。

圖2 不同類(lèi)型鎮(zhèn)墩三維模型

ReStation友好的操作界面、完備的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)、快速的三維配筋和修改，加上自動(dòng)更新等功能，可以幫助設(shè)計(jì)人員擺脫繁重的鋼筋圖繪制工作，極大地提高混凝土配筋的設(shè)計(jì)效率。以一個(gè)30 km的輸水線路為例，鎮(zhèn)墩數(shù)量180個(gè)，基于ZDM的鋼筋圖繪制到完成校審至少需要10天，而使用 ReStation三維配筋只需2～3 d即可完成鋼筋圖的繪制和校審工作。

5 結(jié)語(yǔ)

供水工程屬于帶狀線路工程，輸水線路長(zhǎng)達(dá)幾十甚至幾百公里，受內(nèi)、外部因素的影響，線路方案的穩(wěn)定性較差。雖然輸水線路上的鎮(zhèn)墩結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)單，但是數(shù)量龐大且種類(lèi)繁多。采用常規(guī)設(shè)計(jì)方法對(duì)每一個(gè)鎮(zhèn)墩進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，往往是重復(fù)性工作量大，設(shè)計(jì)成本高，設(shè)計(jì)效率低。若直接套用鎮(zhèn)墩?qǐng)D集，從安全角度考慮往往選取較大的鎮(zhèn)墩參數(shù)和鎮(zhèn)墩尺寸，這就使得工程量偏大，投資增加，且受地形條件限制有些鎮(zhèn)墩較難實(shí)施。鑒于此，本文結(jié)合多年使用經(jīng)驗(yàn)，介紹如何運(yùn)用ZDM進(jìn)行輸水線路的設(shè)計(jì)并輸出線路轉(zhuǎn)角特征表；如何運(yùn)用ZDM新浪潮進(jìn)行鎮(zhèn)墩穩(wěn)定計(jì)算并確定各鎮(zhèn)墩合理尺寸；如何通過(guò)MicroStation建立鎮(zhèn)墩三維模型并統(tǒng)計(jì)工程量；如何運(yùn)用Restation創(chuàng)建鎮(zhèn)墩表面溫度鋼筋。該方法可快速實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離輸水線路埋地鎮(zhèn)墩的批量設(shè)計(jì)，可顯著地提高設(shè)計(jì)效率、提高設(shè)計(jì)成果的準(zhǔn)確性、節(jié)約設(shè)計(jì)成本，對(duì)類(lèi)似工程設(shè)計(jì)具有一定的借鑒意義。

圖3 垂下向下彎折鎮(zhèn)墩三維配筋成果