探討AutoCAD Civil 3D在管網設計中曼寧公式的應用研究

建軍

(中建四局第五建筑工程有限公司，貴陽 550003)

1 引言

曼寧公式是1889年由美國水利學者曼寧提出的，反映水流與河床的部分關系以及河床內部諸因素間的相互關系[1]。常用于物理計算、水利建設等活動中，在地下管網應用較少。AutoCAD Civil 3D是一款智能管網三維建模軟件，在管網設計時能夠實時、動態(tài)生成管網模型，管網設計工作與道路設計工作類似，均有平、縱、橫視圖顯示。軟件自帶有豐富的管網零件和管網結構，基本上滿足市政管網設計研究工作。但在目前使用軟件進行管網優(yōu)化設計時通常只考慮管網零件規(guī)則查錯和三維碰撞，很少運用曼寧公式解決管網優(yōu)化設計和管網查錯問題。同時在管網設計中如果直接引用曼寧公式進行計算，需要事先計算出水力半徑，在軟件操作方面軟件無法自動識別水力半徑，造成已編制完成的流量表達式，軟件無法選取識別相應的數據進行計算。所以直接利用曼寧公式進行工程管網施工運用存在困難，要求在實際管網工程中對曼寧公式進行進一步優(yōu)化。

2 曼寧公式在地下管網應用研究現狀

(1)曼寧公式在地下管網研究現狀

曼寧公式因公式簡單，應用方便，受到廣大技術人員的普遍歡迎，而且應用廣泛[3]。如果在進行管網設計時，可以動態(tài)顯示每一個管網零件的流量值，那么動態(tài)流量值將對優(yōu)化管網方案起到巨大作用。然而目前針對曼寧公式的研究主要放在河道、水庫、急變流等方面，在管網方面因地下管線變更頻繁，數量不斷增多，舊管線不斷被替換，地下管網系統永遠處在一個動態(tài)的變化之中[4]。造成相關應用比較淺薄。如果讓曼寧公式與管網零件半徑、坡度、動態(tài)連接起來，將完全改變傳統的管網設計思維。

(2)曼寧公式在地下管網應用現狀[5]

目前，曼寧公式在地下管網中主要應用于較粗糙的管網或管網水頭損失計算方面的應用，主要原因在于：一方面是市面上關于管網設計軟件無法很好的與曼寧公式進行深度擬合，直接造成軟件術語過于專業(yè)，操作復雜，軟件應用較少。另一方面，大多數管網網絡設計者并沒有把曼寧公式作為管網網絡設計的革新者，致使傳統管網設計思維未得到有效改變[5]。

可知，曼寧公式在地下管網的應用尚處在初級階段，目前的應用沒有把曼寧公式與信息化、智能化結合，也沒有對曼寧公式在管網設計的應用做出深入研究。

3 工程概況

該市政管網工程項目位于環(huán)西大道(K0+000～K4+800段)。本次道路設計長度為4.8km。工程設計排水管網作用是污水管網，布置管徑DN300-DN500、坡度盡量接近道路坡度、管網雙側敷設在人行道下。管網采用HDPE雙壁波紋管，其強度等級SN≥8kN·m-12，管網連接采用承插式密封圈連接。

我司成立了專門BIM管網小組，針對管網進行優(yōu)化設計與管網零件查錯，以為業(yè)主節(jié)約工程建設項目施工成本。同時深入研究曼寧公式在管網優(yōu)化設計的應用，為公司高新課題做出重要的理論數據支撐。

4 曼寧公式優(yōu)化

曼寧公式被認為是用于計算管網中異重流的工程默認公式，其基本的計算公式為：

式中:k-為轉換系數;F-流水橫斷面面積;n-是糙率，是綜合反映管渠壁面粗糙情況對水流影響的一個系數;R-是水力半徑，是流體截面積與濕周長的比值;S-指管網底坡坡度。

在對流量表達式進行編寫的時候，在管網優(yōu)化時，通?？紤]管網直徑與坡度，因為在工程中容易調整，而水力半徑與官網零件直徑相關，這里對水力半徑進行優(yōu)化。為方便進行計算，在優(yōu)化管網設計時，統一假設管網的最大流量為100%[2]，則管網的過水斷面面積為管網橫斷面面積，濕周為管網的周長。

根據上述說明，進一步將曼寧公式簡化為含有管網半徑、坡度的函數：Q=(k/n)* pi *(R)^2 *(R/2)^(2/3)*(坡度)^(1/ 2)pi是π。這樣做有以下三點好處：

(1)方便在后期工作中對管網流量表達式進行自定義的設置，管網零件半徑有多種表達方式，不用根據實際數據轉化為軟件識別的表達式； 計算準確，有保證[6]。

(2)根據管網流量表達式設置管網流量標簽，在設計管網的過程中就可以直接顯示管網流量，無需查詢與計算。

(3)在管網流量計算時，通常以管網全流量進行計算、分析[2]，該簡化公式也是根據全流量考慮，減少兩者轉化誤差[6]，保證最后結果的準確性。

5 管網流量表達式自定義編寫

在管網標簽設定功能里，可以自定義編寫表達式，這樣有兩方面的好處，一方面是可以針對不同的工程類型進行不同流量公式的編寫，以滿足實際工程需求。另外一方面方便在進行軟件二次開發(fā)出軟件自身沒有的參數，只需要把參數替換即可滿足計算要求。在輸入公式之前需要對軟件函數做一個比較清晰的認識，在公式編制之前一定要按照軟件合法的數據進行編制，可以在幫助文檔查找軟件識別的數據或者在編寫表達式時直接使用軟件自帶的函數表達式。軟件提供了許多管網基礎數據，比如管道半徑、方向角、內部直徑或寬度等等。比如軟件對“坡度”是不識別的，“管道坡度”才能夠識別，對識別不了的符號與文字軟件會進行標紅處理且無法確定[7]。

根據上述曼寧公式“k”取國際單位值1，考慮到現場管網為混凝土管網，則“n”值取0.012。表達式就可以表達為：Q=(1/0.012)* pi *(R)^2 *(R/2)^(2/3)*(坡度)^(1/2)。表達式按照格式Q=1*pi*(((起點中心線高程—起點管網內底高程)^2)*(1/0.012)*((起點中心線高程—起點管道內底高程)/2)^(2/3))*(SQRT(管道坡度))(如圖1)。(起點中心線高程—起點管道內底高程)表示管網的半徑R，SQRT表示返回正數的平方根[2]。

圖1 流量表達式創(chuàng)建

6 創(chuàng)建流量標簽樣式

表達式創(chuàng)建完成之后，在標簽樣式集(如圖2)創(chuàng)建具體相關標簽即可，標簽是軟件對不同模型的不同表現形式，主要作用在于同一個模型有不同的標注方式，以適應各個地方標注的差異。比如在進行道路設計時，國內工程制圖均是采用ZY、QZ、YZ點對路線進行標注，如果采用軟件默認標簽，將不會和國內工程制圖一致。需要顯示什么數據，就在文本文本部件編輯器輸入相關數據(如圖3)，標簽樣式生成器右邊將會生成預覽模式，以便及時查看標注樣式。一旦在管網零件特性設置此標簽，則管網平面圖將會顯示此標簽樣式。這里有兩點需要注意，一點是如果在想要在縱斷面視圖顯示標簽，需要先生成管網零件縱斷面視圖。一點是有些數據是沒有表達式，需要創(chuàng)建，比如之前并沒有創(chuàng)建流量表達式—劉幫，則在文本編輯器特性里面是無法找到流量表達式—劉幫。因之前已經設置好流量表達式，找準對應流量表達式名稱，添加進去即可(如圖3)，創(chuàng)建的好的標簽數據，注記到已創(chuàng)建好的管網三維模型(如圖4)，就可以非常清楚地觀察管網的基礎數據，根據實際工程的不同，顯示的數據也不同。

表1 應用過程、結果對比分析

圖2 標簽樣式生成器

圖3 流量標簽設置

圖4 管網流量顯示(部分平面顯示)

7 工程實例分析

針對環(huán)西大道市政管網項目，由管網設計圖紙創(chuàng)建管網網絡三維模型，把優(yōu)化后的曼寧公式運用到管網標簽上，注記到已創(chuàng)建好的三維模型上，就可以查看每一個管網零件的流量值。流量值與管網零件的坡度、半徑相關，當固定一個變量，就可以得出另一變量的最優(yōu)值。在管網零件方面運用流量表達式可以模擬在當地降雨條件管網零件的流量數值[8]； 同時總結各方面理論資料，得出優(yōu)化曼寧公式前后的應用過程、結果對比分析情況(如表1)。

8 總結

通過某工程地下管網實例，在管網零件查錯和管網優(yōu)化設計方面應用曼寧公式，發(fā)現在管網優(yōu)化設計時，操作方便、專業(yè)性低，通過標簽來顯示管網流量后，非常簡單直觀地觀察管網流量來與其他設計方法所展示的管網流量做不同的對比，得到管網零件半徑、坡度的最優(yōu)值。不僅僅是節(jié)約了工作時間，而且進一步解放人的思維[9]。在管網零件查錯方面，曼寧公式也能很好地彌補管網零件規(guī)則檢查、三維碰撞的缺點，幾乎完全杜絕因圖紙錯誤而引起的工程返工。

[1] 王文英， 李百克，鄒文安.曼寧公式在工程水文設計中的應用[J].東北水利水電, 2010，(5)： 13-15.

[2] Civil 3D幫助文檔.

[3] 董淑芳， 何同溪.曼寧公式在管網水頭損失計算中適用性的討論[J].山東建筑工程學院學報， 1998(01)： 104-107.

[4] 萬晶晶. 住宅園區(qū)地下管網BIM技術應用研究[D].武漢理工大學， 2015.

[5] 程海根， 沈長江.BIM技術在橋梁工程中的應用研究綜述[J].土木建筑工程信息技術， 2017, 9(05): 103-109.

[6] 賈界峰， 趙井衛(wèi)，陳客賢.曼寧公式及其誤差分析[J].山西建筑, 2010，(7)： 313-314.

[7] 曹新輝， 席桂平，孫秀杰.應用曼寧公式進行明渠水力計算的誤差分析[J].黑龍江水專學報, 2007，(3)： 34-35.

[8] 林宗信.曼寧公式計算流量的誤差分析[C].//福建省第十二屆水利水電青年學術交流會論文集.福建省莆田水文水資源勘測分局， 2008， 92-99.

[9] 李鋒， 王家儀.曼寧公式在寬淺型河流中的應用[J].黑龍江水專學報， 1996(02)： 19-22.