計(jì)算機(jī)技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用——評(píng)《水利工程設(shè)計(jì)導(dǎo)論》

伴隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的成熟以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，水利水電工程建設(shè)的新理論、新方法和新材料不斷涌現(xiàn)，為水利水電工程建設(shè)水平的提高奠定了基礎(chǔ)?！端こ淘O(shè)計(jì)導(dǎo)論》一書力求通過對(duì)常見水工建筑物的設(shè)計(jì)思想、設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)過程的闡述，培養(yǎng)讀者綜合運(yùn)用有關(guān)理論和專業(yè)知識(shí)來解決工程設(shè)計(jì)問題的基本技能，以及計(jì)算、繪圖和編寫設(shè)計(jì)文件的能力。該書的第1章介紹了水利水電工程設(shè)計(jì)的一般知識(shí)，后面的章節(jié)分別對(duì)一些典型的水工建筑物，如重力壩、土石壩、拱壩、水閘、渡槽、引水式水電站、水電站機(jī)電設(shè)備等給出了設(shè)計(jì)實(shí)例。在互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，水利水電工程設(shè)計(jì)離不開計(jì)算機(jī)技術(shù)的支持，計(jì)算機(jī)技術(shù)的應(yīng)用能夠?yàn)樗姽こ淘O(shè)計(jì)帶來極大的便捷。

CAD技術(shù)與BIM技術(shù)都是互聯(lián)網(wǎng)信息時(shí)代常見的計(jì)算機(jī)技術(shù)，能夠在水利工程設(shè)計(jì)中普及應(yīng)用。在水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工管理以及運(yùn)營(yíng)管理維護(hù)等階段均可以利用CAD技術(shù)與BIM技術(shù)。在設(shè)計(jì)階段可以利用CAD技術(shù)與BIM技術(shù)進(jìn)行高效便捷設(shè)計(jì)，提升設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率，減少人工設(shè)計(jì)差錯(cuò);在施工階段，CAD技術(shù)與BIM技術(shù)能夠有效提升施工進(jìn)度與施工質(zhì)量;在運(yùn)營(yíng)管理維護(hù)階段，CAD技術(shù)與BIM技術(shù)能夠?yàn)橘|(zhì)量維護(hù)管理提供直觀便捷的管理平臺(tái)。

CAD技術(shù)即利用計(jì)算機(jī)與相關(guān)圖形設(shè)備輔助設(shè)計(jì)人員開展設(shè)計(jì)工作的技術(shù)。在工程設(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)能夠輔助設(shè)計(jì)人員承擔(dān)計(jì)算、信息存儲(chǔ)以及圖像制作等工作。在工程設(shè)計(jì)中需要計(jì)算機(jī)對(duì)各類方案進(jìn)行大量計(jì)算，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，以選擇最合理的方案。在工程設(shè)計(jì)過程中的各類設(shè)計(jì)信息，不論是數(shù)字信息，還是文字信息、圖形信息，都能夠存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，當(dāng)需要使用的時(shí)候，通過關(guān)鍵詞或分類檢索就可以快速查找。CAD技術(shù)主要由交互技術(shù)、圖形變換技術(shù)、曲面造型技術(shù)以及實(shí)體造型技術(shù)組成，憑借自身的交互技術(shù)、圖形變換技術(shù)、曲面造型技術(shù)等在工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。CAD系統(tǒng)類型眾多，有信息檢索型CAD系統(tǒng)、人機(jī)交互型CAD系統(tǒng)、智能型CAD系統(tǒng)等。伴隨著計(jì)算機(jī)軟件的發(fā)展，越來越多的工程設(shè)計(jì)行業(yè)在運(yùn)用CAD技術(shù)，水利工程設(shè)計(jì)就是其中之一。在水利工程設(shè)計(jì)過程中，相對(duì)于人工繪圖的方式.CAD技術(shù)的優(yōu)勢(shì)十分明顯，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：第一，提升工程設(shè)計(jì)前期工作效率?！端こ淘O(shè)計(jì)導(dǎo)論》一書提出，傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)模式下設(shè)計(jì)人員進(jìn)行區(qū)域選擇以及測(cè)量計(jì)算，需要耗費(fèi)大量的施工圖紙以及測(cè)量器材，工作量較大，并且不便捷，在工作過程中還有可能導(dǎo)致精密設(shè)備儀器的損壞。CAD技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，只需要攜帶筆記本電腦以及相關(guān)電子產(chǎn)品就可以完成測(cè)量計(jì)算工作。CAD技術(shù)的應(yīng)用使得水利工程前期設(shè)計(jì)準(zhǔn)備工作變得更加高效、更加便捷。第二，CAD技術(shù)操作便捷，出錯(cuò)率低。工程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行人工繪圖的過程中需要使用不同粗細(xì)、不同顏色的筆以及直尺、三角尺等工具，還要不斷更換使用，如出現(xiàn)問題需要修改，則難度較大，工作過程較為繁雜，個(gè)別情況還需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，修改后的圖紙圖面不整潔。而CAD技術(shù)擁有統(tǒng)一的線型庫與字體庫，使用操作十分便捷，只需要操作計(jì)算機(jī)就可以進(jìn)行繪圖。假如在繪制過程中出現(xiàn)差錯(cuò)，可以使用UNDO功能來進(jìn)行處理，顯著提升了設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)效率，并且設(shè)計(jì)圖面十分整潔。第三，提高設(shè)計(jì)圖紙繪制精確度。水利工程設(shè)計(jì)過程十分復(fù)雜，需要耗費(fèi)大量時(shí)間、精力，并且對(duì)工程設(shè)計(jì)圖紙的要求很高，往往要精確到1 mm，采用CAD技術(shù)能夠有效提升水利工程設(shè)計(jì)圖紙繪制的精度。第四，提升水利工程設(shè)計(jì)速度與效率。水利工程建設(shè)工期緊，這就要求水利工程的前期設(shè)計(jì)工作在短時(shí)間內(nèi)保質(zhì)保量完成。應(yīng)用CAD技術(shù)進(jìn)行水利工程設(shè)計(jì)能夠在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確地完成長(zhǎng)度、周長(zhǎng)與面積的計(jì)算，有效提升工程設(shè)計(jì)運(yùn)算速度，節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，提升水利工程設(shè)計(jì)效率。第五，數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)便捷?！端こ淘O(shè)計(jì)導(dǎo)論》中提到，水利工程設(shè)計(jì)過程中往往需要涉及大量數(shù)據(jù)，各類數(shù)據(jù)信息的存儲(chǔ)將直接關(guān)系著水利工程設(shè)計(jì)的科學(xué)性。假如采用手繪的方式，會(huì)消耗大量紙張，紙質(zhì)檔案的保存占用空間較大，并且查閱難度也較大?；贑AD技術(shù)的數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)能夠進(jìn)行分類保存，并且不會(huì)占用計(jì)算機(jī)中的大量空間。一般來說，可以將水利工程設(shè)計(jì)圖紙圖形等文件保存至計(jì)算機(jī)的硬盤或移動(dòng)設(shè)備中，不僅方便儲(chǔ)存，同時(shí)能節(jié)省大量空間，還便于查找。

CAD技術(shù)可以應(yīng)用在水利工程設(shè)計(jì)的以下幾個(gè)方面：第一，利用CAD技術(shù)進(jìn)行地形、地質(zhì)研究。在水利工程設(shè)計(jì)中地形、地質(zhì)的研究是十分關(guān)鍵的，利用CAD技術(shù)進(jìn)行三維地形設(shè)計(jì)能夠構(gòu)建基于數(shù)字技術(shù)的三維立體圖像，對(duì)大壩、導(dǎo)流洞、引水洞、泄洪洞等結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。這一優(yōu)化設(shè)計(jì)過程能夠?qū)⑺こ讨写髩嗡幍膮^(qū)域展現(xiàn)在計(jì)算機(jī)中，利用CAD技術(shù)能夠精確計(jì)算出不同斷面的面積，并且可以對(duì)山體進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、切剖、開挖等模擬操作，能夠按照勘測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)山體內(nèi)部進(jìn)行地質(zhì)建筑實(shí)體與網(wǎng)格處理，以便在短時(shí)間內(nèi)快速計(jì)算所需土方量、砂石量等。第二，利用CAD技術(shù)進(jìn)行工程設(shè)計(jì)。水利工程設(shè)計(jì)通常都采用骨架設(shè)計(jì)形式，這種設(shè)計(jì)形式應(yīng)用的均是并行設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)與協(xié)同方式，利用CAD技術(shù)進(jìn)行水利工程設(shè)計(jì)能夠更加明確地進(jìn)行概念性設(shè)計(jì)，部分設(shè)計(jì)人員還能夠開展剖面圖的設(shè)計(jì)，使得整個(gè)設(shè)計(jì)理念更加明確。第三，利用CAD技術(shù)精準(zhǔn)計(jì)算工程量?！端こ淘O(shè)計(jì)導(dǎo)論》中提出，在壩體的工程量計(jì)算中，需要精準(zhǔn)計(jì)算不同壩段的橫截面積以及不同位置的坐標(biāo)點(diǎn)，經(jīng)過精準(zhǔn)的計(jì)算才能滿足工程計(jì)量設(shè)計(jì)需求。在對(duì)建筑物與壩址進(jìn)行不同類別建模后，還需要計(jì)算不同材料在水利工程中的用量，以便為水利工程施工過程提供準(zhǔn)確可靠的依據(jù)。如CAD技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中可以用于溢流段壩面曲線的繪制，利用CAD技術(shù)中的繪制線條Spline功能繪制溢流段的壩面曲線，再使用Excel表格對(duì)其進(jìn)行處理，使得溢流段壩面曲線可以完整呈現(xiàn)。其中，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)需要經(jīng)過Excel處理才能夠轉(zhuǎn)換為坐標(biāo);Spline命令需要在CAD軟件中執(zhí)行：將數(shù)據(jù)在Excel表格中進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)化為曲線坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)制，然后將其粘貼于CAD的執(zhí)行命令中，最后點(diǎn)擊回車鍵完成，溢流段壩面曲線圖即可生成。

BIM技術(shù)即建筑信息模型技術(shù)，是基于CAD技術(shù)延伸形成的多維建筑模型信息集成管理技術(shù)，是由傳統(tǒng)工程設(shè)計(jì)向三維數(shù)字立體化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化的創(chuàng)新技術(shù)，能夠推動(dòng)綠色建筑發(fā)展，全面提升產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平、促進(jìn)建筑行業(yè)的信息化轉(zhuǎn)型。將BIM技術(shù)應(yīng)用在水利工程設(shè)計(jì)中，可以發(fā)揮BIM技術(shù)可視化、虛擬化以及進(jìn)度控制等優(yōu)勢(shì)，有效提升水利工程設(shè)計(jì)的水平，降低返工的概率，有效縮短水利工程建設(shè)工期。BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)平臺(tái)的選擇有著密切關(guān)系，水利工程設(shè)計(jì)平臺(tái)選擇要充分考慮軟件的建模能力、數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換、格式兼容、參數(shù)化設(shè)計(jì)等。當(dāng)前尚未出現(xiàn)專門滿足水利工程設(shè)計(jì)需求的三維設(shè)計(jì)軟件，水利工程設(shè)計(jì)主流軟件有Revit、Mi-croStation以及Catia。其中，Catia軟件的曲面建模功能十分強(qiáng)大，能夠用于水利工程設(shè)計(jì)中拱壩等復(fù)雜水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，能夠?qū)Y(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)相配套的ENOVIAVPM軟件可以提供相應(yīng)的協(xié)同數(shù)據(jù)管理，因此Catia成為常用的水利工程三維設(shè)計(jì)平臺(tái)。而MicroStation相關(guān)系列的軟件應(yīng)用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式，多專業(yè)間設(shè)計(jì)成果需要進(jìn)行多次的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化，并且在水利工程廠房設(shè)計(jì)、管線走向安排上具有一定優(yōu)勢(shì)，也在水利工程設(shè)計(jì)中廣泛使用。Revit則是Autodesk公司針對(duì)建筑工程行業(yè)開發(fā)的三維設(shè)計(jì)軟件，能夠提供建筑、結(jié)構(gòu)、暖通、機(jī)電等不同專業(yè)的設(shè)計(jì)模式，可以利用核心文件與工作集同時(shí)實(shí)現(xiàn)多專業(yè)的協(xié)同工作，還能夠?qū)utoCAD、3DS MAX等設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化。相對(duì)于Catia和MicroStation來說，Revit在工程建模方面擁有無可比擬的優(yōu)勢(shì)，成為水利工程設(shè)計(jì)中使用最廣泛的三維設(shè)計(jì)工具。具體來說，利用Revit軟件結(jié)構(gòu)創(chuàng)建功能中的結(jié)構(gòu)板、結(jié)構(gòu)墻等部件，則能夠十分輕松便捷地創(chuàng)建翼墻的底板與墻身;在獲取翼墻相關(guān)工程量信息后，翼墻的體量與形狀則可以通過對(duì)板墻輪廓的編輯來轉(zhuǎn)變;利用墻面輪廓設(shè)計(jì)功能能夠完成斜邊切角的設(shè)計(jì);傾斜的翼墻頂板則可以使用Revit中的“修改子圖元”功能來完成;如果左、右岸翼墻是對(duì)稱的，則可以用中軸線鏡像功能將其復(fù)制到另一邊相應(yīng)位置。

傳統(tǒng)的水利工程設(shè)計(jì)方式注重建筑形體的創(chuàng)建，最終設(shè)計(jì)出來的三維設(shè)計(jì)成果幾乎不涵蓋其他屬性的數(shù)據(jù)，使得模型難以普遍應(yīng)用，局限性較為明顯。應(yīng)用BIM技術(shù)后，水利工程設(shè)計(jì)模型創(chuàng)建的過程中不僅涵蓋了幾何構(gòu)造、尺寸數(shù)據(jù)等相關(guān)信息，同時(shí)所完成的設(shè)計(jì)成果能夠在水利工程設(shè)計(jì)時(shí)期應(yīng)用，還可以使用在水利工程施工與運(yùn)維管理過程中。BIM技術(shù)在水利工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，能夠有效提升設(shè)計(jì)質(zhì)量，提高設(shè)計(jì)效率。應(yīng)用Revit、MicroStation軟件可以對(duì)模型進(jìn)行多次碰撞檢查，產(chǎn)生不同碰撞結(jié)果，對(duì)不同次數(shù)的碰撞結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，從而快速查找工程設(shè)計(jì)中存在的錯(cuò)誤，以便有針對(duì)地進(jìn)行修改。通過BIM技術(shù)修正調(diào)整的水利工程設(shè)計(jì)圖紙可以有效避免錯(cuò)漏問題，BIM技術(shù)還能夠統(tǒng)計(jì)水利工程的工程量;應(yīng)用BIM技術(shù)構(gòu)建的工程信息模型，不僅含有水利工程的幾何形體信息，還包括相關(guān)構(gòu)件的型號(hào)、材料、造價(jià)等.可以十分便捷地生成工程量信息;通過Revit工程量計(jì)算功能，能夠自動(dòng)生成材料統(tǒng)計(jì)表格以及工程總量：利用BIM技術(shù)進(jìn)行的工程量統(tǒng)計(jì)不僅可以作為水利工程設(shè)計(jì)的造價(jià)參考，也可以作為水利工程施工管理的重要借鑒。

（徐里萍：川北幼兒師范高等專科學(xué)校講師）