水利工程施工計(jì)算與數(shù)據(jù)處理方法研究

解海軍

摘要：隨著建筑工程技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)分析與計(jì)算在施工項(xiàng)目技術(shù)的論證應(yīng)用也更加廣泛。傳統(tǒng)的手工計(jì)算與數(shù)據(jù)分析不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且精準(zhǔn)度、時(shí)效性難以滿足現(xiàn)代工程快速化、高質(zhì)量、嚴(yán)安全的要求。如何在繼承原有理論計(jì)算及數(shù)據(jù)處理的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，借助先進(jìn)的數(shù)據(jù)計(jì)算與處理平臺(tái)完成相關(guān)工作，并實(shí)現(xiàn)快速、精確、詳實(shí)的輸出結(jié)果，也是工程技術(shù)人員亟待解決的問(wèn)題。本文引入Mathcad Prime和AxMath進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，借助Excel進(jìn)行數(shù)據(jù)圖表繪制及CAD坐標(biāo)展點(diǎn)，借助隧道施工軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分析等，能夠有效地解決上述問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：Mathcad Prime和AxMath數(shù)據(jù)計(jì)算;Excel數(shù)據(jù)圖表繪制;CAD坐標(biāo)展點(diǎn);隧道施工軟件數(shù)據(jù)分析

中圖分類號(hào)： TV52 ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 ?概況

目前，大多數(shù)建筑企業(yè)在進(jìn)行項(xiàng)目施工方案論證過(guò)程中，仍舊沿用傳統(tǒng)的手工理論計(jì)算方式，電算化程度不高，對(duì)于工程計(jì)算與數(shù)據(jù)處理的速度、精準(zhǔn)度、時(shí)效性，特別是對(duì)于混凝土出機(jī)口溫控計(jì)算、水力截流計(jì)算，強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制圖表，坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD展點(diǎn)，隧道不同圍巖級(jí)別開(kāi)挖進(jìn)尺統(tǒng)計(jì)，數(shù)據(jù)單位批量上下標(biāo)設(shè)置，難以滿足現(xiàn)代快速化施工的需求。針對(duì)這種問(wèn)題，筆者經(jīng)過(guò)對(duì)建筑行業(yè)內(nèi)幾款優(yōu)秀的理論計(jì)算軟件的比選，結(jié)合自身工程實(shí)踐，利用Mathcad Prime、AxMath進(jìn)行工程計(jì)算，利用Excel完成Project軟件提取的主要強(qiáng)度指標(biāo)數(shù)據(jù)繪制圖表，利用Excel完成圖紙坐標(biāo)在CAD中批量展點(diǎn)，利用隧道施工計(jì)算軟件完成不同圍巖等級(jí)、不同開(kāi)挖進(jìn)尺條件下，整條洞室工期的分析，利用Excel完成大量坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)數(shù)據(jù)連線及編號(hào)，利用Word查找和替換功能完成數(shù)據(jù)或單位批量上下標(biāo)設(shè)置，顯著地提高工效和精準(zhǔn)度，出色地完成日常工程計(jì)算與數(shù)據(jù)處理工作。

2 ?Mathcad Prime和AxMath數(shù)據(jù)計(jì)算

2.1 ?Mathcad Prime

Mathcad[1]是美國(guó)PTC公司旗下的一款工程計(jì)算軟件，作為工程計(jì)算的全球標(biāo)準(zhǔn)，與專有的計(jì)算工具和電子表格不同，Mathcad允許工程師利用詳盡的應(yīng)用數(shù)學(xué)函數(shù)和動(dòng)態(tài)、可感知單位的計(jì)算來(lái)同時(shí)設(shè)計(jì)和記錄工程計(jì)算。Mathcad Prime是在Mathcad基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)的針對(duì)全球工程師行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算工具。Mathcad Prime通過(guò)將計(jì)算、圖表、文本和圖像結(jié)合在一個(gè)文檔中，支持知識(shí)擷取和發(fā)布，而這些都有助于大型項(xiàng)目的管理。

在國(guó)內(nèi)外水電工程中施工中，經(jīng)常會(huì)涉及到水工建筑物混凝土溫度控制問(wèn)題，針對(duì)混凝土溫控問(wèn)題均需要計(jì)算混凝土出機(jī)口溫度，相關(guān)專業(yè)書(shū)籍給出的混凝土出機(jī)口溫度計(jì)算公式如下：

上式中參數(shù)變量多，分項(xiàng)式多，如果采用傳統(tǒng)的手工計(jì)算，將耗費(fèi)大量的時(shí)間和精力，稍不留神，容易出現(xiàn)計(jì)算錯(cuò)誤。經(jīng)過(guò)對(duì)現(xiàn)有計(jì)算手段分析、比較，采用Mathcad Prime軟件，在參數(shù)已知情況下，通過(guò)定義參數(shù)變量，軟件可自動(dòng)、快速、準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。其計(jì)算主要過(guò)程如下（計(jì)算簡(jiǎn)圖見(jiàn)圖1）：

（1）在不考慮混凝土拌和產(chǎn)生的機(jī)械熱時(shí)，分別給定Cs、Cg、Cc、Cw，qs、qg，Ts、Tg、Tc、Tw，Ws、Wg、Wc、Ww參數(shù)取值;

（2）在Mathcad Prime軟件中，將步驟（1）中參數(shù)變量進(jìn)行定義;

（3）按照軟件輸入規(guī)則完成溫控計(jì)算公式書(shū)寫;

（4）進(jìn)行公式運(yùn)算，軟件自動(dòng)完成公式求解。

對(duì)于水利工程中涉及導(dǎo)截流施工的相關(guān)理論計(jì)算也可借助Mathcad Prime軟件完成。例如截流水力學(xué)計(jì)算[2]中的龍口泄流量計(jì)算： ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（淹沒(méi)流形態(tài)），在給定不同時(shí)段龍口上游水深H、龍口平均水面寬度B（σ淹沒(méi)系數(shù)、m收縮流量系數(shù)均可根據(jù)不同過(guò)水?dāng)嗝嫘问健⒘鲬B(tài)查相關(guān)參數(shù)表獲?。?，可分別計(jì)算不同時(shí)段龍口下泄流量，最終完成截流水力學(xué)計(jì)算成果表，為截流施工選取龍口寬度、截流材料用量、截流施工機(jī)械配置等提供理論依據(jù)。

特別是在束窄河床水力計(jì)算中，對(duì)于顯式函數(shù)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）進(jìn)行計(jì)算，需進(jìn)行計(jì)算列表并經(jīng)過(guò)2～3次迭代運(yùn)算，方可求得最終結(jié)果，而借助Mathcad Prime軟件，將上述公式按照一元三次方程進(jìn)行求解，可直接得到結(jié)果（需剔除假值）。

Mathcad Prime軟件主要適用于復(fù)雜公式計(jì)算以及高等數(shù)學(xué)理論計(jì)算，尤其在求解方程、方程組，矩陣及函數(shù)，微積分及曲線圖繪制方面優(yōu)勢(shì)明顯。

2.2 ?AxMath

Axmath軟件是一款最新的國(guó)產(chǎn)化公式的編輯與排版、科學(xué)計(jì)算軟件，與其同期推出的還有AxGlyph（主要用于函數(shù)圖形及計(jì)算簡(jiǎn)圖繪制）。AxMath軟件與之前的MathType軟件相比較，具有性價(jià)比高，界面更人性化、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。AxMath屬于OLE（用來(lái)在WORD等容器中插入公式或圖片對(duì)象）軟件，包含latex語(yǔ)法編輯公式。AxMath的公式輸入方法包括面板輸入、LaTex語(yǔ)法輸入和面板、LaTex語(yǔ)法混合輸入三種方式。極大地滿足各專業(yè)人員在Word、WPS等環(huán)境下公式編排、理論計(jì)算的需求。

3 ?Project資源分配數(shù)據(jù)提取與利用

Project軟件作為一款項(xiàng)目管理工具軟件，學(xué)習(xí)及操作簡(jiǎn)單，功能齊全，深受廣大工程行業(yè)人員喜愛(ài)。但是使用該軟件的人員經(jīng)常會(huì)為提取進(jìn)度計(jì)劃中各主要項(xiàng)目的分配數(shù)據(jù)而煩勞，尤其是在該軟件“資源圖表”模塊下生成的各主要項(xiàng)目資源柱狀圖效果不盡如人意。

經(jīng)過(guò)多次工程實(shí)踐摸索，可借助Excel軟件的圖表繪制功能并利用提取的Project資源分配數(shù)據(jù)完成數(shù)據(jù)柱狀圖或曲線圖繪制。

（1）資源分配數(shù)據(jù)提?。簩roject軟件切換至資源使用狀況界面，先根據(jù)需要利用“時(shí)間刻度”對(duì)話框完成時(shí)間刻度年、季度、月的格式設(shè)置，再利用鼠標(biāo)左鍵拖動(dòng)選擇需要提取的數(shù)據(jù)，最后利用“Ctrl+C”組合鍵進(jìn)行選中數(shù)據(jù)復(fù)制（Project軟件中不能使用直接復(fù)制功能）。

（2）數(shù)據(jù)放置及處理：新建Excel空白文檔，將Project軟件提取的數(shù)據(jù)粘貼到文檔中，并對(duì)數(shù)據(jù)分類名稱、數(shù)據(jù)顯示小數(shù)位數(shù)、數(shù)據(jù)時(shí)間段進(jìn)行完善。由于從Project軟件中提取的數(shù)據(jù)為水平排列，如果想將其調(diào)整為垂直方式排列，相應(yīng)操作為：①?gòu)?fù)制需要轉(zhuǎn)向的數(shù)據(jù);②粘貼前鼠標(biāo)右鍵選“選擇性粘貼”項(xiàng)，③在空白單元格處單擊，在打開(kāi)的選擇性粘貼對(duì)話框中勾選“轉(zhuǎn)置”項(xiàng)，單擊確定按鈕即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)行列轉(zhuǎn)置。利用Excel的轉(zhuǎn)置功能，亦可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)系列數(shù)據(jù)表格的縱橫向轉(zhuǎn)置。

（3）數(shù)據(jù)圖表繪制：對(duì)于經(jīng)常使用的圖表，應(yīng)預(yù)先完成圖表樣式設(shè)置，使用時(shí)僅需要替換圖表中相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)，就可自動(dòng)生成圖表。借助步驟（2）處理后的數(shù)據(jù)，將其錄入到Excel預(yù)設(shè)圖表中，即可自行生成圖表。

（4）插入圖表：在Word中選中“保留源格式和嵌入工作簿”格式粘貼，可在Word中對(duì)圖表格式進(jìn)行調(diào)整。

4 ?地下洞室掘進(jìn)數(shù)據(jù)分析

在地下洞室開(kāi)挖進(jìn)度安排上，工程技術(shù)人員往往需要根據(jù)揭示有圍巖類別的洞室設(shè)計(jì)縱斷面圖，并結(jié)合圍巖分類、開(kāi)挖方式、施工規(guī)范要求及本單位施工能力等因素，通過(guò)將圍巖等級(jí)、開(kāi)挖長(zhǎng)度、每循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺、每循環(huán)消耗工時(shí)等項(xiàng)目匯總、列表，采用手工或借助Excel進(jìn)行分析計(jì)算。其工程量大，工作效率及準(zhǔn)確度不高，而且難以對(duì)不同圍巖類別開(kāi)挖進(jìn)尺強(qiáng)度進(jìn)行橫向比較。經(jīng)過(guò)多次實(shí)踐運(yùn)用比較，借助一款隧洞施工計(jì)算軟件中的“工期計(jì)算”模塊工程，在完成設(shè)計(jì)圖紙中不同等級(jí)圍巖長(zhǎng)度初步統(tǒng)計(jì)后，先在軟件中調(diào)取適用于本工程的Ⅱ～Ⅴ類圍巖，其次根據(jù)本單位施工能力逐一完成各類圍巖長(zhǎng)度、每循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺、每循環(huán)耗時(shí)數(shù)據(jù)輸入，再通過(guò)點(diǎn)擊軟件計(jì)算按鈕，可自動(dòng)計(jì)算各類圍巖開(kāi)挖進(jìn)尺總用時(shí)及整個(gè)洞室開(kāi)挖進(jìn)尺總工期。

根據(jù)以往類似洞室施工經(jīng)驗(yàn)，初期開(kāi)挖支護(hù)應(yīng)考慮洞室進(jìn)出口洞臉施工用時(shí)、洞室可能出現(xiàn)不良地質(zhì)條件處理用時(shí)，在軟件計(jì)算的洞內(nèi)正常開(kāi)挖進(jìn)尺總用時(shí)基礎(chǔ)上，適當(dāng)考慮洞臉施工及地質(zhì)不良洞段處理施工用時(shí)，最終可獲得整條洞室開(kāi)挖支護(hù)施工總工期。

5 圖紙坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD坐標(biāo)數(shù)據(jù)

日常工作中，經(jīng)常需要將設(shè)計(jì)圖紙中的坐標(biāo)添加到CAD中，以便在CAD進(jìn)行地塊面積查詢，建筑物結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等工作。如何實(shí)現(xiàn)多個(gè)坐標(biāo)數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入CAD展點(diǎn)，筆者經(jīng)過(guò)查詢相關(guān)資料并多次應(yīng)用比較，利用Excel完成CAD坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可順利實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)批量導(dǎo)入CAD展點(diǎn)（數(shù)據(jù)處理結(jié)果如圖2）。

操作步驟如下：

（1）將設(shè)計(jì)圖紙中坐標(biāo)數(shù)據(jù)按照表格中X、Y、H列項(xiàng)對(duì)應(yīng)輸入（表格在建立時(shí)已將原圖紙中X、Y數(shù)據(jù)進(jìn)行位置調(diào)整）。

（2）在“CAD展點(diǎn)連線（二維平面）”列項(xiàng)第一單元格中帶源格式輸入（=C3&"，"&B3&""），其中C3、B3分別為點(diǎn)號(hào)D001的Y、X數(shù)值，點(diǎn)擊單元格在右下角智能十字光標(biāo)出現(xiàn)后自上而下拖動(dòng)，即可完成二維平面環(huán)境下圖紙坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD坐標(biāo)數(shù)據(jù)?！癈AD展點(diǎn)連線（三維立面）”列項(xiàng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，可在其列項(xiàng)第一個(gè)單元格中帶源格式輸入（=C3&"，"&B3&"，"&D3），其中C3、B3、D3分別為點(diǎn)號(hào)D001的Y、X、H數(shù)值，其余步驟與二維平面操作相同，可完成三維立面圖紙坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為CAD坐標(biāo)數(shù)據(jù)。

（3）在CAD界面中，如僅進(jìn)行二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入展點(diǎn)，采用PL二維多段線命令操作，先將“CAD展點(diǎn)連線（二維平面）”列轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)全部復(fù)制，根據(jù)CAD命令行提示，再將其全部數(shù)據(jù)粘貼在CAD命令行，可完成坐標(biāo)數(shù)據(jù)連線。如僅需要畫(huà)坐標(biāo)點(diǎn)，可在CAD中執(zhí)行Piont命令的多點(diǎn)命令（繪圖→點(diǎn)→多點(diǎn)）即可。為便于查看數(shù)據(jù)坐標(biāo)點(diǎn)位，可執(zhí)行格式→點(diǎn)樣式操作，對(duì)點(diǎn)的樣式進(jìn)行設(shè)置。

（4）在CAD界面中，對(duì)于三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入，采用3DPL三維多段線命令;如需畫(huà)三維坐標(biāo)點(diǎn)，可在CAD中執(zhí)行Piont命令的多點(diǎn)命令，其余操作與二維坐標(biāo)數(shù)據(jù)導(dǎo)入相同。

6 原始地形轉(zhuǎn)三維實(shí)體

在利用ZDM水工輔助設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行原始地形轉(zhuǎn)三維實(shí)體操作前，應(yīng)對(duì)CAD版本的原始地形圖進(jìn)行必要的處理，以適應(yīng)軟件的使用要求，方可進(jìn)行軟件操作。操作步驟如下：

（1）在CAD安裝ZDM軟件后，打開(kāi)一張CAD原始地形圖，執(zhí)行土建→地形圖處理→刪除地形圖重線、重點(diǎn)合并圖層操作，按照命令行提示依次完成操作，可完成地形圖重線、重點(diǎn)及合并圖層處理。在選擇高程點(diǎn)、等高線時(shí)，應(yīng)將框定區(qū)域的多段線也選中，否則，生成實(shí)體時(shí)無(wú)法選擇作為邊界的多段線。

（2）執(zhí)行土建→實(shí)體法開(kāi)挖計(jì)算→生成實(shí)體地面操作，根據(jù)命令行提示完成操作，可生成地貌結(jié)構(gòu)實(shí)體。

（3）執(zhí)行土建→實(shí)體法開(kāi)挖計(jì)算→三維三角面轉(zhuǎn)實(shí)體操作，可三維實(shí)體。

（4）通過(guò)三維合并命令，最終形成完整三維實(shí)體結(jié)構(gòu)。

7 批量設(shè)置數(shù)據(jù)、單位上下標(biāo)

在寫工程專業(yè)論文或編制施工方案過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)遇到多個(gè)數(shù)據(jù)、單位的上下標(biāo)情況，對(duì)于同一單位、數(shù)據(jù)在同一文檔中多次出現(xiàn)情況，如利用手工依次設(shè)置，則費(fèi)時(shí)費(fèi)力，并且在文檔格式后續(xù)調(diào)整過(guò)程中，已設(shè)置的數(shù)據(jù)、單位上下標(biāo)又會(huì)被取消。經(jīng)過(guò)筆者多次摸索，通過(guò)利用Word中“查找和替換”功能可批量、快速設(shè)置數(shù)據(jù)、單位上下標(biāo)，避免不必要的干擾，效果良好。具體操作步驟如下：

（1）在Word中選擇某一數(shù)據(jù)或單位，先通過(guò)手動(dòng)方式完成其上下標(biāo)設(shè)置;

（2）全選設(shè)定好的數(shù)據(jù)或單位并復(fù)制;

（3）在Word“開(kāi)始”模塊中，單擊“替換”按鈕，打開(kāi)“查找和替換”對(duì)話框，將步驟（2）中復(fù)制的內(nèi)容粘貼到“查找內(nèi)容”欄;

（4）在“替換為”欄輸入“^c”，其中“^c”格式可通過(guò)“查找和替換”對(duì)話框中“替換”下“特殊格式”的“制表符”項(xiàng)，并通過(guò)將“^t”中的t手動(dòng)更改為c獲取;

（5）單擊“查找和替換”對(duì)話框中“全部替換”按鈕，可實(shí)現(xiàn)同一文檔、同一數(shù)據(jù)、單位上下標(biāo)的批量設(shè)置。依次類推，可完成整篇文檔所有數(shù)據(jù)、單位上下標(biāo)的批量設(shè)置。

8 曲線圖表的繪制

一般的曲線圖都是借助Excel軟件的圖表工程來(lái)完成，而對(duì)于專業(yè)性強(qiáng)、精度要求高的曲線圖，利用Excel軟件圖表功能繪圖存在不足。以曲線函數(shù)f（z）=z2+1為例，在確定其值域?yàn)閦=-3～10時(shí)，Mathcad Prime軟件可自動(dòng)完成曲線函數(shù)繪制。同理，亦可完成f（x，y）=x2+y2在其值域內(nèi)的3D網(wǎng)格曲面的繪制。對(duì)于利用數(shù)據(jù)表繪制二維折線圖，可利用軟件“矩陣/表格”功能下的“插入表格”項(xiàng)，先完成表格數(shù)據(jù)錄入，再在“插入繪圖”項(xiàng)調(diào)出“XY繪圖”，其次選擇已自動(dòng)生成圖表，最后在“更改類型”中選取適合的圖形軌跡類型即可。

9 ?結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上幾種工程行業(yè)新近開(kāi)發(fā)的電算化軟件使用功能，以及筆者推薦的數(shù)據(jù)處理方式的簡(jiǎn)要介紹與展示，能夠解決工程領(lǐng)域日常理論計(jì)算及數(shù)據(jù)處理存在的速度、精準(zhǔn)度、時(shí)效性問(wèn)題，為個(gè)人專業(yè)研究、項(xiàng)目管理提供有益幫助，可在工程建設(shè)領(lǐng)域推廣。

（責(zé)任編輯：侯辛鋒）

參考文獻(xiàn)：

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[2]張麗萍，任灝.基于Mathcad的施工導(dǎo)流水力計(jì)算[J].人民珠江，2015（3）：91-93.