水利工程仿真设计管理论文

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一.引言：

水利工程仿真模拟设计设计软件采用多专业协同设计软件，在同一数据库平台下，能解决三维地址地形建模（DTM）与地质建模(DGM)、大坝选址、水工设计、土建施工、机电安装等一系列关键问题，在很大程度上提高仿真精度和时间的要求，完成覆盖软件生命周期的全过程，达到减少设计周期、加深设计深度、提高设计质量、控制成本及提高企业革新等目的。

二.理论分析与设计：

(一)目前水利工程仿真模拟设计软件发展状况：

1.自20世纪80年代以来，已经出现了图形级的标准，如PHIGS,GKS;图形交换级的标准，CGI,IGES以及近年来正在不断完善的STEP等。STEP标准覆盖了整个软件生命周期的数据交换标准，对协同设计，并行施工，集成制造等具有重要意义。

2.智能化是又一特点，它首先体现在把设计领域的专家知识和工程技术人员的经验融入到CAD系统中，使之成为可以继承的知识库；其次是其本身的智能化，如人机接口，数据采集，自动精模，方案选优，仿真模拟以及多媒体技术应用等等。

3.集成化是一大发展趋势，一方面CAD技术与CAPP(计算机辅助工艺流程规划)，CAM(计算机辅助制造)以及MIS(管理信息系统)，PDM(产品数据管理)，MRP(制造资源管理)等系统相集成。另一方面随着当前全球化发展，使得人们在internet上构造CAD/CAM集成化成为可能。

4.科学计算可视化，虚拟设计，虚拟制造技术是设计人员进行对产品的时间操作，以及进行各种模拟实验分析，可以及早看见产品外型，从而可以帮助设计多方位地观察与平审设计成果。

（二）水利工程仿真模拟设计软件概念：

就是利用计算机强有力的计算功能与高效的图形处理能力，来直观，智能的辅助过程设计人员进行过程设计与分析的一种技术。它同时实现过程的可视化与智能化。它包括工程设计条件可视化（地质，水文，地形，枢纽布置及施工条件等可视化），设计建模可视化，计算分析过程可视化与成果设计可视化（三维真实感图形显示及空间数据的图表，文挡输出）。

（三）水利工程仿真模拟设计软件目标：

力求把水利工程的设计、管理主要涉及到的水文泥沙、地质、地表（含规划、环保）、水工、施工、机电等专业的设计工作的过程、相互之间的关系和结果通过先进的计算机平台及辅助设备以可视化的形式展现出来，达到虚拟设计/虚拟制造的目的。协同设计的基础是建立一个统一的数据库，包括地质地形的空间数据、水工建筑物（大坝、厂房等）的三维实体数据、施工计划组织的实时数据以及真实条件下的计算机仿真和实时渲染数据等。与以前的技术不同，由于建立在统一的数据库平台之上，任何修改都将及时地反馈给整个工程的相关部门和人员（权限许可），并及时地通过三维图形的方式展现出来。虚拟设计/虚拟制造技术的应用和实时仿真完全不同于以前的动画渲染，它是满足设计详细要求的具体施工计划的真实三维显示。

（四）.水利工程仿真模拟设计软件需要解决的问题：

1.地质、地形勘测

2.环境及水库分析

3.水工建筑物及枢纽设计

4.施工组织设计

5.机电设计

6.工程概预算

7.工程监测

（五）.水利工程仿真模拟设计软件解决方案：

1．在地质勘探方面：可以利用航拍、钻探、"3S"技术（即GISGPSRS）得到的地形数据，直接生成地形的三维模型包括地下三维地质情况的分布，便于直接了解复杂的地质构造情况,方便地进行地形模型的建立,作为坝体、地下厂房、导流洞等建筑物设计的原始依据。

2．在三维地形表述的基础上，建立水利水电工程的全三维模型，包括坝体、导流洞、泄洪洞、地下厂房等建筑以及与此相关联的设备、管线的布置等仿真模型。这些设备与地形数据完全相关，从而构成一个复杂的水利水电系统，真实反映工程建成以后的面貌。

建立的三维模型还能够输出到有限元分析软件中，进行结构强度的预测。三维模型不仅可以与地形模型很好地关联，而且工程模型也还是参数化的，一旦设计有新的更改，只需要修改相应部分的三维模型，与此相关的设备、管线布置以及由三维模型自动投影生成的二维工程图（符合目前图纸标准）都会得到相应的修改，从而保证了设计的唯一性和相关性，快速地完成多个设计方案的对比和选择。

3.工程概预算方面：通过建立大坝真实全三维实体数值仿真模型，能够完全精确模拟大坝形体的各个细节，包括孔口部位、进水口、闸门槽等。水利工程计算机辅助设计能够精确计算各坝段各截面的面积、各点的坐标以及体积，其精度满足大坝混凝土工程量计量要求。将坝体内部各种材料的配合比及使用范围输入到坝体三维数值仿真模型中，从而使精确计量程序不仅能够计算坝体的工程量，而且还能够计算不同材料的用量，并进一步为概预算及施工期业主的材料供应计划提供科学的依据。

4．施工方案动态仿真结果分析及查询通过建立的三维实体数字模型，计算出开挖方量及填筑方量，对工程进行预测和模拟，动态展示山体开挖和大坝浇注的全过程，得出详细的施工强度和施工顺序等重要指标。使工程的项目管理和进度分析达到实时控制与动态管理，以便科学指导工程施工，辅助业主和监理工程师进行有效的决策。

计算机模拟系统模拟混凝土施工过程，不仅可全面、周密地反映各种影响混凝土施工的因素，而且改变施工参数、修改方案比较及敏感性分析均比较容易，可完全弥补传统工程类比法的缺点。采用计算机模拟施工方案成功解决了过去依靠人工手段无法解决的许多难题，能大大提高了设计人员和项目管理人员的效率，取得巨大的技术经济效益。

根据数字化工程施工过程中的一般规律、施工工艺和流程、合同文件、技术规范以及实体特定的结构形式、施工条件的特定要求，利用本模块建立系统分析模型和模拟计算数学模型。设计相应的数据库管理、数据录入及编辑、大坝模拟施工过程计算、图形处理、报表自动生成及分析、查询以及菜单控制等系统,集成在统一界面下完成所有的功能。

（六）.水利工程施工模拟界面设计：

主界面由部分组成，分别是溢洪道土石方开挖、溢洪道土石方开挖进度合计、大坝混凝土浇筑进度、大坝混凝土浇筑进度合计。这四部分从数据库中读取数据并动态的显示出来。包括一些重要的施工数据如：层号、厚度、体积、高程、开挖（浇）时间、结束时间等。点击“显示设置”来设置需要显示或者隐藏的对象，达到最好的视觉效果。这些表既可以用于显示，也可用于查询。

（七）.水利工程仿真模拟设计软件开发环境：

1.软件环境：系统采用Windowsxp/2000/98作为工作平台，开发应用软件有VisualC++6.0,AutoCAD2000以上均可，ArcViewGIS,MSExcel,MSAccess，3dMAX，GIS与GPS的系列软件等等。

2.硬件环境：考虑到系统功能中图形数据处理量大，与三维图形处理分析操作需要，推荐配置：PentiumIV1.4G+512MB内存+真彩色显示卡（3D加速功能）+10G硬盘，或者更高配置为好。

三.实例应用与总结展望：

水利工程仿真模拟设计软件采用专业协同设计软件水利工程计算机辅助设计软件，在同一数据库平台下，能解决三维地址地形建模、大坝选址、水工设计、土建施工、机电安装等一系列关键问题，在很大程度上提高仿真精度和时间的要求，完成覆盖软件生命周期的全过程，达到减少设计周期、加深设计深度、提高设计质量、控制成本及提高企业革新等目的。

用水利工程仿真模拟设计软件建立真实三维地形地貌模型（DTM）及三维地质模型(DGM)并行三维水工设计（大坝模型、强度计算等）建立整个水利水电系统模型（包括坝体、导流洞、泄洪洞、地下厂房等建筑以及与此相关联的设备、管线的布置）工程概预算三维工程施工仿真及工程监控在统一的数据库平台上完成以上功能，涵盖从草图设计到工程完工全过程，满足虚拟设计/虚拟制造的要求。

水利工程仿真模拟设计软件在水电工程设计过程中，从地质--坝工--厂房--枢纽及施工组织设计模拟都能系统准确地反映实际设计中的一般规律和特点。因而，采用本系统进行多专业协同可视化设计与指导施工，使各工种各工序的衔接、资源的分配、材料的供应都是均衡地有节奏地进行,从而使水电工程的勘测、设计与施工管理达到国际一流水平。相信未来的水利建设将是计算机设计的新领域，而不是象传统的水利设计那样耗时耗力耗资耗人。未来的水利规划设计管理完全实现自动化。计算机在水利上的利用有着广阔的发展前境需要我们一代代水利人的共同努力。

以下是三峡水电站设计应用实例：

参考文献：

1.黄健全，罗明高，胡雪涛.实用计算机地质在制图.北京：地质出版社，1998

2.张菊明.三维地质模型的设计与显示.中国数学地质进展，1995，7

3.康凤举.现代仿真技术及其应用.北京：国防工业出版社，2001

4.水利概论河海大学出版社

5.李青元.曹代勇.三维矢量结构GIS拓补关系及其动态建立.测绘学报

6.钟登华刘东海.工程可视化辅助设计理论方法与应用.水利水电出版社,2004.1

7.刘宏增,黄靖.虚拟设计.北京:机械工业出版社.