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(guó)水利學(xué)者曼寧提出的，反映水流與河床的部分關(guān)系以及河床內(nèi)部諸因素間的相互關(guān)系[1]。常用于物理計(jì)算、水利建設(shè)等活動(dòng)中，在地下管網(wǎng)應(yīng)用較少。AutoCAD Civil 3D是一款智能管網(wǎng)三維建模軟件，在管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)能夠?qū)崟r(shí)、動(dòng)態(tài)生成管網(wǎng)模型，管網(wǎng)設(shè)計(jì)工作與道路設(shè)計(jì)工作類似，均有平、縱、橫視圖顯示。軟件自帶有豐富的管網(wǎng)零件和管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，基本上滿足市政管網(wǎng)設(shè)計(jì)研究工作。但在目前使用軟件進(jìn)行管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)通常只考慮管網(wǎng)零件規(guī)則查錯(cuò)和三維碰撞，很少運(yùn)用曼寧公式解決管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和管網(wǎng)查錯(cuò)問題。同時(shí)在管網(wǎng)設(shè)計(jì)中如果直接引用曼寧公式進(jìn)行計(jì)算，需要事先計(jì)算出水力半徑，在軟件操作方面軟件無法自動(dòng)識(shí)別水力半徑，造成已編制完成的流量表達(dá)式，軟件無法選取識(shí)別相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算。所以直接利用曼寧公式進(jìn)行工程管網(wǎng)施工運(yùn)用存在困難，要求在實(shí)際管網(wǎng)工程中對(duì)曼寧公式進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。

2 曼寧公式在地下管網(wǎng)應(yīng)用研究現(xiàn)狀

(1)曼寧公式在地下管網(wǎng)研究現(xiàn)狀

曼寧公式因公式簡(jiǎn)單，應(yīng)用方便，受到廣大技術(shù)人員的普遍歡迎，而且應(yīng)用廣泛[3]。如果在進(jìn)行管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，可以動(dòng)態(tài)顯示每一個(gè)管網(wǎng)零件的流量值，那么動(dòng)態(tài)流量值將對(duì)優(yōu)化管網(wǎng)方案起到巨大作用。然而目前針對(duì)曼寧公式的研究主要放在河道、水庫(kù)、急變流等方面，在管網(wǎng)方面因地下管線變更頻繁，數(shù)量不斷增多，舊管線不斷被替換，地下管網(wǎng)系統(tǒng)永遠(yuǎn)處在一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化之中[4]。造成相關(guān)應(yīng)用比較淺薄。如果讓曼寧公式與管網(wǎng)零件半徑、坡度、動(dòng)態(tài)連接起來，將完全改變傳統(tǒng)的管網(wǎng)設(shè)計(jì)思維。

(2)曼寧公式在地下管網(wǎng)應(yīng)用現(xiàn)狀[5]

目前，曼寧公式在地下管網(wǎng)中主要應(yīng)用于較粗糙的管網(wǎng)或管網(wǎng)水頭損失計(jì)算方面的應(yīng)用，主要原因在于：一方面是市面上關(guān)于管網(wǎng)設(shè)計(jì)軟件無法很好的與曼寧公式進(jìn)行深度擬合，直接造成軟件術(shù)語過于專業(yè)，操作復(fù)雜，軟件應(yīng)用較少。另一方面，大多數(shù)管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)者并沒有把曼寧公式作為管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的革新者，致使傳統(tǒng)管網(wǎng)設(shè)計(jì)思維未得到有效改變[5]。

可知，曼寧公式在地下管網(wǎng)的應(yīng)用尚處在初級(jí)階段，目前的應(yīng)用沒有把曼寧公式與信息化、智能化結(jié)合，也沒有對(duì)曼寧公式在管網(wǎng)設(shè)計(jì)的應(yīng)用做出深入研究。

3 工程概況

該市政管網(wǎng)工程項(xiàng)目位于環(huán)西大道(K0+000～K4+800段)。本次道路設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為4.8km。工程設(shè)計(jì)排水管網(wǎng)作用是污水管網(wǎng)，布置管徑DN300-DN500、坡度盡量接近道路坡度、管網(wǎng)雙側(cè)敷設(shè)在人行道下。管網(wǎng)采用HDPE雙壁波紋管，其強(qiáng)度等級(jí)SN≥8kN·m-12，管網(wǎng)連接采用承插式密封圈連接。

我司成立了專門BIM管網(wǎng)小組，針對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與管網(wǎng)零件查錯(cuò)，以為業(yè)主節(jié)約工程建設(shè)項(xiàng)目施工成本。同時(shí)深入研究曼寧公式在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用，為公司高新課題做出重要的理論數(shù)據(jù)支撐。

4 曼寧公式優(yōu)化

曼寧公式被認(rèn)為是用于計(jì)算管網(wǎng)中異重流的工程默認(rèn)公式，其基本的計(jì)算公式為：

式中:k-為轉(zhuǎn)換系數(shù);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(duì)水流影響的一個(gè)系數(shù);R-是水力半徑，是流體截面積與濕周長(zhǎng)的比值;S-指管網(wǎng)底坡坡度。

在對(duì)流量表達(dá)式進(jìn)行編寫的時(shí)候，在管網(wǎng)優(yōu)化時(shí)，通?？紤]管網(wǎng)直徑與坡度，因?yàn)樵诠こ讨腥菀渍{(diào)整，而水力半徑與官網(wǎng)零件直徑相關(guān)，這里對(duì)水力半徑進(jìn)行優(yōu)化。為方便進(jìn)行計(jì)算，在優(yōu)化管網(wǎng)設(shè)計(jì)時(shí)，統(tǒng)一假設(shè)管網(wǎng)的最大流量為100%[2]，則管網(wǎng)的過水?dāng)嗝婷娣e為管網(wǎng)橫斷面面積，濕周為管網(wǎng)的周長(zhǎng)。

根據(jù)上述說明，進(jìn)一步將曼寧公式簡(jiǎn)化為含有管網(wǎng)半徑、坡度的函數(shù)：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(diǎn)好處：

(1)方便在后期工作中對(duì)管網(wǎng)流量表達(dá)式進(jìn)行自定義的設(shè)置，管網(wǎng)零件半徑有多種表達(dá)方式，不用根據(jù)實(shí)際數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為軟件識(shí)別的表達(dá)式； 計(jì)算準(zhǔn)確，有保證[6]。

(2)根據(jù)管網(wǎng)流量表達(dá)式設(shè)置管網(wǎng)流量標(biāo)簽，在設(shè)計(jì)管網(wǎng)的過程中就可以直接顯示管網(wǎng)流量，無需查詢與計(jì)算。

(3)在管網(wǎng)流量計(jì)算時(shí)，通常以管網(wǎng)全流量進(jìn)行計(jì)算、分析[2]，該簡(jiǎn)化公式也是根據(jù)全流量考慮，減少兩者轉(zhuǎn)化誤差[6]，保證最后結(jié)果的準(zhǔn)確性。

5 管網(wǎng)流量表達(dá)式自定義編寫

在管網(wǎng)標(biāo)簽設(shè)定功能里，可以自定義編寫表達(dá)式，這樣有兩方面的好處，一方面是可以針對(duì)不同的工程類型進(jìn)行不同流量公式的編寫，以滿足實(shí)際工程需求。另外一方面方便在進(jìn)行軟件二次開發(fā)出軟件自身沒有的參數(shù)，只需要把參數(shù)替換即可滿足計(jì)算要求。在輸入公式之前需要對(duì)軟件函數(shù)做一個(gè)比較清晰的認(rèn)識(shí)，在公式編制之前一定要按照軟件合法的數(shù)據(jù)進(jìn)行編制，可以在幫助文檔查找軟件識(shí)別的數(shù)據(jù)或者在編寫表達(dá)式時(shí)直接使用軟件自帶的函數(shù)表達(dá)式。軟件提供了許多管網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，比如管道半徑、方向角、內(nèi)部直徑或?qū)挾鹊鹊?。比如軟件?duì)“坡度”是不識(shí)別的，“管道坡度”才能夠識(shí)別，對(duì)識(shí)別不了的符號(hào)與文字軟件會(huì)進(jìn)行標(biāo)紅處理且無法確定[7]。

根據(jù)上述曼寧公式“k”取國(guó)際單位值1，考慮到現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)為混凝土管網(wǎng)，則“n”值取0.012。表達(dá)式就可以表達(dá)為：Q=(1/0.012)* pi *(R)^2 *(R/2)^(2/3)*(坡度)^(1/2)。表達(dá)式按照格式Q=1*pi*(((起點(diǎn)中心線高程—起點(diǎn)管網(wǎng)內(nèi)底高程)^2)*(1/0.012)*((起點(diǎn)中心線高程—起點(diǎn)管道內(nèi)底高程)/2)^(2/3))*(SQRT(管道坡度))(如圖1)。(起點(diǎn)中心線高程—起點(diǎn)管道內(nèi)底高程)表示管網(wǎng)的半徑R，SQRT表示返回正數(shù)的平方根[2]。

圖1 流量表達(dá)式創(chuàng)建

6 創(chuàng)建流量標(biāo)簽樣式

表達(dá)式創(chuàng)建完成之后，在標(biāo)簽樣式集(如圖2)創(chuàng)建具體相關(guān)標(biāo)簽即可，標(biāo)簽是軟件對(duì)不同模型的不同表現(xiàn)形式，主要作用在于同一個(gè)模型有不同的標(biāo)注方式，以適應(yīng)各個(gè)地方標(biāo)注的差異。比如在進(jìn)行道路設(shè)計(jì)時(shí)，國(guó)內(nèi)工程制圖均是采用ZY、QZ、YZ點(diǎn)對(duì)路線進(jìn)行標(biāo)注，如果采用軟件默認(rèn)標(biāo)簽，將不會(huì)和國(guó)內(nèi)工程制圖一致。需要顯示什么數(shù)據(jù)，就在文本文本部件編輯器輸入相關(guān)數(shù)據(jù)(如圖3)，標(biāo)簽樣式生成器右邊將會(huì)生成預(yù)覽模式，以便及時(shí)查看標(biāo)注樣式。一旦在管網(wǎng)零件特性設(shè)置此標(biāo)簽，則管網(wǎng)平面圖將會(huì)顯示此標(biāo)簽樣式。這里有兩點(diǎn)需要注意，一點(diǎn)是如果在想要在縱斷面視圖顯示標(biāo)簽，需要先生成管網(wǎng)零件縱斷面視圖。一點(diǎn)是有些數(shù)據(jù)是沒有表達(dá)式，需要?jiǎng)?chuàng)建，比如之前并沒有創(chuàng)建流量表達(dá)式—?jiǎng)停瑒t在文本編輯器特性里面是無法找到流量表達(dá)式—?jiǎng)?。因之前已?jīng)設(shè)置好流量表達(dá)式，找準(zhǔn)對(duì)應(yīng)流量表達(dá)式名稱，添加進(jìn)去即可(如圖3)，創(chuàng)建的好的標(biāo)簽數(shù)據(jù)，注記到已創(chuàng)建好的管網(wǎng)三維模型(如圖4)，就可以非常清楚地觀察管網(wǎng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，根據(jù)實(shí)際工程的不同，顯示的數(shù)據(jù)也不同。

表1 應(yīng)用過程、結(jié)果對(duì)比分析

圖2 標(biāo)簽樣式生成器

圖3 流量標(biāo)簽設(shè)置

圖4 管網(wǎng)流量顯示(部分平面顯示)

7 工程實(shí)例分析

針對(duì)環(huán)西大道市政管網(wǎng)項(xiàng)目，由管網(wǎng)設(shè)計(jì)圖紙創(chuàng)建管網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)三維模型，把優(yōu)化后的曼寧公式運(yùn)用到管網(wǎng)標(biāo)簽上，注記到已創(chuàng)建好的三維模型上，就可以查看每一個(gè)管網(wǎng)零件的流量值。流量值與管網(wǎng)零件的坡度、半徑相關(guān)，當(dāng)固定一個(gè)變量，就可以得出另一變量的最優(yōu)值。在管網(wǎng)零件方面運(yùn)用流量表達(dá)式可以模擬在當(dāng)?shù)亟涤陾l件管網(wǎng)零件的流量數(shù)值[8]； 同時(shí)總結(jié)各方面理論資料，得出優(yōu)化曼寧公式前后的應(yīng)用過程、結(jié)果對(duì)比分析情況(如表1)。

8 總結(jié)

通過某工程地下管網(wǎng)實(shí)例，在管網(wǎng)零件查錯(cuò)和管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方面應(yīng)用曼寧公式，發(fā)現(xiàn)在管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，操作方便、專業(yè)性低，通過標(biāo)簽來顯示管網(wǎng)流量后，非常簡(jiǎn)單直觀地觀察管網(wǎng)流量來與其他設(shè)計(jì)方法所展示的管網(wǎng)流量做不同的對(duì)比，得到管網(wǎng)零件半徑、坡度的最優(yōu)值。不僅僅是節(jié)約了工作時(shí)間，而且進(jìn)一步解放人的思維[9]。在管網(wǎng)零件查錯(cuò)方面，曼寧公式也能很好地彌補(bǔ)管網(wǎng)零件規(guī)則檢查、三維碰撞的缺點(diǎn)，幾乎完全杜絕因圖紙錯(cuò)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(shè)計(jì)中的應(yīng)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(wǎng)水頭損失計(jì)算中適用性的討論[J].山東建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)， 1998(01)： 104-107.

[4] 萬晶晶. 住宅園區(qū)地下管網(wǎng)BIM技術(shù)應(yīng)用研究[D].武漢理工大學(xué)， 2015.

[5] 程海根， 沈長(zhǎng)江.BIM技術(shù)在橋梁工程中的應(yīng)用研究綜述[J].土木建筑工程信息技術(shù)， 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(yīng)用曼寧公式進(jìn)行明渠水力計(jì)算的誤差分析[J].黑龍江水專學(xué)報(bào), 2007，(3)： 34-35.

[8] 林宗信.曼寧公式計(jì)算流量的誤差分析[C].//福建省第十二屆水利水電青年學(xué)術(shù)交流會(huì)論文集.福建省莆田水文水資源勘測(cè)分局， 2008， 92-99.

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