市政排水计算机辅助多方案设计04613.doc

《全排列数组矩阵法排水工程多方案设计》
长春市市政工程设计研究院 郭高
[提要] 在排水工程设计中一般使用专业软件或电子表格来进行水利计算。由于这些软件只能按简单固定的格式进行计算，不能根据实际控制条件自行求解优化多种设计方案，方便地处理工程中出现的复杂的情况。本文提出全新的多参数、全排列数组矩阵解法，可以求解可能存在并且可行的所有方案。
本文对市政排水工程计算机辅助设计进行了分析讨论，针对水力计算、纵断图设计、工程量计算中存在的问题及设计难点提出了多参数控制及多方案设计模型并列举了相应的解决办法和技巧。
关键词：市政排水、多方案设计，多参数控制、程序设计
关键词：市政排水、多参数控制、矩阵求解多方案
引言
在排水工程设计中一般使用专业软件或电子表格来计算。由于这些软件只能按简单固定的格式进行计算，不能根据实际控制条件自行求解优化多种设计方案，方便地处理工程中出现的复杂的情况，使其适用性更好专业性更强。排水软件按设计步骤可分为水利计算、纵断绘图和工程量计算三个部分。
一、水力计算模块的设置
该模块的功能是在简明的菜单中输入必要的控制参数，并以适当的方计算，最后优选出最佳纵断设计方案。
l、菜单
水力计算模块的予模块，一般以菜单条的形式出现，其顺序按各子模块的工作顺序排列。当子模块数量较多时，应将模块按性质分类纳入二级子模块中。菜单如果条目众多纷乱繁杂，会让操作者茫然不知所措，即使软件功能再强大，其使用效果也会大打折扣。
为便于操作，对已经完成的作业(工序)打上标记“√”进行跟踪。对下一步操作给予提示，是提高可操作性的作法之一。
由于实际需要，有些输入项目即多又杂。为了简化菜单提高界面质量，应将诸参数进行归类，提取公因项，最后以多项选择框出现。如在管线特性项目中有8个子项：
①雨水
②污水
③圆图断面
④矩形断面
⑤正排(水从小桩号流到大桩号)
⑥反排
⑦长X宽（汇水面积以长X宽的形式表示）
⑧公顷(汇水面积)。
这8项可按流体属性，流水断面、排水方向、汇水面积进行组合，能构成16种不同的形式。归类后采用二进制编码技术，用4项0/1选择即可实现用简单控制代替多项目菜单条。
见图表(一)
流质属性
流水断面
排水方向
汇水区面积
雨水/污水
圆形/矩形
→/←
长*宽/公顷

2、控制参数
在水力汁算过程中，只有提供充足的控制项目供选用，才能满足实际工程中出现的各种复杂情况的需要。就控制参数属性而言，可以分三类：
①与设计管线本身有关的参数。如：流质类别中的雨水、污水、
流水断面、充满度。
②与汇水区有关的参数。如：汇水区间、重现期、径流系数、污水定额、人口密度。
③既设管。在市区地下既设管线纵横交错，首先要调查这些管线的位置、高程和类别，之后才能进行纵断设计拉坡)。既设管分为两种：一是既设接入管一一与设计管线有连通关系，水体由既设管流入新设管，或由新设管流入既设管。其控制参数有接入点桩号，管径、高程、流量。二是既设交叉管一一在平面图上与新设管线有交叉关系的管线。包括煤气，给水、排水、热力、电信、电力等。通常只要高程允许，排水管线应尽量避免与该类管线相干涉，或上跨或下穿。在两管交叉处其最小垂直净距应符合规范规定。因此既设交叉管的有关参数是重要的控制参数。它包括接入点桩号，管径，类别、高程，最小净距(上、下)，尽管全面详尽地掌握地下既设管线的情况，有时会很困难，但是它会减少甚至避免由于地下管线情况不清，导致施工中发生碰管情况而不得不进行的设计变更或推翻原设计。
3、水力计算方法
在水力汁算中，管长计算法(或叫流量比较法)是最基本的方法之一。以管长计算法为基础可以发展出全值汁算法和多方案计算法。
①管长计算法
从纵断图上看，起点为固定值——巳知桩号及高程。终点为自由端——经计算后才能确定桩号及高程。具体方法是根据管径、坡度及充满度计算出流量值Q计，然后给出一管长试算值L，并计算出实际流量Q实，如Q实
Ⅱ当起、终点距离较长，是几个管坡段之和时，需反复试算多次才能使沿途各点及终点参数值满足要求。
Ⅲ因为管长值可以通过改变坡度输入值的方法加以调整，容易满足井距要求，所以管材利用率高，又因输入的坡度值是整数或有效位数不多的小数，因此有利于施工。
Ⅳ对中间控制点控制能力弱。
②全值计算法
从纵断图上看，起、终点均为固定值(己知桩号、高程)求沿途各管段的管径、管长及坡度。在计算方法上是管长计算法的发展。其管径值依标准管口尺寸自小向大逐渐递增。初始坡度ｉ由起、终点高差与距离差之比确定ｉ=ΔH/ΔL。第一次试算结束后，将终点处的计算高程 H计与终点控制高程(输入值)H终相比较，如两值之差大于允许偏差δH，则改变坡度值，变动方向由符号函数确定，经再次试算和比较，当两值之差满足偏差要求时计算完毕。其结构见图
特点：
I、自动化程度高，但结构较复杂，约束条件多，调试及计算时间较长。
Ⅱ、当起终点距离较长时，管线由几段管相连接组成，可能出现管长值不合理（过短、或不是整井距）及坡度值过于碎小的情况，因此只适用于规划及可研阶段，而不便于在施工图设计阶段使用。
Ⅲ、对中间控制点控制能力强。可以将中间控制点依次做为终点输入。但是，当中间控制点较多时，会出现多种方案，这时调坡时间长，工效低。
③多方案计算
以全值计算法为基础，利用计算机速度快，数据处理能力强的特点对诸方案进行全排列求解这种方法自动化程度高，对人的(经验)依赖程度小。该计算方法的步骤是
a、 输入各控制点的桩号、高程、管类及允许变动方式等参数。例：起终点及中间控制点的变动方式表。

控制点类型
变动方式
变动带码
意义
起点、终点
原值
1
最初给定的高程
上升
2
设计高大于原值、数值由坡度定
下降
3
设计高小于原值、数值由坡度定
中间控制点
放弃
0
取消该点
原值
1
已知即设管底高
上升
2
设计管线上跨，高程由净距定
下降
3
设计管线下穿，高程由净距定
b、求方案总数
将起终点及中间各控制点组成列，用m表示，以各变动方式组成行，用n表示。方案个数由P=P全+∑P缺。确定，其中P全是全位方案个数P全={Cn}m;P缺是缺位方案个数P缺={Cn}m-1;则方案总数为P=(m-2/∑/I=1)[C 1]m+I-2，方案总数P,列数m，行数n决定了数组空间大小、
方案编码位数及方案求解过程中的循环层数。例如：在一条有三个中间控制点的纵断里，方案编码的位数m=3+1。
方案类型
变式
变式
变式
变式
变式
编码
全位式
A（1，1）
A（1，2）
A（1，3）
A（1，4）
A（1，5）
1，1，1，1，1
全位式
A（2，1）
A（2，2）
A（1，3）
A（2，4）
A（3，5）

2，2，1，2，3
缺位式
A（2，1）
A（3，2）
A（O，3）
A（1，4）
A（1，5）
2，3，O，1，1

c、求解各方案
方案总数确定之后，编写各方案编码。然后依次提取方案碥码并根据编码由左向右逐段计算管径，坡度及管长。除原变动代码n1以外， n 2、n 3代码值(高程)经计算后才能确定。其中，中间控制点的n2，n3、位置代码值由对应的垂直净距确定。起点的n2、n3代码值与m2、m3列的n行位置有关。有3种计算方式，
两点法——由方案编码形式计算，流速u及流量Q符合规范。
延长线法——由m2，m3列上的n点连线向ml列延长得到
射线法——以m2列上n点做原点，向ml方向作射线，并使该射线的坡度值逐渐增加，，i=i+Δi，当流速，管径均满足要求时，在ml上的点即为n点代码值。终点处n2，n3代码值的求法与起点类似，不再赘述。
在诸多方案中，由于方案编码的任意性，并非所有方案都成立。只有那些流速、流量、坡度(方向)等要素均符合规范时，才被确认为成立或称为可行方案。
d、方案优选
成立的方案未必都是好方案，因此要进行优选，选优的过程是按照优选的条件进行对比分析的过程。这些条件按性质有如下分类。
Ⅰ、经济性；管径小、埋深浅、拆迁费少等。总工程造价较低。
Ⅱ、施工性；管径级别少，有利于管沟开挖或辅设。
Ⅲ、使用性，有利于日后的管道维护。
Ⅳ、相关性；施工过程中不干涉交叉道路上的正常交通，有利于路基的稳定，不影响其它公用设施的使用与维护，对分期设计施工的工程，要有利于后期工作的进行。在实际工程中，可能以上几种情况都会出现，而优选条件又不只一个，各条件的重要性也不尽相同。因此，面对如此复杂的情况把确切的数值计算交给计算机，而将模糊的逻辑判断留给人则是能够调动两个积极性，发挥个自优势的可行办法。结构框图见 。

特点：
I、自动化程度高，自行求解多种方案。
Ⅱ、结构复杂，计算时间长，对软硬件要求高。
Ⅲ、为模糊设计奠定了基础。
二、纵断图设计及绘制
水力计算的结果是纵断设计的依据，而纵断图则是工程量计算、结构设计及施工的重要依据。因此，不但要合理地设置控制变量，而且在功能上还要能满足表现各种纵断图的特点及绘图方式的需要，以适应工程中可能出现的复杂情况。
l、纵断图的主要控制参数
I、测量地面高
通常纵断设计线在测量中线桩号范围内。但是由于排水工程自身的特点及测量手段的局限性，可能发生有负桩号和相邻两桩号距离过大的情况，程序应能按施工要求给予填补。
Ⅱ、并盖控制高及竖曲线井盖控制高是由道路变坡点、竖曲线及道路中线与井位的横断高差决定的。因此井盖高应是该道路上路中设计线的函数。
Ⅲ、管线特性参数
在绘制纵断图的过程中会发现，有些参数的变化影响着纵断图形要素的变化。它们是流体类别(雨水、污水)，井底类别(流槽、沉淀、跌水、既设)井位标志(桩号、井号、井号顺序、角标)块位置(把排水管线视为一个块，该块在纵断图中的位置)。
Ⅳ、图幅参数包括图长、宽、比例、单块或复块。
2、纵断图的分类
其类型根据纵断图中排水块的位置、形状、排水方向等，可将纵断图分为七类。
①正排一一水从小桩号井排向大桩号井。
②反排一一水从大桩号井排向小桩号井。
③对流一一水分别从小桩号井和大桩号井流向中间某井。
④通长一一管线在图中占有最大长度。
⑤落差一一纵断坡差较大，跌水井多，占用图宽尺寸较大。
⑥多块一一在同一幅图中，有两个或两个以上的独立的纵断块。
⑦下表一一在井位编号栏下设有说明文或表格。
实际工程中，往往不是单一的情况而是几种类型的组合，因此设置合理的数据结构是非常重要的，如在绘制多块式纵断图时，将纵断图型文件*DwG一分为二，即图线图框和数字，更易于控制。
三、工程量计算
排水工程量计算分管线和结构两部分。管线部分有土方计算，管实长计算及检查井尺寸的确定等，在土方计算中，沟槽断面积是重要的计算步骤，并且是计算难点，因为许多参数的变化都能引起沟底宽及边坡比的变化从而导至断面积及各类土体积的不同。
1、土类参数的设置
地质资料是纵断设计的基础资料之一。首先根据地质报告中钻孔的位置划分区段，然后依孔中土质情况进行分类。工程上把土质按开挖难易分类：I一Ⅳ及淤泥共五类。设置如下参数①区段范围；②土类层厚；③均坡比；④初、静水位。其中均坡比由公式确定：
E=∑(HnXEn)／∑Hn 式中E一均坡比
Hn一某层厚
En一某层土的边坡比
2、断面参数的设置
工程中往往在不同地段需使用不同的开挖方式，开槽或顶进；不同的开挖断面——对称或非对称；不同的开挖动力——人或机械，这些区别不仅改变了土方量的大小，也决定了预算费用的不同。与此有关的参数有:①特别区间；②开挖动力；③断面形状；④底宽；
⑤软土基处理方法。
3、断面积及各类土小面积的计算
将整个断面按土类分为由几个小梯形组成的大梯形，设每层底宽为Bn，层厚为Hn小面积Sn，边坡比为E，有关计算公式如下
①最底层面积：S=H(B+H*E)
②非底层梯形底宽Bn=B(n—1)+2H(n—1)E
③各层面积Sn=Hn(Bn+HnE)
④当切土值H切大于3米时，需按规范要求设置马道，其扩出面积为SM3=2*BM3*(H切—3)，同理当切土深大于6米时其扩出面积为SM6=2*BM6*(H切一6)。
⑤各层土类所占百分比Fn=(Sn／∑Sn)／100。
⑥当断面为非对称式梯形时(一侧开挖，一侧支
撑)S全=H(B十HE)+H2*(E支一H*E)／2。各式中：
H切——该断面切土深，即计算梯形的高。
SM3、BM3——H切大于3米时的马道扩出断面积及马道宽。
Fn一一某类土占全断面的百分比。
E支——支撑侧的边坡。
S全——某开挖断面的全面积。
Sn——某类的小面积。
目前工程设计软件已从低层次的代替人手工简单计算逐渐向模拟人的思维判断方式去完成较高层次的包括复杂思维判断和大量重复计算的设计方式发展。设计人员多年的实践经验和计算机软硬件设计使用水平的提高为专业设计工作上升到的模糊计算阶段奠定了坚实基础。把烦琐的计算和简单的判断交给机器，而将复杂模糊的优化任务由最发达的人脑来完成才是我们设计工作的理想，在我们共同的努力下，相信这一天会早日到来。

初稿写与1997年8月 ，最新整理 2004年 郭高
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