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一.引言：

水利工程仿真模擬設計設計軟件采用多專業(yè)協(xié)同設計軟件，在同一數(shù)據(jù)庫平臺下，能解決三維地址地形建模（DTM）與地質建模(DGM)、大壩選址、水工設計、土建施工、機電安裝等一系列關鍵問題，在很大程度上提高仿真精度和時間的要求，完成覆蓋軟件生命周期的全過程，達到減少設計周期、加深設計深度、提高設計質量、控制成本及提高企業(yè)革新等目的。

二.理論分析與設計：

(一)目前水利工程仿真模擬設計軟件發(fā)展狀況：

1.自20世紀80年代以來，已經(jīng)出現(xiàn)了圖形級的標準，如PHIGS,GKS;圖形交換級的標準，CGI,IGES以及近年來正在不斷完善的STEP等。STEP標準覆蓋了整個軟件生命周期的數(shù)據(jù)交換標準，對協(xié)同設計，并行施工，集成制造等具有重要意義。

2.智能化是又一特點，它首先體現(xiàn)在把設計領域的專家知識和工程技術人員的經(jīng)驗融入到CAD系統(tǒng)中，使之成為可以繼承的知識庫；其次是其本身的智能化，如人機接口，數(shù)據(jù)采集，自動精模，方案選優(yōu)，仿真模擬以及多媒體技術應用等等。

3.集成化是一大發(fā)展趨勢，一方面CAD技術與CAPP(計算機輔助工藝流程規(guī)劃)，CAM(計算機輔助制造)以及MIS(管理信息系統(tǒng))，PDM(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)，MRP(制造資源管理)等系統(tǒng)相集成。另一方面隨著當前全球化發(fā)展，使得人們在internet上構造CAD/CAM集成化成為可能。

4.科學計算可視化，虛擬設計，虛擬制造技術是設計人員進行對產(chǎn)品的時間操作，以及進行各種模擬實驗分析，可以及早看見產(chǎn)品外型，從而可以幫助設計多方位地觀察與平審設計成果。

（二）水利工程仿真模擬設計軟件概念：

就是利用計算機強有力的計算功能與高效的圖形處理能力，來直觀，智能的輔助過程設計人員進行過程設計與分析的一種技術。它同時實現(xiàn)過程的可視化與智能化。它包括工程設計條件可視化（地質，水文，地形，樞紐布置及施工條件等可視化），設計建模可視化，計算分析過程可視化與成果設計可視化（三維真實感圖形顯示及空間數(shù)據(jù)的圖表，文擋輸出）。

（三）水利工程仿真模擬設計軟件目標：

力求把水利工程的設計、管理主要涉及到的水文泥沙、地質、地表（含規(guī)劃、環(huán)保）、水工、施工、機電等專業(yè)的設計工作的過程、相互之間的關系和結果通過先進的計算機平臺及輔助設備以可視化的形式展現(xiàn)出來，達到虛擬設計/虛擬制造的目的。協(xié)同設計的基礎是建立一個統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，包括地質地形的空間數(shù)據(jù)、水工建筑物（大壩、廠房等）的三維實體數(shù)據(jù)、施工計劃組織的實時數(shù)據(jù)以及真實條件下的計算機仿真和實時渲染數(shù)據(jù)等。與以前的技術不同，由于建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺之上，任何修改都將及時地反饋給整個工程的相關部門和人員（權限許可），并及時地通過三維圖形的方式展現(xiàn)出來。虛擬設計/虛擬制造技術的應用和實時仿真完全不同于以前的動畫渲染，它是滿足設計詳細要求的具體施工計劃的真實三維顯示。

（四）.水利工程仿真模擬設計軟件需要解決的問題：

1.地質、地形勘測

2.環(huán)境及水庫分析

3.水工建筑物及樞紐設計

4.施工組織設計

5.機電設計

6.工程概預算

7.工程監(jiān)測

（五）.水利工程仿真模擬設計軟件解決方案：

1．在地質勘探方面：可以利用航拍、鉆探、"3S"技術（即GISGPSRS）得到的地形數(shù)據(jù)，直接生成地形的三維模型包括地下三維地質情況的分布，便于直接了解復雜的地質構造情況,方便地進行地形模型的建立,作為壩體、地下廠房、導流洞等建筑物設計的原始依據(jù)。

2．在三維地形表述的基礎上，建立水利水電工程的全三維模型，包括壩體、導流洞、泄洪洞、地下廠房等建筑以及與此相關聯(lián)的設備、管線的布置等仿真模型。這些設備與地形數(shù)據(jù)完全相關，從而構成一個復雜的水利水電系統(tǒng)，真實反映工程建成以后的面貌。

建立的三維模型還能夠輸出到有限元分析軟件中，進行結構強度的預測。三維模型不僅可以與地形模型很好地關聯(lián)，而且工程模型也還是參數(shù)化的，一旦設計有新的更改，只需要修改相應部分的三維模型，與此相關的設備、管線布置以及由三維模型自動投影生成的二維工程圖（符合目前圖紙標準）都會得到相應的修改，從而保證了設計的唯一性和相關性，快速地完成多個設計方案的對比和選擇。

3.工程概預算方面：通過建立大壩真實全三維實體數(shù)值仿真模型，能夠完全精確模擬大壩形體的各個細節(jié)，包括孔口部位、進水口、閘門槽等。水利工程計算機輔助設計能夠精確計算各壩段各截面的面積、各點的坐標以及體積，其精度滿足大壩混凝土工程量計量要求。將壩體內部各種材料的配合比及使用范圍輸入到壩體三維數(shù)值仿真模型中，從而使精確計量程序不僅能夠計算壩體的工程量，而且還能夠計算不同材料的用量，并進一步為概預算及施工期業(yè)主的材料供應計劃提供科學的依據(jù)。

4．施工方案動態(tài)仿真結果分析及查詢通過建立的三維實體數(shù)字模型，計算出開挖方量及填筑方量，對工程進行預測和模擬，動態(tài)展示山體開挖和大壩澆注的全過程，得出詳細的施工強度和施工順序等重要指標。使工程的項目管理和進度分析達到實時控制與動態(tài)管理，以便科學指導工程施工，輔助業(yè)主和監(jiān)理工程師進行有效的決策。

計算機模擬系統(tǒng)模擬混凝土施工過程，不僅可全面、周密地反映各種影響混凝土施工的因素，而且改變施工參數(shù)、修改方案比較及敏感性分析均比較容易，可完全彌補傳統(tǒng)工程類比法的缺點。采用計算機模擬施工方案成功解決了過去依靠人工手段無法解決的許多難題，能大大提高了設計人員和項目管理人員的效率，取得巨大的技術經(jīng)濟效益。

根據(jù)數(shù)字化工程施工過程中的一般規(guī)律、施工工藝和流程、合同文件、技術規(guī)范以及實體特定的結構形式、施工條件的特定要求，利用本模塊建立系統(tǒng)分析模型和模擬計算數(shù)學模型。設計相應的數(shù)據(jù)庫管理、數(shù)據(jù)錄入及編輯、大壩模擬施工過程計算、圖形處理、報表自動生成及分析、查詢以及菜單控制等系統(tǒng),集成在統(tǒng)一界面下完成所有的功能。

（六）.水利工程施工模擬界面設計：

主界面由部分組成，分別是溢洪道土石方開挖、溢洪道土石方開挖進度合計、大壩混凝土澆筑進度、大壩混凝土澆筑進度合計。這四部分從數(shù)據(jù)庫中讀取數(shù)據(jù)并動態(tài)的顯示出來。包括一些重要的施工數(shù)據(jù)如：層號、厚度、體積、高程、開挖（澆）時間、結束時間等。點擊“顯示設置”來設置需要顯示或者隱藏的對象，達到最好的視覺效果。這些表既可以用于顯示，也可用于查詢。

（七）.水利工程仿真模擬設計軟件開發(fā)環(huán)境：

1.軟件環(huán)境：系統(tǒng)采用Windowsxp/2000/98作為工作平臺，開發(fā)應用軟件有VisualC++6.0,AutoCAD2000以上均可，ArcViewGIS,MSExcel,MSAccess，3dMAX，GIS與GPS的系列軟件等等。

2.硬件環(huán)境：考慮到系統(tǒng)功能中圖形數(shù)據(jù)處理量大，與三維圖形處理分析操作需要，推薦配置：PentiumIV1.4G+512MB內存+真彩色顯示卡（3D加速功能）+10G硬盤，或者更高配置為好。

三.實例應用與總結展望：

水利工程仿真模擬設計軟件采用專業(yè)協(xié)同設計軟件水利工程計算機輔助設計軟件，在同一數(shù)據(jù)庫平臺下，能解決三維地址地形建模、大壩選址、水工設計、土建施工、機電安裝等一系列關鍵問題，在很大程度上提高仿真精度和時間的要求，完成覆蓋軟件生命周期的全過程，達到減少設計周期、加深設計深度、提高設計質量、控制成本及提高企業(yè)革新等目的。

用水利工程仿真模擬設計軟件建立真實三維地形地貌模型（DTM）及三維地質模型(DGM)并行三維水工設計（大壩模型、強度計算等）建立整個水利水電系統(tǒng)模型（包括壩體、導流洞、泄洪洞、地下廠房等建筑以及與此相關聯(lián)的設備、管線的布置）工程概預算三維工程施工仿真及工程監(jiān)控在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫平臺上完成以上功能，涵蓋從草圖設計到工程完工全過程，滿足虛擬設計/虛擬制造的要求。

水利工程仿真模擬設計軟件在水電工程設計過程中，從地質--壩工--廠房--樞紐及施工組織設計模擬都能系統(tǒng)準確地反映實際設計中的一般規(guī)律和特點。因而，采用本系統(tǒng)進行多專業(yè)協(xié)同可視化設計與指導施工，使各工種各工序的銜接、資源的分配、材料的供應都是均衡地有節(jié)奏地進行,從而使水電工程的勘測、設計與施工管理達到國際一流水平。相信未來的水利建設將是計算機設計的新領域，而不是象傳統(tǒng)的水利設計那樣耗時耗力耗資耗人。未來的水利規(guī)劃設計管理完全實現(xiàn)自動化。計算機在水利上的利用有著廣闊的發(fā)展前境需要我們一代代水利人的共同努力。

以下是三峽水電站設計應用實例：

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