一.引言：
水利工程仿真模擬設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)軟件采用多專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)軟件，在同一數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)下，能解決三維地址地形建模（DTM）與地質(zhì)建模(DGM)、大壩選址、水工設(shè)計(jì)、土建施工、機(jī)電安裝等一系列關(guān)鍵問(wèn)題，在很大程度上提高仿真精度和時(shí)間的要求，完成覆蓋軟件生命周期的全過(guò)程，達(dá)到減少設(shè)計(jì)周期、加深設(shè)計(jì)深度、提高設(shè)計(jì)質(zhì)量、控制成本及提高企業(yè)革新等目的。
二.理論分析與設(shè)計(jì)：
(一)目前水利工程仿真模擬設(shè)計(jì)軟件發(fā)展?fàn)顩r：
1.自20世紀(jì)80年代以來(lái)，已經(jīng)出現(xiàn)了圖形級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，如PHIGS,GKS;圖形交換級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)，CGI,IGES以及近年來(lái)正在不斷完善的STEP等。STEP標(biāo)準(zhǔn)覆蓋了整個(gè)軟件生命周期的數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)協(xié)同設(shè)計(jì)，并行施工，集成制造等具有重要意義。
2.智能化是又一特點(diǎn)，它首先體現(xiàn)在把設(shè)計(jì)領(lǐng)域的專(zhuān)家知識(shí)和工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)融入到CAD系統(tǒng)中，使之成為可以繼承的知識(shí)庫(kù)；其次是其本身的智能化，如人機(jī)接口，數(shù)據(jù)采集，自動(dòng)精模，方案選優(yōu)，仿真模擬以及多媒體技術(shù)應(yīng)用等等。
3.集成化是一大發(fā)展趨勢(shì)，一方面CAD技術(shù)與CAPP(計(jì)算機(jī)輔助工藝流程規(guī)劃)，CAM(計(jì)算機(jī)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(dāng)前全球化發(fā)展，使得人們?cè)趇nternet上構(gòu)造CAD/CAM集成化成為可能。
4.科學(xué)計(jì)算可視化，虛擬設(shè)計(jì)，虛擬制造技術(shù)是設(shè)計(jì)人員進(jìn)行對(duì)產(chǎn)品的時(shí)間操作，以及進(jìn)行各種模擬實(shí)驗(yàn)分析，可以及早看見(jiàn)產(chǎn)品外型，從而可以幫助設(shè)計(jì)多方位地觀察與平審設(shè)計(jì)成果。
（二）水利工程仿真模擬設(shè)計(jì)軟件概念：
就是利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)有力的計(jì)算功能與高效的圖形處理能力，來(lái)直觀，智能的輔助過(guò)程設(shè)計(jì)人員進(jìn)行過(guò)程設(shè)計(jì)與分析的一種技術(shù)。它同時(shí)實(shí)現(xiàn)過(guò)程的可視化與智能化。它包括工程設(shè)計(jì)條件可視化（地質(zhì)，水文，地形，樞紐布置及施工條件等可視化），設(shè)計(jì)建�？梢暬�(jì)算分析過(guò)程可視化與成果設(shè)計(jì)可視化（三維真實(shí)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(shè)計(jì)軟件目標(biāo)：
力求把水利工程的設(shè)計(jì)、管理主要涉及到的水文泥沙、地質(zhì)、地表（含規(guī)劃、環(huán)保）、水工、施工、機(jī)電等專(zhuān)業(yè)的設(shè)計(jì)工作的過(guò)程、相互之間的關(guān)系和結(jié)果通過(guò)先進(jìn)的計(jì)算機(jī)平臺(tái)及輔助設(shè)備以可視化的形式展現(xiàn)出來(lái)，達(dá)到虛擬設(shè)計(jì)/虛擬制造的目的。協(xié)同設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是建立一個(gè)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)，包括地質(zhì)地形的空間數(shù)據(jù)、水工建筑物（大壩、廠房等）的三維實(shí)體數(shù)據(jù)、施工計(jì)劃組織的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及真實(shí)條件下的計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)時(shí)渲染數(shù)據(jù)等。與以前的技術(shù)不同，由于建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)之上，任何修改都將及時(shí)地反饋給整個(gè)工程的相關(guān)部門(mén)和人員（權(quán)限許可），并及時(shí)地通過(guò)三維圖形的方式展現(xiàn)出來(lái)。虛擬設(shè)計(jì)/虛擬制造技術(shù)的應(yīng)用和實(shí)時(shí)仿真完全不同于以前的動(dòng)畫(huà)渲染，它是滿足設(shè)計(jì)詳細(xì)要求的具體施工計(jì)劃的真實(shí)三維顯示。
（四）.水利工程仿真模擬設(shè)計(jì)軟件需要解決的問(wèn)題：
1.地質(zhì)、地形勘測(cè)
2.環(huán)境及水庫(kù)分析
3.水工建筑物及樞紐設(shè)計(jì)
4.施工組織設(shè)計(jì)
5.機(jī)電設(shè)計(jì)
6.工程概預(yù)算
7.工程監(jiān)測(cè)
（五）.水利工程仿真模擬設(shè)計(jì)軟件解決方案：
1．在地質(zhì)勘探方面：可以利用航拍、鉆探、"3S"技術(shù)（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(zhì)情況的分布，便于直接了解復(fù)雜的地質(zhì)構(gòu)造情況,方便地進(jìn)行地形模型的建立,作為壩體、地下廠房、導(dǎo)流洞等建筑物設(shè)計(jì)的原始依據(jù)。
2．在三維地形表述的基礎(chǔ)上，建立水利水電工程的全三維模型，包括壩體、導(dǎo)流洞、泄洪洞、地下廠房等建筑以及與此相關(guān)聯(lián)的設(shè)備、管線的布置等仿真模型。這些設(shè)備與地形數(shù)據(jù)完全相關(guān)，從而構(gòu)成一個(gè)復(fù)雜的水利水電系統(tǒng)，真實(shí)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(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的預(yù)測(cè)。三維模型不僅可以與地形模型很好地關(guān)聯(lián)，而且工程模型也還是參數(shù)化的，一旦設(shè)計(jì)有新的更改，只需要修改相應(yīng)部分的三維模型，與此相關(guān)的設(shè)備、管線布置以及由三維模型自動(dòng)投影生成的二維工程圖（符合目前圖紙標(biāo)準(zhǔn)）都會(huì)得到相應(yīng)的修改，從而保證了設(shè)計(jì)的唯一性和相關(guān)性，快速地完成多個(gè)設(shè)計(jì)方案的對(duì)比和選擇。
3.工程概預(yù)算方面：通過(guò)建立大壩真實(shí)全三維實(shí)體數(shù)值仿真模型，能夠完全精確模擬大壩形體的各個(gè)細(xì)節(jié)，包括孔口部位、進(jìn)水口、閘門(mén)槽等。水利工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)能夠精確計(jì)算各壩段各截面的面積、各點(diǎn)的坐標(biāo)以及體積，其精度滿足大壩混凝土工程量計(jì)量要求。將壩體內(nèi)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(jì)量程序不僅能夠計(jì)算壩體的工程量，而且還能夠計(jì)算不同材料的用量，并進(jìn)一步為概預(yù)算及施工期業(yè)主的材料供應(yīng)計(jì)劃提供科學(xué)的依據(jù)。
4．施工方案動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果分析及查詢(xún)通過(guò)建立的三維實(shí)體數(shù)字模型，計(jì)算出開(kāi)挖方量及填筑方量，對(duì)工程進(jìn)行預(yù)測(cè)和模擬，動(dòng)態(tài)展示山體開(kāi)挖和大壩澆注的全過(guò)程，得出詳細(xì)的施工強(qiáng)度和施工順序等重要指標(biāo)。使工程的項(xiàng)目管理和進(jìn)度分析達(dá)到實(shí)時(shí)控制與動(dòng)態(tài)管理，以便科學(xué)指導(dǎo)工程施工，輔助業(yè)主和監(jiān)理工程師進(jìn)行有效的決策。
計(jì)算機(jī)模擬系統(tǒng)模擬混凝土施工過(guò)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(bǔ)傳統(tǒng)工程類(lèi)比法的缺點(diǎn)。采用計(jì)算機(jī)模擬施工方案成功解決了過(guò)去依靠人工手段無(wú)法解決的許多難題，能大大提高了設(shè)計(jì)人員和項(xiàng)目管理人員的效率，取得巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。
根據(jù)數(shù)字化工程施工過(guò)程中的一般規(guī)律、施工工藝和流程、合同文件、技術(shù)規(guī)范以及實(shí)體特定的結(jié)構(gòu)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(jì)算數(shù)學(xué)模型。設(shè)計(jì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、數(shù)據(jù)錄入及編輯、大壩模擬施工過(guò)程計(jì)算、圖形處理、報(bào)表自動(dòng)生成及分析、查詢(xún)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(shè)計(jì)：
主界面由部分組成，分別是溢洪道土石方開(kāi)挖、溢洪道土石方開(kāi)挖進(jìn)度合計(jì)、大壩混凝土澆筑進(jìn)度、大壩混凝土澆筑進(jìn)度合計(jì)。這四部分從數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取數(shù)據(jù)并動(dòng)態(tài)的顯示出來(lái)。包括一些重要的施工數(shù)據(jù)如：層號(hào)、厚度、體積、高程、開(kāi)挖（澆）時(shí)間、結(jié)束時(shí)間等。點(diǎn)擊“顯示設(shè)置”來(lái)設(shè)置需要顯示或者隱藏的對(duì)象，達(dá)到最好的視覺(jué)效果。這些表既可以用于顯示，也可用于查詢(xún)。
（七）.水利工程仿真模擬設(shè)計(jì)軟件開(kāi)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(tái)，開(kāi)發(fā)應(yīng)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(nèi)存+真彩色顯示卡（3D加速功能）+10G硬盤(pán)，或者更高配置為好。
三.實(shí)例應(yīng)用與總結(jié)展望：
水利工程仿真模擬設(shè)計(jì)軟件采用專(zhuān)業(yè)協(xié)同設(shè)計(jì)軟件水利工程計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件，在同一數(shù)據(jù)庫(kù)平臺(tái)下，能解決三維地址地形建模、大壩選址、水工設(shè)計(jì)、土建施工、機(jī)電安裝等一系列關(guān)鍵問(wèn)題，在很大程度上提高仿真精度和時(shí)間的要求，完成覆蓋軟件生命周期的全過(guò)程，達(dá)到減少設(shè)計(jì)周期、加深設(shè)計(jì)深度、提高設(shè)計(jì)質(zhì)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(shè)計(jì)軟件建立真實(shí)三維地形地貌模型（DTM）及三維地質(zhì)模型(DGM)并行三維水工設(shè)計(jì)（大壩模型、強(qiáng)度計(jì)算等）建立整個(gè)水利水電系統(tǒng)模型（包括壩體、導(dǎo)流洞、泄洪洞、地下廠房等建筑以及與此相關(guān)聯(lián)的設(shè)備、管線的布置）工程概預(yù)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(kù)平臺(tái)上完成以上功能，涵蓋從草圖設(shè)計(jì)到工程完工全過(guò)程，滿足虛擬設(shè)計(jì)/虛擬制造的要求。
水利工程仿真模擬設(shè)計(jì)軟件在水電工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，從地質(zhì)--壩工--廠房--樞紐及施工組織設(shè)計(jì)模擬都能系統(tǒng)準(zhǔn)確地反映實(shí)際設(shè)計(jì)中的一般規(guī)律和特點(diǎn)。因而，采用本系統(tǒng)進(jìn)行多專(zhuān)業(yè)協(xié)同可視化設(shè)計(jì)與指導(dǎo)施工，使各工種各工序的銜接、資源的分配、材料的供應(yīng)都是均衡地有節(jié)奏地進(jìn)行,從而使水電工程的勘測(cè)、設(shè)計(jì)與施工管理達(dá)到國(guó)際一流水平。相信未來(lái)的水利建設(shè)將是計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的新領(lǐng)域，而不是象傳統(tǒng)的水利設(shè)計(jì)那樣耗時(shí)耗力耗資耗人。未來(lái)的水利規(guī)劃設(shè)計(jì)管理完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。計(jì)算機(jī)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。
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