一種虹吸式屋面雨水系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計方法

陳群

摘要：國內(nèi)虹吸式屋面雨水系統(tǒng)在設(shè)計過程中，往往是繪圖設(shè)計與水力計算分離進行，而水力計算復雜且工作量大，更缺乏有效的支持工具。采用計算機輔助設(shè)計手段，通過管系建模，并巧妙設(shè)置水力計算的參數(shù)初值及合規(guī)驗算的次序與方法，借助“允許管徑矩陣表”，可以快速自動完成管徑推算，省時省力地高效率生成最簡省的虹吸式屋面雨水系統(tǒng)設(shè)計方案。

關(guān)鍵詞：計算機輔助設(shè)計;虹吸式;屋面雨水系統(tǒng);設(shè)計方法

中圖分類號：TP319? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）10-0021-05

Abstract： In the design process of domestic siphon roof rainwater drainage system， drawing design and hydraulic calculation are often separated， and hydraulic calculation is complex and workload is large， but lack of effective support tools. By means of computer-aided design， piping system modeling， and skillfully setting the initial values of hydraulic calculation parameters and the order and method of compliance checking， and with the help of the "allowable pipe diameter matrix table"， the calculation of pipe diameter can be completed automatically and quickly， and an optimal and economical siphon roof rainwater drainage system design scheme can be generated efficiently and time-saving.

Key words： computer aided design; siphon; roof rainwater drainage system; design method

1 背景

隨著我國改革開放，資金和新技術(shù)大量涌入，我們引入了歐洲的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)[1]，為解決建筑物尤其是大型復雜建筑物的屋面雨水的排泄問題，提供了嶄新的思路和方法。虹吸式雨水排水系統(tǒng)較之于重力式雨水排水系統(tǒng)，具有排水能力強、系統(tǒng)管徑小、立管數(shù)量少、排水量大、懸吊管無需坡度、埋地管和檢查井數(shù)量少等特點，并且具有良好的自清能力，還節(jié)省空間、方便安裝，非常適合于大屋面、大跨度的屋面雨水排水工程[2]。隨著我國近三十年來基礎(chǔ)設(shè)施的大建設(shè)大發(fā)展，虹吸式屋面雨水排水技術(shù)以其無可比擬的優(yōu)勢，得到了大規(guī)模的推廣應用，在廠房、火車站、機場、體育場館、會展中心、高層裙房等跨度大、結(jié)構(gòu)復雜的屋面場合，發(fā)揮了極其重要的作用。

虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計，有賴于大量精確的水力計算。計算機技術(shù)在最近二三十年的快速發(fā)展，為屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計提供了有力的工具，屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計人員通常使用AutoCAD等繪圖工具來繪制管道系統(tǒng)的布局圖和施工圖，而對管材、管件及其管徑等的選用，則往往依賴于經(jīng)驗，或通過人工計算的方法進行測算評估，并以某一種基本滿足實際需要的適用的方案，作為最終實施的屋面雨水排水管道系統(tǒng)方案。

現(xiàn)有的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計，除了個別單位局部應用了自主研發(fā)的水力計算輔助程序[3]和大學對設(shè)計軟件的探索性研究[4]，尚未見有一體化的實用計算機輔助設(shè)計支持系統(tǒng)。管道系統(tǒng)圖紙設(shè)計與水力計算往往分離進行，即針對畫好的系統(tǒng)設(shè)計圖，分離地采用人工計算的方式進行水力計算。這種操作方式，既費時費力，又很難進行系統(tǒng)性的水力計算，更難動態(tài)地調(diào)整管件以找到最佳的平衡點，從而使設(shè)計出來的系統(tǒng)可能不夠有效或不夠經(jīng)濟。

2 總體方案

在實踐應用經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，我們將管道系統(tǒng)圖繪制與水力計算結(jié)合在一起，提出了一種虹吸式屋面雨水系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計方法，其實例系統(tǒng)的邏輯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

應用本設(shè)計方法的實例系統(tǒng)，使用者可方便快速地在計算機屏幕上繪制出與具體工程項目對應的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)平面圖，在此基礎(chǔ)上，計算機可自動完成管系建模，然后根據(jù)水力計算模型，推導出各管段的最優(yōu)管徑，并通過匹配合適的三通管、彎管及異徑管，使管系中各管段實現(xiàn)無縫套接，最終完成雨水排水管系的設(shè)計，輸出工程圖紙、水力計算表和施工材料清單。具體方法過程如圖2所示。

3 水力計算模型

在虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計方面，國內(nèi)從業(yè)者或研究者已經(jīng)有了很多有益的實踐或探討[5][6][7]。其中，設(shè)計工作中最核心的水力計算，專業(yè)人員通過實踐或研究探討給出很多有效的方法[8][9]，我國也已經(jīng)制定了相關(guān)技術(shù)規(guī)程[10]。基于作者參與的實際工作和相關(guān)單位的項目實踐，本文的虹吸式屋面雨水系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計方法的水力計算，主要參考自源于中國航空工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院的相關(guān)研究成果[11]。由于使用了模塊化的設(shè)計思想，根據(jù)不同單位和不同項目應用場景，在實際的計算機輔助設(shè)計系統(tǒng)中，水力計算模型可以進行適當調(diào)整或替換。

3.1 驗算規(guī)定

本文虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計方法，使用有壓流（即虹吸）原理來實現(xiàn)屋面雨水排水系統(tǒng)的設(shè)計和水力計算。根據(jù)有關(guān)專業(yè)理論，系統(tǒng)的水力計算應滿足以下驗算規(guī)定：

1）驗算規(guī)定一：

系統(tǒng)的靜壓損失不大于系統(tǒng)的總位差。

2）驗算規(guī)定二：

各節(jié)點的接入管段的內(nèi)壓間應平衡，兩兩相差不大于1.5米水柱（1.5*9.81千帕）。

3）驗算規(guī)定三：

管系懸吊管與立管的交點的內(nèi)壓值大于-80千帕。

4）驗算規(guī)定四：

水平管流速不小于1米/秒，垂直管流速不小于2.2米/秒。

5）驗算規(guī)定五：

排出口的流速不大于1.5米/秒。

3.2 水力計算方法

水力計算使用到的相關(guān)計算公式如下：

1）匯水區(qū)的設(shè)計降雨量（單位：升/秒）：

其中q（p）為重現(xiàn)期為p的降雨強度（單位：升/秒平方米），ψ為屋面徑流系數(shù)，F(xiàn)w為屋面設(shè)計匯水面積（單位：平方米）。

2）管段上的允許沿程損失（單位：千帕）：

其中H為該流量入口與出口間的垂直高度差（單位：米），L為該流量的入口到出口的總長度（單位：米），l為管段長度（單位：米）。

3）管段上的設(shè)計沿程損失（海登-威廉公式，單位：千帕）：

其中Q為管段上的流量（單位：升/秒），c為材質(zhì)系數(shù)，dj為管段內(nèi)徑（單位：毫米），l為管段長度（單位：米）。

沿程損失的計算還可以用以下兩個公式，即ISO TR10501算法（適用于PE管）：

以及達西-魏斯巴赫公式（適用于任何管材）：

其中λ采用以下公式[1λ=-2log（Δ3.7dj+2.51Reλ）]進行迭代得到，Δ為管內(nèi)壁絕對粗糙度（單位：毫米），dj為管內(nèi)徑（單位：米），v為流速（單位：米/秒），g為重力加速度（等于9.81，單位：米/秒平方），雷諾系數(shù)[Re=v*djγ]，γ為運動粘度（平方米/秒）。

4）管件局部阻力損失（單位：千帕）：

其中[ξ]為管件局部阻力系數(shù)，[v=4*Qπ*dj2]為管內(nèi)流速（單位：米/秒），Q為管段上的流量（單位：升/秒），dj為管段內(nèi)徑（單位：米）。

5）各節(jié)點的內(nèi)壓（單位：千帕）：

其中hx為該節(jié)點處的位能（等于位高乘以9.81，單位：千帕），∑（i1+i2）為該節(jié)點上游靜態(tài)壓力損失之和（單位：千帕），v為該節(jié)點處的流速（單位：米/秒）。

4 管系建模

4.1 基本概念

本設(shè)計方法將一項建筑的屋面雨水排水工程定義為一個項目。一個項目可以由若干個雨水排水管系構(gòu)成。每個管系的管件相互連通，這些管件包括雨水斗、彎管、異徑管、三通管、直通管、檢查口、排出口等，一般一個管系僅包含一根立管和一個出水口。一個管系中又包含若干個分系統(tǒng)，從每個雨水斗至雨水排出管（出口）的整個流程為一個分系統(tǒng)。在每個分系統(tǒng)中，沿著雨水流程方向，根據(jù)管道水力特性不同，又劃分為一個接著一個的管段。管段與管段之間的連接點稱為節(jié)點，節(jié)點是流量或流速的改變處。每個管段長度不大于10 米，大于10 米的直通管應分為兩個管段。

4.2 實現(xiàn)手段

本設(shè)計方法的實例系統(tǒng)使用數(shù)據(jù)庫來存儲和管理屋面雨水排水系統(tǒng)有關(guān)的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，包括管材、管件及其產(chǎn)品編碼、管徑、計算系數(shù)、可用狀態(tài)等屬性數(shù)據(jù)，建筑情況、地區(qū)降雨情況的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，以及賬號、密碼及系統(tǒng)維護管理有關(guān)的安全數(shù)據(jù)。同時使用數(shù)據(jù)庫來存儲和管理屋面雨水排水系統(tǒng)項目有關(guān)的數(shù)據(jù)，包括項目描述數(shù)據(jù)、管系描述數(shù)據(jù)以及屋面匯水區(qū)描述數(shù)據(jù)。

本設(shè)計方法的實例系統(tǒng)使用計算機窗口技術(shù)的管理界面來錄入、編輯、維護上述基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)和項目有關(guān)的數(shù)據(jù)。使用計算機窗口技術(shù)的管理界面，并配合以計算機的鼠標和鍵盤，來繪制、編輯屋面雨水排水系統(tǒng)管系平面圖，顯示管系的有關(guān)狀態(tài)和數(shù)據(jù)。使用計算機程序來實現(xiàn)本設(shè)計方法及其實例輔助設(shè)計系統(tǒng)。

本設(shè)計方法使用計算機程序，把用于構(gòu)建屋面雨水排水系統(tǒng)的各類管件，標識為與其外形相似的各種圖符，并在計算機繪圖窗口中，以“管件工具條”的方式顯示出這些圖符。使用者通過點擊并拖放圖符，就可以方便地將這些圖符所代表的管件使用到所設(shè)計的屋面雨水排水系統(tǒng)管系圖中。在該計算機繪圖窗口中，還包括管系繪圖“編輯工具條”（有選取、復制、剪切、粘貼、撤銷、恢復功能按鈕）、繪圖“操作工具條”（有對調(diào)、翻轉(zhuǎn)、調(diào)方向、調(diào)夾角、沿管線拖動、循環(huán)選取、截斷、結(jié)合、文字拖動功能按鈕）、管系“計算工具條”（有算管徑、管系優(yōu)化、公式計算器、出計算表、出材料清單功能按鈕）、文件“操作工具條”（有新建、打開、保存、打印功能按鈕）。工具條上的每個功能按鈕對應一個計算機處理程序，用于實現(xiàn)屋面雨水排水系統(tǒng)管系圖編輯或有關(guān)分析計算，輔助使用者完成最終設(shè)計工作。

4.3 管系建模過程

首先，通過本設(shè)計方法的實例系統(tǒng)的計算機窗口界面錄入信息，定義各地區(qū)降雨、可用管材產(chǎn)品的基礎(chǔ)性數(shù)據(jù)，其參數(shù)包括：降雨（地區(qū)、降雨強度、重現(xiàn)期），雨水斗（型號、公稱直徑、設(shè)計流量、設(shè)計水深、阻力系數(shù)），直通管（型號、材料類型、公稱直徑、材質(zhì)系數(shù)、粗糙系數(shù)），彎管（型號、公稱直徑、阻力系數(shù)），三通管（型號、入口公稱直徑、斜插口公稱直徑、出口公稱直徑），異徑管（型號、大頭公稱直徑、小頭公稱直徑、突擴阻力系數(shù)、突縮阻力系數(shù)），檢查口（型號、公稱直徑、阻力系數(shù)），排出口（型號、公稱直徑、阻力系數(shù)），管徑換算關(guān)系（管材類型、公稱直徑、計算內(nèi)徑）。并定義屋面雨水排水系統(tǒng)項目、屋面匯水區(qū)及各管系，其參數(shù)包括：項目（項目名稱、所在地區(qū)、項目描述、項目階段、圖紙信息），匯水區(qū)（編號、匯水區(qū)結(jié)構(gòu)、標高、選用雨水斗類型），管系（編號、落水管編號、外地面標高、出水口標高、選用管材類型、選用水力計算公式）。

然后，使用者根據(jù)建筑物的屋面結(jié)構(gòu)情況，劃分匯水區(qū)。利用本設(shè)計方法的實例系統(tǒng)的輔助功能，計算每個匯水區(qū)的設(shè)計匯水面積FW（單位：平方米），確定屋面的徑流系數(shù)ψ，確定重現(xiàn)期為p（單位：年）的降雨強度q（p）（單位：升/平方米秒），并用公式（1）計算出每個匯水區(qū)的設(shè)計降雨量Qw（單位：升/秒），進而根據(jù)給定的雨水斗的設(shè)計泄水量γ（單位：升/秒），計算該匯水區(qū)所需雨水斗個數(shù)：[N=Qwr]（單位：個）。

接著，使用者利用本設(shè)計方法的實例系統(tǒng)的計算機繪圖工具，在計算機屏幕的窗口繪圖區(qū)，繪制屋面天溝位置、天溝內(nèi)雨水斗和立管位置、排出口位置、雨水管系平面圖，注明雨水斗標高、懸吊管標高、排出管標高、管段管長。本設(shè)計方法的實例系統(tǒng)將自動識別出各管段及其流量，并對管段順序進行編號;自動識別出每個管件、每個節(jié)點及其標高，并對管件和節(jié)點順序進行分類編號;自動識別出管系的各分系統(tǒng)、各支管、懸吊管、水平管、立管、排出口及其長度，并按匯水次序關(guān)系從遠到近順序進行分類編號。從而完成對管系進行建模，并在計算機繪圖界面生成如圖3所示的虹吸式屋面雨水排水管系初步平面圖。

5 推算管徑

5.1 計算初選管徑

1）支管初選管徑

使用以下方法確定虹吸式屋面雨水排水管系的支管的管徑初值：

①支管垂直管的初選管徑取雨水斗的管徑，且固定不變，并使用公式（3）計算其設(shè)計沿程損失i1。

②用支管的允許沿程損失iN（由公式（2）計算得）減去垂直管的設(shè)計沿程損失i1，得到支管的水平管的允許沿程損失iN。使用公式（3）計算水平管的設(shè)計沿程損失i2。令水平管的允許沿程損失iN與設(shè)計沿程損失i2相等，即iN=i2，即可計算得該支管的水平管的初選管徑值，該值為其允許的最小管徑值。

2）干流初選管徑

第一步，見圖4，從最上游的三通管出口開始沿水流方向，依次估算每個干流的初選管徑，作為該干流上各管段的初選管徑，方法為：

①用公式（2）計算允許沿程損失[iN=H*9.81L*1.3*l]，其中H為從該干流入口到管系排出口間的垂直高度差（單位：米），L為從該干流入口到管系排出口間的總長度（單位：米），l為該干流的長度。

②令該干流的允許沿程損失iN與設(shè)計沿程損失i（由公式（3）計算得）相等，即iN=i，即可計算得該干流及其各管段的初選管徑值，該值為其允許的最小管徑值。

第二步，利用驗算規(guī)定四，根據(jù)公式（4）的子公式（即計算流速的子公式）可以計算出管系中各管段及各干流的最大允許管徑值。

第三步，根據(jù)產(chǎn)品庫的可用產(chǎn)品規(guī)格，以及上述計算中得到的各管段最小、最大管徑值，生成一個如表1所示的“允許管徑矩陣表”，并在表中填入管系中各個干流及管段的允許管徑（即最大最小管徑間的所有可選管徑）。由于各管段的流量及管材參數(shù)等已知，所以可計算出各管段在各允許管徑下的坡度沿程損失（即水力坡降，利用公式（3））、局部阻力損失（利用公式（4）），并填寫到表1所示的“允許管徑矩陣表”中。

第四步，針對各個干流，利用上述“允許管徑矩陣表”，找到一組各干流的管徑組合，使之滿足以下三個條件：

①干流的管徑必須是在“允許管徑矩陣表”中。

②上游干流管徑不大于下游干流管徑。

③使最遠端分系統(tǒng)滿足驗算規(guī)定且其總靜態(tài)損失（等于該分系統(tǒng)各管段的沿程損失及局部阻力損失之和，分別用公式（3）、公式（4）計算）最大。

并把找到的各干流管徑組合作為相應管段的新的初選管徑（最小值），同時簡化“允許管徑矩陣表”，即去掉各干流及相應管段中比新的最小值更小的管徑的相關(guān)數(shù)據(jù)。

5.2 計算實際設(shè)計管徑

第一步，從最上游的三通管開始往下游方向，依次優(yōu)化各三通管的兩個入口管段的管徑，使之滿足驗算規(guī)定二。由于當前管系的管徑設(shè)置已經(jīng)滿足驗算規(guī)定一，所以只需按以下方法進行局部微調(diào)：

1）分別計算三通管兩個入口處的內(nèi)壓（利用公式（5））。

2）比較兩個內(nèi)壓的大小。

3）若兩個入口內(nèi)壓未滿足驗算規(guī)定二，則對內(nèi)壓偏小的入口，往大調(diào)整一級入口管段的管徑。

4）重復上述操作直到該三通處的兩個入口內(nèi)壓滿足驗算規(guī)定二。

第二步，計算懸吊管與立管交點處的內(nèi)壓（利用公式（5）），若該處內(nèi)壓（為負壓）未滿足驗算規(guī)定三，則逐級調(diào)大該交點處的入口管段的管徑，直到交點處的內(nèi)壓滿足驗算規(guī)定三。

第三步，計算管系排出口處的流速（利用公式（4）計算流速的子公式），若其流速未滿足驗算規(guī)定五，則逐級調(diào)大排出口所在管段的管徑，直到滿足驗算規(guī)定五。

6 完成管系設(shè)計

至此，水力計算全部完成，得到了已優(yōu)化好的管系各管段最終管徑值。接著，根據(jù)上述計算好的各管段的管徑，查找產(chǎn)品庫，找到管徑最接近的三通管或彎管，使之匹配管段的管徑。并根據(jù)需要，添加相應異徑管，使管系的相鄰管件之間可以完全吻合套接。

然后，在本設(shè)計方法的實例系統(tǒng)中，刷新計算機繪圖窗口上的管系圖，使之與上述設(shè)計優(yōu)化后得到的數(shù)據(jù)一致。

最后，系統(tǒng)自動生成最終優(yōu)化好的管系設(shè)計圖及相應的水力計算表。設(shè)計人員檢查確認無誤后，啟動材料計算程序，輸出工程圖紙、計算表和施工材料清單。

7 結(jié)束語

上述虹吸式屋面雨水系統(tǒng)計算機輔助設(shè)計方法，以計算機為工具，將水力計算及條件驗算融合到屋面雨水排水系統(tǒng)的平面圖繪制過程中，形成了一個虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計的自動化系統(tǒng)。本辦法使用固定圖符來表示所繪制的排水系統(tǒng)的管件，在輔助繪圖過程中，通過自動識別技術(shù)，管件只需放置在管系圖的某一點附近，即可被自動安置入管系中，無須通過人工方式逐一去挪移和對接接頭，提高了繪圖效率。本辦法巧妙地安排了水力計算的參數(shù)初值及合規(guī)驗算的次序和方法，通過生成各管段及各干流所允許的最小、最大管徑，利用“允許管徑矩陣表”方法進一步優(yōu)化各干流最小管徑，使后續(xù)的管系優(yōu)化過程只需單向地往大調(diào)整管徑，并且調(diào)整次數(shù)少，避免了水力計算過程的遞歸反復，從而大大地提高推算管徑的效率，并使自動生成的管系最簡省。在計算得各管段及干流的最小允許管徑和利用驗算規(guī)定四計算得最大允許管徑，進而獲得所有可選管徑后，按水流方向，依次調(diào)節(jié)各關(guān)鍵節(jié)點（即三通、懸吊管與立管交點、排出口）的入口管段的管徑，使之滿足節(jié)點壓力平衡條件，即驗算規(guī)定二、驗算規(guī)定三和驗算規(guī)定五，即可完成最終管徑的選定。然后，在確定管系的所有管段管徑后，能夠自動地添加彎管、三通管、異徑管等管件，無須人工干預，使管系按最優(yōu)可用管件無縫套接。最后，可直接輸出設(shè)計的工程圖紙、水力計算表和施工材料清單。

本設(shè)計方法能極大地節(jié)省虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)設(shè)計中所需要的腦力、體力和時間，更精確地設(shè)計出滿足水力計算驗算規(guī)定的最經(jīng)濟節(jié)省的屋面雨水排水系統(tǒng)。考慮到實際工作中，各設(shè)計單位一般都是基于電子版的建筑物設(shè)計圖，并使用與建筑設(shè)計相似的通用軟件（如AutoCAD）來規(guī)劃設(shè)計屋面雨水系統(tǒng)的布局圖，然后再通過水力計算來確定雨水系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)。下一步，我們將研究建筑設(shè)計軟件的數(shù)據(jù)文件規(guī)格與接口，爭取從建筑設(shè)計軟件生成的雨水系統(tǒng)布局圖中，直接識別出管系模型，從而進一步提高本文設(shè)計方法的自動化程度，使設(shè)計人員無需用不同的設(shè)計軟件重復繪制雨水系統(tǒng)管系平面圖，更加省時省力地迅速獲得與建筑物相應的虹吸式屋面雨水排水系統(tǒng)。

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【通聯(lián)編輯：謝媛媛】