CN110147574A - 屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法、系统及存储介质，方法包括：获取基础数据和定义信息；计算所需雨水斗个数；根据计算的雨水斗个数，绘制管系的初步平面图；通过水力计算确定所述管系的管径；根据管系的初步平面图和管系的管径，生成屋面雨水排水管系设计图。本发明无需通过人工进行水力计算，并使用允许管径矩阵表的方法，简化了管径调整优化的过程，大大减少计算量，提高了工作效率且降低了人工成本；另外，本发明根据水力数据生成屋面雨水排水管系设计图，便于对设计图进行动态调整，提高了准确度，可广泛应用于计算机技术领域。

Description

屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及计算机技术领域，尤其是屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法、系统及存储介质。

背景技术

在建筑物屋面雨水处理领域，有德国《虹吸式屋面排水系统VDI 3806》和中国《建筑给排水设计规范GB50015-2003》、《虹吸式屋面雨水排水系统应用技术规范规程》等技术规范，这些规范给出了利用虹吸原理进行屋面雨水排水的管道系统设计施工规范、方法与技术要求。诸多期刊文献也给出了各地区各种建筑物的具体虹吸式屋面雨水排水系统的设计方案和实施经验，以及介绍了有关管材、管件等设备设施的专利或产品。

计算机技术在最近二三十年的快速发展，为屋面雨水排水系统设计提供了有力的工具，屋面雨水排水系统的设计人员通常使用aotoCAD等绘图工具来绘制管道系统的布局图和施工图，而对管材、管件及其管径等的选用，则往往依赖于经验，或通过人工计算的方法进行测算评估，并以某一种基本满足实际需要的适用的方案，作为最终实施的屋面雨水排水管道系统方案。

现有的屋面雨水排水系统设计，没有一体化的计算机辅助设计系统来支持，管道系统图纸设计与水力计算分离。针对画好的系统设计图，分离地采用人工计算的方式进行水力计算，既费时费力，又很难进行系统性的水力计算，更难动态地调整管件、管件以找到最佳的平衡点，从而使设计出来的系统不够有效，也不够经济。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供一种效率高且准确度高的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法、系统及存储介质。

一方面，本发明实施例提供了一种屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，包括以下步骤：

获取基础数据和定义信息；所述基础数据包括但不限于地区降雨数据、管材管件数据；所述定义信息包括但不限于项目信息、汇水区信息及管系信息；所述地区降雨数据包括但不限于降雨地区、降雨强度和降雨重现期；所述管材管件数据包括但不限于雨水斗数据、直通管数据、弯管数据、三通管数据、异径管数据、检查口数据、排出口数据和管径换算关系数据；所述项目信息包括但不限于项目名称、所在地区、项目描述、项目阶段和图纸信息；所述汇水区信息包括但不限于编号、汇水区结构、标高和选用雨水斗类型；所述管系信息包括但不限于编号、落水管编号、外地面标高、出水口标高、选用管材类型和选用水力计算公式；

计算所需雨水斗个数；

根据计算的雨水斗个数，绘制管系的初步平面图；

通过水力计算确定所述管系的管径；

根据管系的初步平面图和管系的管径，生成屋面雨水排水管系设计图。

进一步，所述通过水力计算确定所述管系的管径这一步骤，包括以下步骤：

计算所述管系的各管段的初选管径；

根据各管段的初选管径，计算所述各管段及所述管段包含的各管件的实际设计管径；

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，选定合适的三通管或弯管或异径管。

进一步，所述计算所述管系的各管段的初选管径这一步骤，包括以下步骤：

计算出所述管系中管段的最小允许管径；

计算出所述管系中管段及干流的最大允许管径；

根据计算的最小允许管径和最大允许管径，建立允许管径矩阵表；

对允许管径矩阵表进行优化，得到初选管径。

进一步，所述根据各管段的初选管径，计算所述各管段及所述管段包含的各管件的实际设计管径这一步骤，包括以下步骤：

根据允许管径矩阵表，对所述管系的每个三通管的一端入口管段的管径进行逐级调大；

根据允许管径矩阵表，对所述管系的悬吊管与立管交点处的入口管段的管径进行逐级调大；

根据允许管径矩阵表，对所述管系的排出口所在管段的管径进行逐级调大。

进一步，所述根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，选定合适的三通管或弯管或异径管这一步骤，包括以下步骤：

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，对所述管系的每个三通管进行优化替换；

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，对所述管系的每个弯管进行优化替换；

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，在所述管系的每一对相邻管件间，优化替换异径管。

进一步，所述计算出所述管系中管段的最小允许管径这一步骤，包括以下步骤：

对于所述管系的每个支管，计算所述支管的垂直管的最小允许管径；

对于所述管系的每个支管，计算所述支管的水平管的最小允许管径；

从所述管系的最上游的三通管出口开始，沿水流方向，依次计算所述管系的每个干流的管段的最小允许管径。

进一步，所述根据计算的最小允许管径和最大允许管径，建立允许管径矩阵表这一步骤，包括以下步骤：

创建允许管径矩阵表，填入所述管系的所有管段、所有干流及其流量；

根据管件基础数据，将计算得到的最小允许管径作为下界限，将计算得到的最大允许管径作为上界限，然后根据上界限和下届限将所述管系的各管段和各干流的所有允许管径填入所述允许管径矩阵表中；

计算出所述允许管径矩阵表中各允许管径下的坡度沿程损失，并将计算得到的坡度沿程损失填入所述允许管径矩阵表中；

计算出所述允许管径矩阵表中各允许管径下的局部阻力损失，并将所述局部阻力损失填入所述允许管径矩阵表中。

进一步，所述对允许管径矩阵表进行优化，得到初选管径这一步骤，包括以下步骤：

计算所述管系的最远端分系统的总位差；

针对所述允许管径矩阵表中任何一组升序干流管径组合，计算出所述管系的最远端分系统在所述升序干流管径组合下的总沿程损失。所述升序干流管径组合，是指上游干流管径不大于下游干流管径的干流管径组合；

计算出所述管系的最远端分系统在所述升序干流管径组合下的总局部阻力损失；

根据总沿程损失和总局部阻力损失，计算出所述管系的最远端分系统在所述升序干流管径组合下的总静态损失；

根据总位差和各升序干流管径组合下的总静态损失，计算得到一组最佳干流管径组合；

将计算出的所述最佳干流管径组合设定为所述管系的各干流的新的最小允许管径；

从所述允许管径矩阵表的各干流数据及其所含管段数据中，删掉比所述最佳管径组合小的允许管径数据；

将允许管径矩阵表中各干流和各管段的所述新的最小允许管径作为所述管系的初选管径。

另一方面，本发明实施例还提供了一种屋面虹吸雨水系统的辅助设计系统，包括：

数据维护模块，用于获取基础数据、维护基础数据、定义项目信息、定义汇水区信息及定义管系信息，所述基础数据包括但不限于地区降雨数据、管材管件数据；

绘图模块，用于绘制管系的初步平面图，以及显示最终调整好管件和管径的屋面雨水排水管系设计图；

识别模块，用于识别出所绘制的管系图中的构件和所述构件对应的参数，所述构件包括但不限于管段、管件、节点、分系统、支管、悬吊管、水平管、立管和排出口；所述参数包括管段的长度、管段的流量、管件的标高、节点的标高、分系统的长度、支管的长度、悬吊管的长度、水平管的长度、立管的长度管和排出口的长度；

计算模块，用于计算汇水区降雨量、雨水斗数、管段允许沿程损失、管段设计沿程损失、管件局部阻力损失、流速和节点内压；

验算和调优模块，用于验算管系是否满足验算规定，还用于生成允许管径矩阵表，并根据所述允许管径矩阵表调整管系的管段管径，使所述管系满足所述验算规定；

结果输出模块，用于根据设计好的屋面雨水排水管系设计图，进行材料计算，输出所述项目的工程图纸、水力计算表和施工材料清单；

数据库模块，用于存放基础数据、定义信息，和屋面雨水排水管系的设计结果数据与中间过程数据。

另一方面，本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法。

上述本发明实施例中的一个或多个技术方案具有如下优点：本发明的实施例在获取到基础数据之后，计算出所需雨水斗数，绘制管系初步平面图，以允许管径矩阵表辅助计算初选管径及最终实际设计管径，最后生成屋面雨水排水管系设计图，并输出结果；本发明无需通过人工进行水力计算，简化了管径调整优化的过程，大大减少计算量，提高了工作效率且降低了人工成本；另外，本发明根据水力数据生成屋面雨水排水管系设计图，便于对设计图进行动态调整，提高了准确度。

附图说明

图1为本发明实施例的步骤流程图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步解释和说明。对于本发明实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

参照图1，本发明实施例提供了一种屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，包括以下步骤：

获取基础数据和定义信息；所述基础数据包括但不限于地区降雨数据、管材管件数据；所述定义信息包括但不限于项目信息、汇水区信息及管系信息；所述地区降雨数据包括但不限于降雨地区、降雨强度和降雨重现期；所述管材管件数据包括但不限于雨水斗数据、直通管数据、弯管数据、三通管数据、异径管数据、检查口数据、排出口数据和管径换算关系数据；所述项目信息包括但不限于项目名称、所在地区、项目描述、项目阶段和图纸信息；所述汇水区信息包括但不限于编号、汇水区结构、标高和选用雨水斗类型；所述管系信息包括但不限于编号、落水管编号、外地面标高、出水口标高、选用管材类型和选用水力计算公式；

计算所需雨水斗个数；

具体地，所述计算所需雨水斗个数包括以下步骤：根据所述基础数据及所述汇水区信息，计算所述汇水区的设计汇水面积；确定所述汇水区的设计参数；计算所述汇水区的设计降雨量；根据所述汇水区选定的雨水斗类型及所述雨水斗的基础数据获得所述雨水斗的设计泄水量；根据设计降雨量和设计泄水量计算所需雨水斗个数；所述汇水区设计参数包括但不限于屋面径流系数、降雨重现期和降雨强度。

根据计算的雨水斗个数，绘制管系的初步平面图；

具体地，本发明使用屋面虹吸雨水系统的辅助设计系统的绘图模块，绘制所述管系的初步平面图(布局图)，标定其工程参数，进而使用本发明屋面虹吸雨水系统的辅助设计系统的识别模块，识别出所述管系的构件及其对应参数，并顺水流方向，由远及近，对所述构件进行分类编号。所述初步平面图(布局图)中包括但不限于体现屋面天沟位置、天沟内雨水斗和立管位置、排出口位置。所述工程参数包括但不限于雨水斗标高、悬吊管标高、排出管标高、管段管长。所述构件包括但不限于管段、管件、节点、分系统、支管、悬吊管、水平管、立管、排出口。所述对应参数为：管段的长度、流量，管件和节点的标高，分系统、支管、悬吊管、水平管、立管和排出口的长度。

通过水力计算确定所述管系的管径；

具体地，本发明利用“允许管径矩阵表”方法，计算所述管系的各管段的初选管径，进而计算所述各管段及所含各管件的实际设计管径，并选定合适的三通管或弯管或异径管，使已计算好管径的所述各管段可以吻合套接。

根据管系的初步平面图和管系的管径，生成屋面雨水排水管系设计图。

具体地，本发明根据计算好的所述管系的所含管件和所述实际设计管径，刷新所述管系的所述初步平面图(布局图)，得到最终的屋面雨水排水管系设计图，并进行材料计算，输出所述项目的工程图纸、水力计算表和施工材料清单。

进一步作为优选的实施方式，所述通过水力计算确定所述管系的管径这一步骤，包括以下步骤：

计算所述管系的各管段的初选管径；

根据各管段的初选管径，计算所述各管段及所述管段包含的各管件的实际设计管径；

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，选定合适的三通管或弯管或异径管，使已计算好管径的所述各管段可以吻合套接。

进一步作为优选的实施方式，所述计算所述管系的各管段的初选管径这一步骤，包括以下步骤：

计算出所述管系中管段的最小允许管径，使所述管系满足验算规定一；

计算出所述管系中管段及干流的最大允许管径，使所述管系满足验算规定四；

根据计算的最小允许管径和最大允许管径，建立允许管径矩阵表；

对允许管径矩阵表进行优化，得到初选管径。

进一步作为优选的实施方式，所述根据各管段的初选管径，计算所述各管段及所述管段包含的各管件的实际设计管径这一步骤，包括以下步骤：

根据允许管径矩阵表，对所述管系的每个三通管的一端入口管段的管径进行逐级调大；

根据允许管径矩阵表，对所述管系的悬吊管与立管交点处的入口管段的管径进行逐级调大；

根据允许管径矩阵表，对所述管系的排出口所在管段的管径进行逐级调大。

首先，本实施例使用所述“允许管径矩阵表”，顺水流方向，对所述管系的每个三通管，通过以下方法，逐级调大所述三通管一端入口管段的管径，使所述三通管的入口内压差满足验算规定二，其具体为：

①：使所述三通管的两个入口管段和出口管段的当前管径等于初选管径；

②：以所述当前管径，利用公式五，分别计算所述三通管两个入口处的内压；

③：若计算得的所述三通管两个入口处的内压未满足验算规定二，则根据所述“允许管径矩阵表”中的允许管径，往大调一级内压偏小的所述三通管入口端管段的管径，并转步骤②，否则计算结束。

然后，本实施例使用所述“允许管径矩阵表”，对所述管系的悬吊管与立管交点处，通过以下方法，逐级调大所述交点处的入口管段的管径，使所述交点处的内压满足验算规定三。所述以下方法为：

①：使所述交点处的入口管段的当前管径等于初选管径；

②：以所述当前管径，利用公式五，计算所述交点处的内压；

③：若计算得的所述交点处的内压未满足验算规定三，则根据所述“允许管径矩阵表”中的允许管径，往大调一级所述交点处入口管段的管径，并转步骤②，否则计算结束。

最后，本实施例使用所述“允许管径矩阵表”，对所述管系的排出口，通过以下方法，逐级调大所述排出口所在管段的管径，使所述排出口处的流速满足验算规定五。所述以下方法为：

①：使所述排出口的所在管段的当前管径等于初选管径；

②：以所述当前管径，利用公式四，计算所述排出口处的流速；

③：若计算得的所述排出口处的流速未满足验算规定五，则根据所述“允许管径矩阵表”中的允许管径，往大调一级所述排出口的所在管段的管径，并转步骤②，否则计算结束。

进一步作为优选的实施方式，所述根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，选定合适的三通管或弯管或异径管这一步骤，包括以下步骤：

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，对所述管系的每个三通管进行优化替换；

其中，该方法具体为：对于所述管系的每个三通管(原三通管)，从所述管件基础数据中选择一个合适管径三通管件(新三通管)，替换所述管系的所述原三通管，使所述新三通管的两个入口、一个出口的管径，与其所相应连接的管段的管径一致或最为接近。

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，对所述管系的每个弯管进行优化替换；

其中，该方法具体为：对于所述管系的每个弯管(原弯管)，从所述管件基础数据中选择一个合适管径弯管件(新弯管)，替换所述管系的所述原弯管，使所述新弯管的两个端口的管径，与其所相应连接的管段的管径一致或最为接近。

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，在所述管系的每一对相邻管段间，优化替换异径管。

其中，该方法具体为：对于所述管系的每一对相邻管件，若其对接管径不一致，则从所述管件基础数据中选择合适的异径管，套接在所述相邻管件之间，使所述相邻管件可以吻合套接。

进一步作为优选的实施方式，所述计算出所述管系中管段的最小允许管径这一步骤，包括以下步骤：

对于所述管系的每个支管，计算所述支管的垂直管的最小允许管径；

其中，该方法具体为：所述垂直管的所含管段的所述最小允许管径设定为雨水斗的管径，且固定不变。

对于所述管系的每个支管，计算所述支管的水平管的最小允许管径；

其中，该方法具体为：用公式三计算出所述垂直管的设计沿程损失i₁；用公式二计算出所述支管的允许沿程损失i_N；用公式三计算出所述支管的水平管的设计沿程损失i₂；计算所述水平管的允许沿程损失i′_N＝i_N-i₁；对于所述支管的水平管，根据验算规定一令i′_N＝i₂，即可计算得所述水平管的所含管段的所述最小允许管径。

从所述管系的最上游的三通管出口开始，沿水流方向，依次计算所述管系的每个干流的管段的最小允许管径；

其中，该方法具体为：用公式二计算所述干流的允许沿程损失其中H为从所述干流入口到所述管系排出口间的垂直高度差(单位：米)，L为从所述干流入口到所述管系排出口间的总长度(单位：米)，l为所述干流的长度；用公式三计算所述干流的设计沿程损失i；对于所述干流，根据验算规定一令i_N＝i，即可计算得所述干流及其所含管段的所述最小允许管径。

进一步作为优选的实施方式，所述根据计算的最小允许管径和最大允许管径，建立允许管径矩阵表这一步骤，包括以下步骤：

创建允许管径矩阵表，填入所述管系的所有管段、所有干流及其流量；

根据管件基础数据，将计算得到的最小允许管径作为下界限，将计算得到的最大允许管径作为上界限，然后根据上界限和下届限将所述管系的各管段和各干流的所有允许管径填入所述允许管径矩阵表中；

计算出所述允许管径矩阵表中各允许管径下的坡度沿程损失，并将计算得到的坡度沿程损失填入所述允许管径矩阵表中；

计算出所述允许管径矩阵表中各允许管径下的局部阻力损失，并将所述局部阻力损失填入所述允许管径矩阵表中。

进一步作为优选的实施方式，所述对允许管径矩阵表进行优化，得到初选管径这一步骤，包括以下步骤：

计算所述管系的最远端分系统的总位差；

针对所述允许管径矩阵表中任何一组升序干流管径组合，计算出所述管系的最远端分系统在所述升序干流管径组合下的总沿程损失。所述升序干流管径组合，是指上游干流管径不大于下游干流管径的干流管径组合；

计算出所述管系的最远端分系统在所述升序干流管径组合下的总局部阻力损失；

根据总沿程损失和总局部阻力损失，计算出所述管系的最远端分系统在所述升序干流管径组合下的总静态损失；

根据总位差和各升序干流管径组合下的总静态损失，计算得到一组最佳干流管径组合；

将计算出的所述最佳干流管径组合设定为所述管系的各干流的新的最小允许管径；

从所述允许管径矩阵表的各干流数据及其所含管段数据中，删掉比所述最佳管径组合小的允许管径数据；

将允许管径矩阵表中各干流和各管段的所述新的最小允许管径作为所述管系的初选管径。

具体地，本实施例针对所述“允许管径矩阵表”中各干流的每一组管径组合，若所述干流管径组合的上游干流管径不大于下游干流管径，则根据公式三计算出所述管系的最远端分系统在所述管径组合下的总沿程损失i₁，根据公式四计算出所述管系的最远端分系统在所述管径组合下的总局部阻力损失i₂，再计算出所述管系的最远端分系统在所述管径组合下的总静态损失i＝i₁+i₂，并找到一组最佳的所述干流管径组合，使所述最佳管径组合满足以下条件：

1)、使所述管系的最远端分系统在所述管径组合下满足验算规定一，即i≤H；

2)、使所述管系的最远端分系统在所述管系组合下的总静态损失i，在所述“允许管径矩阵表”中的所有干流管径组合中是最大的。

将计算出的所述最佳管径组合，设定为所述干流的新的最小允许管径；

从所述“允许管径矩阵表”的各干流数据及其所含管段数据中，删掉比所述最佳管径组合小的允许管径数据；

将“允许管径矩阵表”中各干流和各管段的所述新的最小允许管径作为所述管系后续计算所需的初选管径。

本发明实施例还提供了一种屋面虹吸雨水系统的辅助设计系统，包括：

数据维护模块，用于获取基础数据、维护基础数据、定义项目信息、定义汇水区信息及定义管系信息，所述基础数据包括但不限于地区降雨数据、管材管件数据；

绘图模块，用于绘制管系的初步平面图，以及显示最终调整好管件和管径的屋面雨水排水管系设计图；

识别模块，用于识别出所绘制的管系图中的构件和所述构件对应的参数，所述构件包括但不限于管段、管件、节点、分系统、支管、悬吊管、水平管、立管和排出口；所述参数包括管段的长度、管段的流量、管件的标高、节点的标高、分系统的长度、支管的长度、悬吊管的长度、水平管的长度、立管的长度管和排出口的长度；

计算模块，用于计算汇水区降雨量、雨水斗数、管段允许沿程损失、管段设计沿程损失、管件局部阻力损失、流速和节点内压；

验算和调优模块，用于验算管系是否满足验算规定，还用于生成允许管径矩阵表，并根据所述允许管径矩阵表调整管系的管段管径，使所述管系满足所述验算规定；

结果输出模块，用于根据设计好的屋面雨水排水管系设计图，进行材料计算，输出所述项目的工程图纸、水力计算表和施工材料清单；

数据库模块，用于存放基础数据、定义信息，和屋面雨水排水管系的设计结果数据与中间过程数据。

本发明实施例还提供了一种屋面虹吸雨水系统的辅助设计系统，包括：

至少一个显示器，用于显示数据和绘制的设计图；

至少一个键盘和至少一个鼠标，用于输入数据和绘图操作；

至少一个处理器；

至少一个存储器，用于存储至少一个程序；

当所述至少一个程序被所述至少一个处理器执行，使得所述至少一个处理器实现所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法。

本发明实施例还提供了一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法。

下面详细描述本发明一种屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法的具体实施步骤：

本发明实施例提供一套管道系统图绘制与水力计算结合在一起的计算机辅助设计系统和方法，使用者(即屋面雨水排水系统设计人员)可利用本发明的系统和方法，方便快速地在计算机屏幕上绘制出与具体工程项目对应的虹吸式屋面雨水排水系统，直接自动地进行水力计算并得出各管件的推荐管径，然后使用者可根据工程实际情况，在设计图上局部调整个别管件及其参数，进而本发明的系统和方法会自动地进一步调整排水系统图中的其他管件，使整个排水系统所组成的各管件相互配套且最简省最经济，且整个排水系统的压力、位能损失、动态平衡达到最优。最后使用者可通过本发明的系统和方法，保存或打印输出所设计得的虹吸式屋面雨水排水系统工程图纸、计算表和施工材料清单。

本实施例将一项建筑的屋面雨水排水工程定义为一个项目，一个项目可以由若干个雨水排水管系构成；每个管系的管件相互连通，这些管件包括雨水斗、弯管、异径管、三通管、直通管、检查口、排出口等，一般一个管系仅包含一根立管和一个出水口；一个管系中又包含若干个分系统，从每个雨水斗至雨水排出管(出口)的整个流程为一个分系统；在每个分系统中，沿着雨水流程方向，根据管道水力特性不同，又划分为一个接着一个的管段，管段与管段直接的连接点称为节点，节点是流量或流速的改变处；每个管段长度不大于10米，大于10米的直通管应分为两个管段。

本发明实施例使用数据库来存储和管理屋面雨水排水系统有关的基础性数据，包括管材、管件及其产品编码、管径、计算系数、可用状态等属性数据，建筑情况、地区降雨情况的统计数据，以及账号、密码及系统维护管理有关的数据。本发明也使用数据库来存储和管理屋面雨水排水系统项目有关的数据，包括项目描述数据、管系描述数据以及屋面汇水区描述数据。

本发明使用计算机窗口技术的管理界面来录入、编辑、维护上述基础性数据和项目有关的数据；使用计算机窗口技术的管理界面，并配合以计算机的鼠标和键盘，来绘制、编辑屋面雨水排水系统管系图，显示管系的有关状态和数据；使用计算机程序来实现本发明的辅助设计系统和方法。

本发明使用计算机程序，把用于构建屋面雨水排水系统的各类管件，表示为与其外形相似的各种图符，并在计算机绘图窗口中，以“管件工具条”的方式显示出这些图符，使用者通过点击并拖放图符，就可以方便地将这些图符所代表的管件使用到所设计的屋面雨水排水系统管系图中。在该计算机绘图窗口中，还包括管系绘图“编辑工具条”(有选取、复制、剪切、粘贴、撤销、恢复功能按钮)，绘图“操作工具条”(有对调、翻转、调方向、调夹角、沿管线拖动、循环选取、截断、结合、文字拖动功能按钮)，管系“计算工具条”(有算管径、管系优化、公式计算器、出计算表、出材料清单功能按钮)，文件“操作工具条”(有新建、打开、保存、打印功能按钮)。工具条上的每个功能按钮对应一个计算机处理程序，用于实现屋面雨水排水系统管系图编辑或有关分析计算，辅助使用者完成最终设计工作。

本发明使用有压流(即虹吸)原理来实现屋面雨水排水系统的设计和水力计算，根据本领域内的专业理论，系统的水力计算应满足以下验算规定：

验算规定一：系统的静压损失不大于系统的总位差。

验算规定二：各节点的接入管段的内压间应平衡，两两相差不大于1.5米水柱(1.5×9.81千帕)。

验算规定三：管系悬吊管与立管的交点的内压值大于-80千帕。

验算规定四：水平管流速不小于1米/秒，垂直管流速不小于2.2米/秒。

验算规定五：排出口的流速不大于1.5米/秒。

水力计算使用到的相关计算公式如下：

公式一：汇水区的设计降雨量(单位：升/秒)Q_W＝q(p)×ψ×F_W，其中q(p)为重现期为p的降雨强度(单位：升/秒平方米)，ψ为屋面径流系数，F_W为屋面设计汇水面积(单位：平方米)。

公式二：管段上的允许沿程损失(单位：千帕)其中H为该流量入口与出口间的垂直高度差(单位：米)，L为该流量的入口到出口的总长度(单位：米)，l为管段长度(单位：米)。

公式三：管段上的设计沿程损失(单位：千帕)其中Q为管段上的流量(单位：升/秒)，c为材质系数，d_j为管段内径(单位：毫米),l为管段长度(单位：米)。

沿程损失的计算还可以用以下两个公式，即ISOTR10501算法(适用于PE管)：以及达西-魏斯巴赫公式(适用于任何管材)：其中λ采用进行迭代得到，Δ为管内壁绝对粗糙度(单位：毫米)，dj为管内径(单位：米)，v为流速(单位：米/秒)，g为重力加速度(等于9.81，单位：米/秒平方)，雷诺系数γ为运动粘度(平方米/秒)。

公式四：管件局部阻力损失(单位：千帕)其中ξ为管件局部阻力系数，为管内流速(单位：米/秒)，Q为管段上的流量(单位：升/秒)，d_j为管段内径(单位：米)。

公式五：各节点的内压(单位：千帕)其中h_x为该节点处的位能(等于位高乘以9.81，单位：千帕)，∑(i₁+i₂)为该节点上游静态压力损失之和(单位：千帕)，v为该节点处的流速(单位：米/秒)。

本发明的方法的实施步骤为：

S1、通过本发明的系统的计算机窗口界面录入信息，定义各地区降雨、可用管材产品的基础性数据，其参数包括：降雨(地区、降雨强度、重现期)，雨水斗(型号、公称直径、设计流量、设计水深、阻力系数)，直通管(型号、材料类型、公称直径、材质系数、粗糙系数)，弯管(型号、公称直径、阻力系数)，三通管(型号、入口公称直径、斜插口公称直径、出口公称直径)，异径管(型号、大头公称直径、小头公称直径、突扩阻力系数、突缩阻力系数)，检查口(型号、公称直径、阻力系数)，排出口(型号、公称直径、阻力系数)，管径换算关系(管材类型、公称直径、计算内径)；

另外，本实施例还定义屋面雨水排水系统项目、屋面汇水及各管系，其参数包括：项目(项目名称、所在地区、项目描述、项目阶段、图纸信息)，汇水区(编号、汇水区结构、标高、选用雨水斗类型)，管系(编号、落水管编号、外地面标高、出水口标高、选用管材类型、选用水力计算公式)。

S2、使用者根据建筑物的屋面结构情况，划分汇水区。然后利用本发明的系统的辅助功能，计算每个汇水区的设计汇水面积F_W(单位：平方米)，确定屋面的径流系数ψ，确定重现期为p(单位：年)的降雨强度q(p)(单位：升/平方米秒)，并用公式一计算出每个汇水区的设计降雨量Q_W(单位：升/秒)，进而根据给定的雨水斗的设计泄水量r(单位：升/秒)，计算该汇水区所需雨水斗个数：N＝Q_W/r(单位：个)。

S3、使用者利用本发明的系统的计算机绘图工具，在计算机屏幕的窗口绘图区，绘制屋面天沟位置、天沟内雨水斗、天沟内立管位置、排出口位置、雨水管系平面图，注明雨水斗标高、悬吊管标高、排出管标高、管段管长。本发明的系统将自动识别出各管段及其流量，并对管段顺序进行编号；自动识别出每个管件、每个节点及其标高，并对管件和节点顺序进行分类编号，自动识别出管系的各分系统、各支管、悬吊管、水平管、立管、排出口及其长度，并按汇水次序关系从远到近顺序进行分类编号。

S4、使用以下方法，生成各管段的管径初值：

(1)支管初选管径：

①支管垂直管的初选管径取雨水斗的管径，并固定不变，计算其沿程损失i₁。

②用支管的允许沿程损失i_N(由公式二计算得)减去垂直管的沿程损失i₁(由公式三计算得)，得到支管的水平管的允许沿程损失i′_N，令水平管的允许沿程损失i′_N与设计沿程损失i₂相等，即i′_N＝i₂，即可计算得该支管的水平管的初选管径值，该值为其允许的最小管径值。

(2)干流初选管径：

从最上游的三通管出口开始沿水流方向，依次估算每个干流的初选管径，作为该干流上各管段的初选管径，方法为：①用公式二计算允许沿程损失其中H为从该干流入口到管系排出口间的垂直高度差(单位：米)，L为从该干流入口到管系排出口间的总长度(单位：米)，l为该干流的长度；②令该干流的允许沿程损失i_N与设计沿程损失i(由公式三计算得)相等，即i_N＝i，即可计算得该干流及其各管段的初选管径值，该值为其允许的最小管径值。

S5、利用验算规定四，根据公式四的子公式(即计算流速的子公式)可以计算出管系中各管段及各干流的最大允许管径值。

S6、根据产品库的可用产品规格，以及上述计算中得到的各管段最小、最大管径值，生成一个如表1所示的“允许管径矩阵表”，列出管系中各个干流及管段的允许管径(即最大最小管径间的所有可选管径)。由于各管段的流量及管材参数等已知，所以可计算出各管段在各允许管径下的坡度沿程损失(即水力坡降，利用公式三)、局部阻力损失(利用公式四)，并填写到“允许管径矩阵表”中。

表1

S7、针对各个干流，利用如表1所示的“允许管径矩阵表”，找到一组各干流的管径组合，使之满足以下三个条件，并把找到的各干流管径组合作为相应管段的新的初选管径(最小值)，同时简化“允许管径矩阵表”，即去掉各干流即相应管段中比新的最小值更小的管径的相关数据。具体地，所述简化“允许管径矩阵表”的条件如下：

1)、干流的管径必须是在“允许管径矩阵表”中；

2)、上游干流管径不大于下游干流管径；

3)、使最远端分系统满足验算规定一且其总静态损失最大，所述总静态损失等于该分系统各管段的沿程损失及局部阻力损失之和，分别采用公式三、公式四计算。

S8、从最上游的三通管开始往下游方向，依次优化各三通管的两个入口管段的管径，使之满足验算规定二。由于当前管系的管径设置已经满足条件一，所以只需按以下方法进行局部微调：①分别计算三通管两个入口处的内压(利用公式五)；②比较两个内压的大小；③若两个入口内压未满足验算规定二，则对内压偏小的入口，往大调整一级入口管段的管径；④重复上述操作直到该三通处的两个入口内压满足验算规定二。

S9、计算悬吊管与立管交点处的内压(利用公式五)，若该处内压(为负压)未满足验算规定三，则逐级调大该交点处的入口管段的管径，直到交点处的内压满足验算规定三。

S10、计算管系排出口处的流速(利用公式四计算流速的子公式)，若其内压未满足验算规定五，则逐级调大排出口所在管段的管径，直到满足验算规定五。

S11、至此，水力计算全部完成，得到了已优化好的管系各管段最终管径值。根据上述计算好的各管段的管径，查找产品库，找到管径最接近的三通管或弯管，使之匹配管段的管径。然后根据需要，添加相应异径管，使管系的相邻管件之间可以完全吻合套接。

S12、然后，刷新计算机绘图窗口上的管系图，使之与上述设计优化后得到的数据一致。

S13、最后，系统自动生成最终优化好的管系设计图及相应的水力计算表。设计人员检查确认无误后，启动材料计算程序，输出工程图纸、计算表和施工材料清单。

综上所述，本发明的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法、系统及存储介质具有以下优点：

1、本发明以计算机为工具，将水力计算及条件验算融合到屋面雨水排水系统的平面图绘制过程中，形成了一个虹吸式屋面雨水排水系统设计的自动化工具。

2、本发明使用固定图符来表示所绘制的排水系统的管件，在辅助绘图过程中，通过自动识别技术，管件只需放置在管系图的某一接点附件，即可被自动安置入管系中，无须通过人工方式逐一去挪移和对接接头，提高了绘图效率。

3、本发明设计了一套可以自动优化虹吸式屋面雨水排水系统的处理步骤，巧妙地安排了水力计算的参数初值及合规验算的次序和方法。通过生成各管段及各干流所允许的最小、最大管径，利用“允许管径矩阵表”方法进一步优化各干流最小管径，使后续的管系优化过程可以单向地只调大管径，并避免水力计算的递归反复，从而大大地提高自动生成管系的效率，并使自动生成的管系最简省。

4、本发明通过所述初选管径的方法，计算出的各初选管径是足够大的最小值且同时满足验算规定一，使后续的自动调整管径可以单向进行，只往大调，并且调整次数少。

5、本发明通过所述计算次序和方法，在计算得各管段及干流的最小允许管径，和利用验算规定四计算得最大允许管径，及所有可选管径后，按水流方向，依次调节各关键节点(即三通、悬吊管与立管交点、排出口)的入口管段的管径，使之满足节点压力平衡条件，即验算规定二、验算规定三和验算规定五，就完成了最终管径的选定。

6、本发明在确定管系的所有管段管径后，能够自动地添加弯管、三通管、异径管等管件，无须人工干预，使管系按最优可用管件无缝套接。

7、本发明的系统和方法可直接输出设计得的工程图纸、水力计算表和施工材料清单。

本发明以计算机为工具，将水力计算及条件验算融合到屋面雨水排水系统的平面图绘制过程中，形成了一个用于虹吸式屋面雨水排水系统设计的自动化工具。可协助排水系统设计人员方便快速地绘制和调整排水管道系统设计图，并自动而系统性地精确计算水力，进而自动地完善和优化排水管道系统的设计，得出符合专业技术要求的经济实用的虹吸式屋面雨水排泄管道系统的设计方案，直接输出工程图纸、计算表和施工材料清单。本发明能极大地节省虹吸式屋面雨水排水系统设计中所需要的脑力、体力和时间，更精确地设计出满足水力计算验算规定的最经济简省的排水系统。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

获取基础数据和定义信息；所述基础数据包括但不限于地区降雨数据、管材管件数据；所述定义信息包括但不限于项目信息、汇水区信息及管系信息；所述地区降雨数据包括但不限于降雨地区、降雨强度和降雨重现期；所述管材管件数据包括但不限于雨水斗数据、直通管数据、弯管数据、三通管数据、异径管数据、检查口数据、排出口数据和管径换算关系数据；所述项目信息包括但不限于项目名称、所在地区、项目描述、项目阶段和图纸信息；所述汇水区信息包括但不限于编号、汇水区结构、标高和选用雨水斗类型；所述管系信息包括但不限于编号、落水管编号、外地面标高、出水口标高、选用管材类型和选用水力计算公式；

计算所需雨水斗个数；

根据计算的雨水斗个数，绘制管系的初步平面图；

通过水力计算确定所述管系的管径；

根据管系的初步平面图和管系的管径，生成屋面雨水排水管系设计图。

2.根据权利要求1所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，其特征在于：所述通过水力计算确定所述管系的管径这一步骤，包括以下步骤：

计算所述管系的各管段的初选管径；

根据各管段的初选管径，计算所述各管段及所述管段包含的各管件的实际设计管径；

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，选定合适的三通管或弯管或异径管。

3.根据权利要求2所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，其特征在于：所述计算所述管系的各管段的初选管径这一步骤，包括以下步骤：

计算出所述管系中管段的最小允许管径；

计算出所述管系中管段及干流的最大允许管径；

根据计算的最小允许管径和最大允许管径，建立允许管径矩阵表；

对允许管径矩阵表进行优化，得到初选管径。

4.根据权利要求3所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，其特征在于：所述根据各管段的初选管径，计算所述各管段及所述管段包含的各管件的实际设计管径这一步骤，包括以下步骤：

根据允许管径矩阵表，对所述管系的每个三通管的一端入口管段的管径进行逐级调大；

根据允许管径矩阵表，对所述管系的悬吊管与立管交点处的入口管段的管径进行逐级调大；

根据允许管径矩阵表，对所述管系的排出口所在管段的管径进行逐级调大。

5.根据权利要求2所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，其特征在于：所述根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，选定合适的三通管或弯管或异径管这一步骤，包括以下步骤：

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，对所述管系的每个三通管进行优化替换；

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，对所述管系的每个弯管进行优化替换；

根据各管段及所述管段所包含的各管件的实际设计管径，在所述管系的每一对相邻管件间，优化替换异径管。

6.根据权利要求3所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，其特征在于：所述计算出所述管系中管段的最小允许管径这一步骤，包括以下步骤：

对于所述管系的每个支管，计算所述支管的垂直管的最小允许管径；

对于所述管系的每个支管，计算所述支管的水平管的最小允许管径；

从所述管系的最上游的三通管出口开始，沿水流方向，依次计算所述管系的每个干流的管段的最小允许管径。

7.根据权利要求3所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，其特征在于：所述根据计算的最小允许管径和最大允许管径，建立允许管径矩阵表这一步骤，包括以下步骤：

创建允许管径矩阵表，填入所述管系的所有管段、所有干流及其流量；

根据管件基础数据，将计算得到的最小允许管径作为下界限，将计算得到的最大允许管径作为上界限，然后根据上界限和下届限将所述管系的各管段和各干流的所有允许管径填入所述允许管径矩阵表中；

计算出所述允许管径矩阵表中各允许管径下的坡度沿程损失，并将计算得到的坡度沿程损失填入所述允许管径矩阵表中；

计算出所述允许管径矩阵表中各允许管径下的局部阻力损失，并将所述局部阻力损失填入所述允许管径矩阵表中。

8.根据权利要求3所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法，其特征在于：所述对允许管径矩阵表进行优化，得到初选管径这一步骤，包括以下步骤：

计算所述管系的最远端分系统的总位差；

针对所述允许管径矩阵表中任何一组升序干流管径组合，计算出所述管系的最远端分系统在所述升序干流管径组合下的总沿程损失；所述升序干流管径组合，是指上游干流管径不大于下游干流管径的干流管径组合；

计算出所述管系的最远端分系统在所述升序干流管径组合下的总局部阻力损失；

根据总沿程损失和总局部阻力损失，计算出所述管系的最远端分系统在所述升序干流管径组合下的总静态损失；

根据总位差和各升序干流管径组合下的总静态损失，计算得到一组最佳干流管径组合；

将计算出的所述最佳干流管径组合设定为所述管系的各干流的新的最小允许管径；

从所述允许管径矩阵表的各干流数据及其所含管段数据中，删掉比所述最佳管径组合小的允许管径数据；

将允许管径矩阵表中各干流和各管段的所述新的最小允许管径作为所述管系的初选管径。

9.屋面虹吸雨水系统的辅助设计系统，其特征在于：包括：

数据维护模块，用于获取基础数据、维护基础数据、定义项目信息、定义汇水区信息及定义管系信息，所述基础数据包括但不限于地区降雨数据、管材管件数据；

绘图模块，用于绘制管系的初步平面图，以及显示最终调整好管件和管径的屋面雨水排水管系设计图；

识别模块，用于识别出所绘制的管系图中的构件和所述构件对应的参数，所述构件包括但不限于管段、管件、节点、分系统、支管、悬吊管、水平管、立管和排出口；所述参数包括管段的长度、管段的流量、管件的标高、节点的标高、分系统的长度、支管的长度、悬吊管的长度、水平管的长度、立管的长度管和排出口的长度；

计算模块，用于计算汇水区降雨量、雨水斗数、管段允许沿程损失、管段设计沿程损失、管件局部阻力损失、流速和节点内压；

验算和调优模块，用于验算管系是否满足验算规定，还用于生成允许管径矩阵表，并根据所述允许管径矩阵表调整管系的管段管径，使所述管系满足所述验算规定；

结果输出模块，用于根据设计好的屋面雨水排水管系设计图，进行材料计算，输出所述项目的工程图纸、水力计算表和施工材料清单；

数据库模块，用于存放基础数据、定义信息，和屋面雨水排水管系的设计结果数据与中间过程数据。

10.一种存储介质，其中存储有处理器可执行的指令，其特征在于：所述处理器可执行的指令在由处理器执行时用于执行如权利要求1-8任一项所述的屋面虹吸雨水系统的辅助设计方法。