CN113626910B - 一种穿孔屋面汇水面积计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种穿孔屋面汇水面积计算方法，包括以下步骤：S1、获取穿孔屋面的设计CAD图纸，并计算得到不同穿孔板的开孔率；S2、根据不同穿孔板的开孔率，进一步计算不同穿孔板的透水率；S3、采用Grasshopper模拟雨滴经流穿孔板水量衰减的过程，在屋面边缘进行汇水百分比统计，以得到屋面汇水面积。与现有技术相比，本发明解决了在可渗透材料影响下汇水面积的计算问题，在设计复杂穿孔屋面的情况下，能够有效提高屋面汇水面积的计算效率和准确性。

Description

一种穿孔屋面汇水面积计算方法

技术领域

本发明涉及屋面建筑设计技术领域，尤其是涉及一种穿孔屋面汇水面积计算方法。

背景技术

随着现代建筑技术的飞速发展，建筑造型的设计也是日新月异，但是复杂的建筑造型，特别是复杂的建筑屋面随之带来的是屋面雨水排水系统的设计问题。许多建筑项目为了造型的需要，设计了双层的屋面：上层屋面为穿孔板，下层则为传统的平屋面或其他常规几何形式。传统的设计方法是按照屋面的水平投影面积计算出屋面的汇水面积，然后依照《建筑给水排水设计标准》的规定，选取合适的参数进行给水排水的设计，排水方式大多采用重力式排水系统或者虹吸式排水系统。

然而，传统的给排水设计师在用水平投影面积计算汇水面积的时候，规范提供的公式均为刚性不透水屋面情况，所以这种方法并不适用于穿孔板屋面，即穿孔板作为屋面对汇水的影响是无法根据现有规范计算得出的。如果汇水面积计算不当，必然会造成雨水量的计算不准确，因此为防止屋面雨水不能及时排出而发生溢流，在无法明确得知汇水面积的情况下，目前只能直接采用增加置雨水斗数量，加大落水管的管径，或采用虹吸式排水系统等方式，这就会大大增加屋面的成本造价、也必然影响原有的设计方案。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种穿孔屋面汇水面积计算方法，以对复杂的穿孔屋面的汇水面积进行准确可靠的计算。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种穿孔屋面汇水面积计算方法，包括以下步骤：

S1、获取穿孔屋面的设计CAD图纸，并计算得到不同穿孔板的开孔率；

S2、根据不同穿孔板的开孔率，进一步计算不同穿孔板的透水率；

S3、采用Grasshopper模拟雨滴经流穿孔板水量衰减的过程，在屋面边缘进行汇水百分比统计，以得到屋面汇水面积。

进一步地，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、获取穿孔屋面的设计CAD图纸；

S12、将CAD图纸导入Grasshopper，通过清除无关数据、组合曲线以及筛选处理，确定出孔边缘以及穿孔板边缘；

S13、根据孔边缘以及穿孔板边缘，分别计算对应的闭合区域面积；

S14、结合孔洞闭合区域总面积以及对应穿孔板闭合区域面积，计算得到不同穿孔板的开孔率。

进一步地，所述步骤S12具体包括以下步骤：

S121、将CAD图纸导入Grasshopper；

S122、清除CAD图纸上的无关数据；

S123、将清除无关数据之后的CAD图纸的所有曲线进行组合操作，得到多个闭合曲线；

S124、若闭合曲线的长度大于或等于设定阈值，则判断该闭合曲线为穿孔板边缘，否则判断该闭合曲线为孔边缘。

进一步地，所述无关数据包括图框和注释文字。

进一步地，所述步骤S13具体包括以下步骤：

S131、确定穿孔板边缘与其内部包含的孔边缘的对应关系，以将不同穿孔板边缘及其内部的孔划分为一组；

S132、计算穿孔板边缘闭合区域面积以及该穿孔板内部所有孔洞的面积。

进一步地，所述步骤S14具体是将穿孔板内部所有孔洞的总面积除以该穿孔板闭合区域面积，以得到该穿孔板的开孔率。

进一步地，所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、根据不同穿孔板的开孔率数值大小，对不同穿孔板进行分类，统计得到穿孔板种类；

S22、根据穿孔板种类，对应加工出不同种类的穿孔板样板；

S23、根据设计的穿孔板角度，将穿孔板样板进行角度固定；

S24、根据设计的降雨量，通过设备在穿孔板样板上模拟降水过程，使雨水均匀降落在穿孔板样板表面；

S25、收集透过穿孔板样板的雨水以及沿穿孔板样板流动的雨水，通过体积测量，对应得到该穿孔板的透水率。

进一步地，所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、采用Grasshopper绘制屋面模型，在屋面表面随机散布一些列的采样点，以作为待分析的“雨滴”；

S32、模拟出“雨滴”落在屋面流动所形成的水流迹线；

S33、根据穿孔板的透水率，计算得到穿过该穿孔板的水的存活率；

S34、根据水流迹线，确定每条水流迹线流经的穿孔板，结合穿孔板对应的存活率，计算得到水流迹线的雨滴到达屋面边缘时的雨水存活率；

S35、根据水流迹线得出最终的雨水汇集点，统计每条边缘线上的水流迹线数量，把每条屋面边缘线的所有水流迹线的雨水存活率相加，得出此屋面边缘的总存活率；

S36、将屋面边缘的总存活率除以雨滴总数，得到该雨水汇集点的汇水百分比，之后将汇水百分比乘以屋面总面积，及得到该屋面边缘对应的汇水面积；

S37、重复执行步骤S34～S35，以得到每个屋面边缘对应的汇水面积，即完成穿孔屋面汇水面积的计算。

进一步地，所述步骤S34中水流迹线的雨滴到达屋面边缘时的雨水存活率具体为：

P_{边缘雨水存活率}＝P_存活率1×P_存活率2×…×P_存活率n

其中，P_{边缘雨水存活率}是雨水经过特定水流迹线到达屋面边缘后的存活率，P_存活率n是经流穿孔板n的水的存活率。

进一步地，所述步骤S36中雨滴总数即为对应于该雨水汇集点的水流迹线的总数。

与现有技术相比，本发明提出一种穿孔屋面汇水面积计算方法，通过物理实验测量出穿孔板的透水率，以及利用Grasshopper进行汇水模拟计算出径流可渗透屋面形成的汇水面积，由此解决了在可渗透材料影响下的汇水面积计算问题，尤其在复杂穿孔屋面情况下，能够大大提高计算效率，且能保证计算的准确可靠性；

本发明通过模拟“雨滴”落在屋面流动所形成的水流迹线，利用设计的雨滴数量，结合水流迹线的雨水的存活率，能够计算得到精确度较高的汇水面积，以此能够保证后续给排水系统设计的科学化，有利于节省成本造价。

附图说明

图1为本发明的方法流程示意图；

图2为实施例的应用过程示意图；

图3为实施例中计算穿孔板开孔率的过程示意图；

图4为实施例中计算汇水面积的过程示意图；

图5为实施例中屋面三角形穿孔板示意图；

图6为实施例中屋面水流迹线示意图；

图7为实施例中屋面边缘线示意图；

图8为实施例中汇水面积分析结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种穿孔屋面汇水面积计算方法，包括以下步骤：

S1、获取穿孔屋面的设计CAD图纸，并计算得到不同穿孔板的开孔率，具体的：

首先获取穿孔屋面的设计CAD图纸；

之后将CAD图纸导入Grasshopper，通过清除无关数据、组合曲线以及筛选处理，确定出孔边缘以及穿孔板边缘，其中，CAD图纸上的无关数据包括图框和注释文字，将清除无关数据之后的CAD图纸的所有曲线进行组合操作，以得到多个闭合曲线，若闭合曲线的长度大于或等于设定阈值，则判断该闭合曲线为穿孔板边缘，否则判断该闭合曲线为孔边缘；

再根据孔边缘以及穿孔板边缘，分别计算对应的闭合区域面积，先确定穿孔板边缘与其内部包含的孔边缘的对应关系，以将不同穿孔板边缘及其内部的孔划分为一组；然后计算穿孔板边缘闭合区域面积以及该穿孔板内部所有孔洞的面积；

最后结合孔洞闭合区域总面积以及对应穿孔板闭合区域面积，计算得到不同穿孔板的开孔率，具体是将穿孔板内部所有孔洞的总面积除以该穿孔板闭合区域面积，以得到该穿孔板的开孔率；

S2、根据不同穿孔板的开孔率，进一步计算不同穿孔板的透水率，具体的：

首先根据不同穿孔板的开孔率数值大小，对不同穿孔板进行分类，统计得到穿孔板种类；

之后根据穿孔板种类，对应加工出不同种类的穿孔板样板；

再根据设计的穿孔板角度，将穿孔板样板进行角度固定；

然后根据设计的降雨量，通过设备在穿孔板样板上模拟降水过程，使雨水均匀降落在穿孔板样板表面；

最后收集透过穿孔板样板的雨水以及沿穿孔板样板流动的雨水，通过体积测量，对应得到该穿孔板的透水率；

S3、采用Grasshopper模拟雨滴经流穿孔板水量衰减的过程，在屋面边缘进行汇水百分比统计，以得到屋面汇水面积，具体的：

S31、采用Grasshopper绘制屋面模型，在屋面表面随机散布一些列的采样点，以作为待分析的“雨滴”；

S32、模拟出“雨滴”落在屋面流动所形成的水流迹线；

S33、根据穿孔板的透水率，计算得到穿过该穿孔板的水的存活率；

S34、根据水流迹线，确定每条水流迹线流经的穿孔板，结合穿孔板对应的存活率，计算得到水流迹线的雨滴到达屋面边缘时的雨水存活率：

P_{边缘雨水存活率}＝P_存活率1×P_存活率2×…×P_存活率n

其中，P_{边缘雨水存活率}是雨水经过特定水流迹线到达屋面边缘后的存活率，P_存活率n是经流穿孔板n的水的存活率；

S35、根据水流迹线得出最终的雨水汇集点，统计每条边缘线上的水流迹线数量，把每条屋面边缘线的所有水流迹线的雨水存活率相加，得出此屋面边缘的总存活率；

S36、将屋面边缘的总存活率除以雨滴总数(雨滴总数即为对应于该雨水汇集点的水流迹线的总数)，得到该雨水汇集点的汇水百分比，之后将汇水百分比乘以屋面总面积，及得到该屋面边缘对应的汇水面积；

S37、重复执行步骤S34～S35，以得到每个屋面边缘对应的汇水面积，即完成穿孔屋面汇水面积的计算。

本实施例应用上述技术方案的过程如图2所示，主要包括：

1.根据设计CAD图纸统计穿孔板类型数量、开孔率；

2.计算该方案屋面的水流迹线；

3.计算不同穿孔板的透水率；

4.用Grasshopper进行模拟雨滴经流穿孔板水量衰减的过程，并最终在屋面边缘进行汇水量统计。

其中，在计算不同穿孔板的开孔率时，如图3所示：

a.将穿孔板CAD图纸导入至Grasshopper；

b.此时的图纸往往有很多无关信息，比如图框，注释的文字等等，这些无关信息在图纸中都是以线的形式存在，会影响后续的程序运行效率和识别，可以手动删除也可以用过滤算法进行过滤，以将无关信息清理掉；

c.对当前文件的所有曲线执行组合命令(只有闭合的区域才能在后面测算出面积)；

d.现在图纸上存在的只有若干穿孔板边缘和内部的孔洞。因为单个孔洞较小，所以其长度和穿孔板边缘长度相比较不在一个数量级上，所以测量出所有曲线的长度，对其进行筛选，长度明显较长的是穿孔板边缘，短的统统归类为孔洞。

e.确定穿孔板边缘及其内部包含的孔洞边缘的对应关系，每一个穿孔板及其内部的孔洞为一组。

f.计算每个穿孔板闭合区域和这个范围内所有孔洞的面积。

g.孔洞总面积除以穿孔板总面积，即可得到每块穿孔板对应的开孔率。

在计算不同穿孔板的透水率时：

a.根据开孔率归纳整理穿孔板类型，如48％、49％、51％开孔率统一归并为50％类型，统计出所有的种类；

b.根据穿孔板种类，对应每种加工出样板；

c.根据设计方案的穿孔板角度，将穿孔板角度固定；

d.根据设计降雨量，通过设备在穿孔板模拟降水情况，并使“雨水”均匀的降落在穿孔板表面；

e.分别收集透过穿孔板的“雨水”，和沿着穿孔板流走的“雨水”，测量体积，并计算得出该穿孔率下的透水率。

本实施例采用物理模拟方式计算穿孔板的透水率，实际应用中还可采用CFD流体模拟软件的方式进行透水率计算。

最后就是采用Grasshopper进行模拟雨滴经流穿孔板水量衰减的过程，并在屋面边缘进行汇水百分比统计，如图4所示：

a.在屋面表面(如图5所示)随机散布一些列的采样点，作为待分析的“雨滴”，“雨滴”数量可根据需求的精度自定义，精度越高则分析的结果越精确。

b.模拟出“雨滴”落在屋面流动所形成的水流迹线，如图6所示，图6中穿孔板边缘已经被隐藏。

c.基于前述得到的不同开孔率穿孔板的透水率，1减去透水率即为穿过该穿孔板之后的水的存活率。(举例：穿过该板之前的水量如果是100％，假设这块板透水率为90％，那么这块板的存活率就是10％，即有水从头到尾流过这块板，从这块板流出的时候只剩下了当初水量的10％)，由此获取所有的穿孔板的水的存活率、并进行排序、统计他们的开孔率，之后根据开孔率绑定存活率，使得每块穿孔板都有对应的存活率。

d.计算出水流迹线的所经过的穿孔板，(比如水流迹线1依次经过了穿孔板A、B、C…，其对应的存活率分别为存活率A，存活率B，存活率C)。因为已经知道了每个穿孔板所对应的存活率，就能计算出此水流迹线的雨滴达到屋面边缘时的雨水存活率，公式如下：

P_{边缘雨水存活率}＝P_存活率A×P_存活率B×P_存活率C×…×P_存活率n

其中，P_{边缘雨水存活率}是雨水经过特定水流迹线到达屋面边缘后的存活率，P_存活率n是经流特定的穿孔板n的存活率。

e.根据水流迹线得出最终的雨水汇集点(示例项目雨水最终汇集到了屋面的边缘，汇集到其他部位只需要改变一下最终统计数量部位就可以了)，统计每条边缘线上的水流迹线数量(屋面边缘线如图7所示)，把每条屋面边缘线的所有水流迹线的存活率相加，得出此屋面边缘的总存活率。

f.计算出整个屋面的面积使用此边缘的存活率相加结果除以“雨滴”总数(雨滴总数等于迹线数量，因为每个雨滴都对应一条迹线)即为该汇水点的汇水百分比，汇水百分比乘以屋面总面积，即为该条边缘所对应的汇水面积。

重复d，e，f计算出每条屋面边缘线的汇水面积(最终结果如图8所示)，基于此汇水面积能够有效辅助后续给排水系统设计。

综上所述，本发明提出了一种计算方法，可以用来计算穿孔板屋面的汇水面积(在此之前无法计算，仅能凭经验数据估算)，具有高效的优点：整个计算过程高度自动化，可以在短时间内给出所需要结论，设计方案更改也只需要重新运算一次即可(因为穿孔板透水率和方案无关)；

具有精确的优点：根据预设的“水滴”数量，就可以得到高精度的汇水面积，以此为依据进行科学化的给排水系统设计，同时节省资金。

同时具有适应性强的优点：该分析方案可以适用于异形屋面和普通屋面。

Claims (7)

1.一种穿孔屋面汇水面积计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取穿孔屋面的设计CAD图纸，并计算得到不同穿孔板的开孔率；

S2、根据不同穿孔板的开孔率，进一步计算不同穿孔板的透水率；

S3、采用Grasshopper模拟雨滴经流穿孔板水量衰减的过程，在屋面边缘进行汇水百分比统计，以得到屋面汇水面积；

所述步骤S2具体包括以下步骤：

S21、根据不同穿孔板的开孔率数值大小，对不同穿孔板进行分类，统计得到穿孔板种类；

S22、根据穿孔板种类，对应加工出不同种类的穿孔板样板；

S23、根据设计的穿孔板角度，将穿孔板样板进行角度固定；

S24、根据设计的降雨量，通过设备在穿孔板样板上模拟降水过程，使雨水均匀降落在穿孔板样板表面；

S25、收集透过穿孔板样板的雨水以及沿穿孔板样板流动的雨水，通过体积测量，对应得到该穿孔板的透水率；

所述步骤S3具体包括以下步骤：

S31、采用Grasshopper绘制屋面模型，在屋面表面随机散布一些列的采样点，以作为待分析的“雨滴”；

S32、模拟出“雨滴”落在屋面流动所形成的水流迹线；

S33、根据穿孔板的透水率，计算得到穿过该穿孔板的水的存活率；

S34、根据水流迹线，确定每条水流迹线流经的穿孔板，结合穿孔板对应的存活率，计算得到水流迹线的雨滴到达屋面边缘时的雨水存活率，所述水流迹线的雨滴到达屋面边缘时的雨水存活率具体为：

P_{边缘雨水存活率}＝P_存活率1×P_存活率2×…×P_存活率n

其中，P_{边缘雨水存活率}是雨水经过特定水流迹线到达屋面边缘后的存活率，P_存活率n是经流穿孔板n的水的存活率；

S35、根据水流迹线得出最终的雨水汇集点，统计每条边缘线上的水流迹线数量，把每条屋面边缘线的所有水流迹线的雨水存活率相加，得出此屋面边缘的总存活率；

S36、将屋面边缘的总存活率除以雨滴总数，得到该雨水汇集点的汇水百分比，之后将汇水百分比乘以屋面总面积，及得到该屋面边缘对应的汇水面积；

S37、重复执行步骤S34～S35，以得到每个屋面边缘对应的汇水面积，即完成穿孔屋面汇水面积的计算。

2.根据权利要求1所述的一种穿孔屋面汇水面积计算方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

S11、获取穿孔屋面的设计CAD图纸；

S12、将CAD图纸导入Grasshopper，通过清除无关数据、组合曲线以及筛选处理，确定出孔边缘以及穿孔板边缘；

S13、根据孔边缘以及穿孔板边缘，分别计算对应的闭合区域面积；

S14、结合孔洞闭合区域总面积以及对应穿孔板闭合区域面积，计算得到不同穿孔板的开孔率。

3.根据权利要求2所述的一种穿孔屋面汇水面积计算方法，其特征在于，所述步骤S12具体包括以下步骤：

S121、将CAD图纸导入Grasshopper；

S122、清除CAD图纸上的无关数据；

S123、将清除无关数据之后的CAD图纸的所有曲线进行组合操作，得到多个闭合曲线；

S124、若闭合曲线的长度大于或等于设定阈值，则判断该闭合曲线为穿孔板边缘，否则判断该闭合曲线为孔边缘。

4.根据权利要求3所述的一种穿孔屋面汇水面积计算方法，其特征在于，所述无关数据包括图框和注释文字。

5.根据权利要求2所述的一种穿孔屋面汇水面积计算方法，其特征在于，所述步骤S13具体包括以下步骤：

S131、确定穿孔板边缘与其内部包含的孔边缘的对应关系，以将不同穿孔板边缘及其内部的孔划分为一组；

S132、计算穿孔板边缘闭合区域面积以及该穿孔板内部所有孔洞的面积。

6.根据权利要求5所述的一种穿孔屋面汇水面积计算方法，其特征在于，所述步骤S14具体是将穿孔板内部所有孔洞的总面积除以该穿孔板闭合区域面积，以得到该穿孔板的开孔率。

7.根据权利要求1所述的一种穿孔屋面汇水面积计算方法，其特征在于，所述步骤S36中雨滴总数即为对应于该雨水汇集点的水流迹线的总数。