多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法及系统，该方法包括：S1、基于BIM软件平台建立整体建筑屋面三维模型，建立虹吸式排水系统各设备的BIM数据库；S2、对建筑屋面进行分析；S3、结合建筑屋面分析结果与当地水文气象，对各汇水区域进行排水系统初步参数计算分析；S4、在BIM数据库中选取各排水设备，并且建立完整的排水系统BIM模型；S5、将完整的排水系统BIM模型转化为CFD网格模型并进行虹吸数值仿真分析；S6、判断排水系统是否满足评价指标；若是，则输出结果；若否，则调用智能优化算法进行排水系统方案迭代设计，并重复步骤S4

【技术实现步骤摘要】
多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法及系统


[0001]本专利技术属于建筑屋面雨水排水系统设计领域和CFD数值仿真应用领域，具体涉及一种多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法及系统。

技术介绍

[0002]随着大跨空间结构设计与施工技术的日益发展，屋面造型复杂多样的高大空间建筑在体育场馆、机场车站、商业综合体等类型工程中得到广泛应用。对于大跨建筑而言，虹吸式屋面雨水排水系统相比传统重力式屋面雨水排水系统，具有排水效率高、设计布局灵活等优点，有着极大的市场潜力。虹吸式屋面雨水排水系统的技术原理是利用屋面与地面的高差所形成的水头，依靠特殊的雨水斗实现气水分离，使管道中充满雨水而呈负压状态，从而产生虹吸作用并快速排放雨水。
[0003]然而，现有的多斗虹吸式排水系统计算与设计方法主要存在如下缺陷或不足：1)基于理论分析无法实时反映大跨度建筑屋面排水系统管道每一处截面的流速和压力等指标变化情况；2)计算公式多数是通过经验或总结得到的，对于管道水头损失等参数无法进行精确计算，设计上的误差可能会造成运行失效或者非虹吸模式，从而导致排水故障甚至发生溢流现象；3)方案阶段足尺模拟试验成本较高，并且难以对各种复杂边界的流动现象开展分析；4)多斗系统相较于单斗系统而言，多个雨水斗之间的水力条件会相互影响，整个系统更加庞大与复杂，现有单斗系统研究成果并不能完全适用于多斗系统；5)现有计算流体力学(CFD)数值模拟虽然能开展多斗排水系统排水过程仿真，但是现有公开方法和研究仍未能将CFD技术与BIM三维设计协同结合，形成一套充分发挥BIM模型性能化分析优势的排水系统自动设计流程。
[0004]近年来，建筑信息模型(BIM)技术与智能化设计技术在建筑设计领域发展迅速且得到广泛应用：前者可以促进设计过程中各专业的高效协同，将建筑技术与信息技术相结合，改变传统管理模式，完善从设计到施工的整个建设流程，减少资源消耗及提高经济效益，实现建筑全生命期的信息共享；后者可以通过定义好的逻辑来快速完成整个设计流程，或者加入某些规则与限制条件自动对设计结果进行迭代优化，实现高效、精确的设计。
[0005]总结该工程领域现有技术现状，本专利技术针对建筑屋面多斗虹吸式排水系统计算和设计方法的不足和存在问题，提出了一种基于动态雨水仿真的多斗虹吸式屋面排水系统智能设计方法，该方法构建了一套模块化的自动迭代分析流程，协同融合动态雨水仿真和多斗虹吸排水系统设计过程，不仅能够为设计结果的精确性提供有力数据支撑，而且可以大幅提高设计流程的数字化与智能化。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于，提供一种基于动态雨水仿真的多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法及系统，为建筑方案设计阶段和施工阶段大跨建筑屋面虹吸排水系统性能和优化分析提供新的技术支撑。本专利技术建立了一套基于模块化的多斗虹吸式屋面排水系统自动化分
析设计流程方法，既能够在BIM三维设计中协同应用CFD技术，高精度地动态仿真排水系统在多降雨工况中排水性能，为多斗排水系统的各个组件部位的型号尺寸、布置方式选型提供高效分析手段；同时通过参数化编程方式，可以将屋面汇水区域分析、初步计算、方案生成、仿真模拟、性能评估以及设计优化等步骤以模块化形式搭建一套智能设计流程，极大程度提高整个设计流程的数字化与智能化。
[0007]本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0008]一种多斗虹吸式屋面排水系统的设计系统，包括：
[0009]模型建立模块，用于基于BIM软件平台建立整体建筑屋面三维模型；
[0010]数据库模块，用于对虹吸式屋面雨水排水系统设备进行搜集与整理，建立虹吸式排水系统各设备的BIM数据库；
[0011]径流分析模块，用于对建筑屋面进行分析，包括屋面雨水径流分析与屋面汇水区域划分；
[0012]初步计算模块，用于结合建筑屋面分析结果与当地水文气象，对各汇水区域进行排水系统初步参数计算分析；
[0013]方案生成模块，用于依据排水系统初步参数计算分析结果，在BIM数据库中选取各排水设备，并且建立完整的排水系统BIM模型；
[0014]数值仿真模块，用于将完整的排水系统BIM模型转化为CFD网格模型并进行虹吸数值仿真分析，分析内容包括排水系统的整体性能与排水系统在各种工况下的运行过程；
[0015]智能优化模块，用于判断排水系统是否满足评价指标；若是，则输出结果；若否，则调用智能优化算法进行排水系统方案迭代设计，并重复步骤S4
‑
S5，直至满足既定虹吸式排水系统评价指标。
[0016]一种基于动态雨水仿真的多斗虹吸式屋面排水系统智能设计方法，该方法包括以下实现步骤：
[0017]S1、基于BIM软件平台建立整体建筑屋面三维模型，并且对常见、常用的虹吸式屋面雨水排水系统设备进行资料搜集与整理，建立虹吸式排水系统各设备的BIM数据库；
[0018]S2、利用径流分析模块，对建筑屋面进行智能分析，主要包括动态雨水汇水模拟与屋面汇水区域划分等内容；
[0019]S3、利用初步计算模块，结合步骤S2中径流分析模块输出的结果与工程场地当地水文气象资料，对各汇水区域进行排水系统初步参数计算分析；
[0020]S4、利用方案生成模块，依据计算与分析结果，自动在BIM模型数据库中选取各排水设备，并且建立完整的排水系统BIM模型；
[0021]S5、利用数值仿真模块，自动将BIM模型转化为CFD网格模型并进行虹吸数值仿真，分析内容主要包括排水系统的整体性能与排水系统在各种工况下的运行过程；
[0022]S6、利用智能优化模块，通过调用各类智能优化算法进行方案的迭代设计，不断重复步骤S4
‑
S5，直至满足既定虹吸式排水系统评价指标，在此过程中可以通过可视化模块观察仿真结果，或通过交互更改模块对设计过程进行参数调控。
[0023]进一步地，步骤S1中BIM软件平台包括Revit、Rhino或CATIA等。
[0024]进一步地，步骤S1中建筑屋面BIM三维模型必须与实际建筑屋面造型一致，能够真实地反映建筑屋面坡度等几何特征。
[0025]进一步地，步骤S1中虹吸式屋面雨水排水系统各设备主要包括：天沟、虹吸式雨水斗、无坡度雨水悬吊管、雨水立管、埋地管、排出管、管道接头等，搭建的数据库主要包含信息有：各部位组件的型号、尺寸、设计泄流量、平均造价等。
[0026]进一步地，步骤S2中径流分析模块，主要包含屋面雨水径流分析功能与屋面汇水区域划分功能。
[0027]进一步地，屋面雨水径流分析具体方法为：在建筑屋面三维模型上随机取若干个点来模拟雨水，点的数量不能过少，这样无法真实反映雨水在屋面上的汇聚情况，过多的点又会导致计算过程变长，造成算力浪费，因此选取的点要以能够覆盖屋面的所有部位且具有适量密度为宜。以选取点为雨水初始位置，找到该点沿屋面曲面向下的向量，以此模拟雨点受重力作用下在屋面上行进的方向，然后按照设置的雨水流动速度，将该点朝着这一方向移动，最后本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、基于BIM软件平台建立整体建筑屋面三维模型，对虹吸式屋面雨水排水系统设备进行搜集与整理，建立虹吸式排水系统各设备的BIM数据库；S2、对建筑屋面进行分析，包括屋面雨水径流分析与屋面汇水区域划分；S3、结合建筑屋面分析结果与当地水文气象，对各汇水区域进行排水系统初步参数计算分析；S4、依据排水系统初步参数计算分析结果，在BIM数据库中选取各排水设备，并且建立完整的排水系统BIM模型；S5、将完整的排水系统BIM模型转化为CFD网格模型并进行虹吸数值仿真分析，分析内容包括排水系统的整体性能与排水系统在各种工况下的运行过程；S6、判断排水系统是否满足评价指标；若是，则输出结果；若否，则调用智能优化算法进行排水系统方案迭代设计，并重复步骤S4
‑
S5，直至满足既定虹吸式排水系统评价指标。2.根据权利要求1的多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法，其特征在于，BIM软件平台包括Revit、Rhino和CATIA，CFD分析软件包括xflow、fluent和openfoam。3.根据权利要求1的多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法，其特征在于，虹吸式屋面雨水排水系统设备包括：天沟、虹吸式雨水斗、无坡度雨水悬吊管、雨水立管、埋地管、排出管和管道接头，建立的数据库包括：各设备的三维模型及其型号、尺寸、设计泄流量和平均造价。4.根据权利要求1的多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法，其特征在于，屋面雨水径流分析具体为：在建筑屋面三维模型上随机取若干个点来模拟雨水，选取的点覆盖屋面的所有部位且具有适量密度；以选取点为雨水初始位置，找到该点沿屋面曲面向下的向量，模拟雨点受重力作用下在屋面上行进的方向，然后按照设置的雨水流动速度，将该点朝着这一方向移动，最后找到移动后的点在屋面曲面上的最近点，如果最近点的高度坐标小于初始点，证明该雨滴的确在向下流动，则最近点为有效点，否则则为无效点；循环上述步骤直到收敛或达到最大计算迭代次数，将各初始点与计算过程中的有效点连接成曲线，即可得到径流曲线，实现屋面曲面的径流分析。5.根据权利要求4的多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法，其特征在于，屋面汇水区域划分具体为：依据屋面径流分析所得到的结果发现，所有雨水点最终都聚集在屋面曲面上的某些部位，即为最终汇水位置，结合雨水点的初始位置获取每个汇水位置具体对应的整个屋面曲面部分，最后按照汇水位置与汇水面积将屋面曲面划分为多个汇水区域。6.根据权利要求1的多斗虹吸式屋面排水系统的设计方法，其特征在于，排水系统初步参数计算分析包括：建筑屋面设计雨水流量按下式计算：式中，q
y
为设计雨水流量，q
j
为设计暴雨强度，Ψ为径流系数，F
w
...

【专利技术属性】
技术研发人员：张慎，孟凡凯，王义凡，杨泽旺，程明，辜文飞，
申请(专利权)人：中南建筑设计院股份有限公司，
类型：发明
国别省市：