1.本发明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。
背景技术：2.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。
3.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。
4.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。
5.总结该工程领域现有技术现状，本发明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。
技术实现要素：6.本发明的目的在于，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。本发明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。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种多斗虹吸式屋面排水系统的设计系统，包括：
9.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；
10.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；
11.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；
12.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；
13.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；
14.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；
15.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。
16.一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：
17.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；
18.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；
19.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；
20.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；
21.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；
22.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。
23.进一步地，步骤s1中bim软件平台包括revit、rhino或catia等。
24.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。
25.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。
26.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。
27.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，最后找到移动后的点在屋面曲面上的最近点，如果最近点的z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。
28.进一步地，屋面汇水区域划分具体方法为：依据屋面径流分析所得到的结果可以发现，所有雨水点最终都会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容易知道每个汇水位置具体对应整个屋面曲面的哪一部分，同时依据规范中规定，一个虹吸式多斗系统服务的汇水面积不宜大于2500m2，即可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。
29.进一步的，步骤s3中初步计算模块，主要依据以下计算公式来实现：
30.依据现有规范《建筑给水排水设计标准》，建筑屋面设计雨水流量应按下式计算：
[0031][0032]
式中，qy为设计雨水流量(l/s)，qj为设计暴雨强度[l/(s
·
hm2)]，ψ为径流系数，fw为汇水面积(m2)。设计暴雨强度应按照当地或相邻地区暴雨强度公式计算确定，具体计算公式为：
[0033][0034]
式中，p为设计重现期，t为降雨历时，a、b、c、n为当地降雨参数。
[0035]
依据现有规范《建筑屋面雨水排水系统技术规程》，天沟初步设计按下列公式计算：
[0036]
q＝av
[0037][0038]
式中，q为天沟设计排水量(m3/s)，a为水流有效断面面积(m2)，v为水流流速(m/s)，r为水力半径(m)，i为天沟坡度，n为天沟粗糙度系数。
[0039]
依据现有规范《建筑屋面雨水排水系统技术规程》，溢流口初步设计按下列公式计算：
[0040][0041]
式中，q为溢流口设计流量(l/s)，b为溢流口宽度(m)，h为溢流口高度(m)，g为重力加速度(m/s2)。
[0042]
进一步地，步骤s4中方案生成模块具体包括：参考径流分析模块的输出结果，在对应的最终汇水位置自动布置天沟，然后依据计算与分析结果，确定天沟中的虹吸式雨水斗数量以及模型布置定位点，通过定位点和制定的各类管道连接规则自动生成管道定位中心线，最后将资料库中对应的各设备模型依据各自定位点或定位线进行组装，即可得到完整的屋面排水系统bim模型。
[0043]
进一步地，步骤s5中数值仿真模块，其具体实现过程包括：将各汇水区域的屋面多斗虹吸式排水系统bim模型自动转换为cfd分析网格模型，并进行基于自由液面计算模型的雨水虹吸过程仿真，基于规范和历史实测等多种降雨强度工况精细化分析排水系统整体性能，根据cfd仿真结果可视化分析管道流速、水头损失、压力平衡过程以及最大负压位置和数值，为后续定量评价排水系统性能提供量化参考。
[0044]
进一步地，cfd分析软件主要包括xflow、fluent、openfoam等。
[0045]
进一步地，bim模型自动转换为cfd分析网格模型，主要包括以下内容：网格划分策略、流体参数设置、计算域边界条件建立以及求解参数设置。
[0046]
进一步地，步骤s6中智能优化模块，具体流程包括：以排水系统整体性能最佳为优化目标，以数据库中各设备型号为设计变量，以初始计算模块中得到的屋面设计雨水流量为约束条件，运用遗传算法、粒子群算法等进行智能优化。
[0047]
进一步地，步骤s6中虹吸式排水系统评价指标主要包括以下内容：
[0048]
(1)各管道内的水流速度：为保证排水系统有一定的自清能力，则连接管、悬吊管内的雨水流速必须大于1.0m/s，同时为避免流速过快而对管道内金属表面产生疲劳损害，则需要控制立管内雨水流速不超过10m/s，对于过渡段下游的管道流速不宜大于2.5m/s，以免破坏雨水检查井；
[0049]
(2)系统实际水头损失：为防止某一雨水斗斗前水位降低过快导致空气进入，从而破坏整个系统的虹吸作用，需要限定满管情况下的各雨水斗的上游支路的计算水头损失之差不应大于10kpa；同时总水头与阻力造成的总水头损失之差可以称为虹吸最大排量，悬吊管末端达到60％最大排量的时间称为虹吸启动时间，该数值不宜大于60s；
[0050]
(3)系统最大负压值：为保证整个排水系统对雨水的抽吸作用，且避免雨水气化导致“气蚀”现象，对系统造成不利影响，需要模拟系统内所有雨水斗以最大流量运行的工况，以复核系统的最大负压值，控制其不小于-90kpa。
[0051]
进一步地，步骤s6中可视化模块，主要功能是对cfd的仿真结果进行后处理，将系统管道中的雨水流速、压强等参数通过云图或表格的形式呈现，主要工具软件包括paraview、cfd-post、tecplot等。
[0052]
进一步地，步骤s6中交互更改模块，主要功能是通过人为变更各项参数或数据的方式对智能设计结果进行干预，以达到特定目标。
[0053]
与传统虹吸式屋面雨水排水系统设计方法相比，本发明具有如下有益效果：
[0054]
(1)本发明利用智能设计技术建立一套排水系统自动选型设计流程，将雨水斗的
布置、管道的连接等既定逻辑进行梳理，结合规范或实际经验规定的限制条件，形成可以重复利用的设计规则以及设计工具，使整个排水系统的各个设备之间产生精确且可控的联系，通过简单地修改输入参数即可快速调整原有的设计方案或生成多个新设计方案，能够极大提高设计效率与设计精度。同时基于虹吸式排水系统bim模型信息库，能够从设计结果直接输出物料清单进行组件采购，避免各种因素造成的材料浪费，便于精确控制建造成本。
[0055]
(2)本发明应用雨水径流分析和cfd数值模拟仿真技术，能够准确模拟多种实际降雨工况中具体建筑屋面的多斗虹吸排水系统实际运行情况，将运行过程中各部位的压力、流速等数据进行实时可视化显示，同时能精确计算出各管道水头损失等参数，便于更加精细地设计与优化整个排水系统，让设计结果具有更完善、可靠的数据支持，弥补了传统设计方法中依靠经验公式而产生的设计误差等问题，使排水系统能够更高效运行。
[0056]
(3)本发明提出的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，不再局限于只对管道走向、防水套管等内容进行基于经验公式的初步设计，而是充分发挥bim模型优势，利用仿真技术对整个排水系统的各个部位进行详细完善的深化设计，其结果不但可以为足尺排水实验提供数据支持，还可以避免与设备厂家二次设计结果不同而导致的施工困难与经济纠纷问题。
附图说明
[0057]
图1为本发明中方法的具体流程图。
[0058]
图2为本发明实施例中调用虹吸式雨水斗数据库示意图。
[0059]
图3为本发明实施例中的径流分析工具示意图。
[0060]
图4为本发明实施例中的屋顶曲面径流分析结果示意图。
[0061]
图5为本发明实施例中的屋顶曲面最终汇水位置示意图。
[0062]
图6为本发明实施例中的屋面曲面汇水区域划分结果示意图。
[0063]
图7为本发明实施例中的虹吸式屋面雨水排水系统的初步设计工具示意图。
[0064]
图8为本发明实施例中的虹吸式屋面雨水排水系统自动建模程序示意图。
[0065]
图9为本发明实施例中的多斗虹吸式屋面排水系统整体模型示意图。
[0066]
图10为本发明实施例中的xflow网格模型示意图。
[0067]
图11为本发明实施例中cfd分析得到的整个系统内雨水流速分布云图。
[0068]
图12为本发明实施例中cfd分析得到的系统各上游支路水头损失图表。
[0069]
图13为本发明实施例中cfd分析得到的整个系统管内总压力分布云图。
具体实施方式
[0070]
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
[0071]
本发明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，具体流程如图1所示，下面以某大跨度建筑屋面为例，介绍本发明方法的具体实施步骤：
[0072]
(1)选用rhino软件作为bim平台，依据建筑曲面造型在其中搭建屋面三维模型。同
时搜集市面上常用的天沟、虹吸式雨水斗、排水管道、管道接头等部件的型号、尺寸、造价等信息，建立各设备的三维模型，以rhino软件中的grasshopper可视化编程工具为基础，搭建bim模型数据库，便于后续直接调取使用。例如从虹吸式雨水斗数据库中调用某一型号雨水斗结果如图2所示。
[0073]
(2)在visual studio环境下，采用c#语言结合rhino与grasshopper的api函数对grasshopper进行二次开发，以发明内容中逻辑编制径流分析工具如图3所示。该工具中输入端b连接待分析的屋面曲面，输入端p连接雨滴的初始位置点，此处可以使用populate geometry电池在待分析的曲面上随机取若干个点，点的数量要以能够覆盖屋面的所有部位且具有适量密度为宜，输入端sp连接雨水流速，输入端st连接迭代计算总次数。经过一段时间的计算，即可从输出端pt处得到多个点列表，各点列表均包含雨滴在每一次迭代后的新位置点，而输出端crv处则可以得到径流曲线。图4为该案例屋顶曲面的径流分析结果，图5为最终汇水位置。同样基于grasshopper对分析结果进行简单处理，结合屋面汇水面积与“一个虹吸式多斗系统服务的汇水面积不宜大于2500m
2”这一规范要求，对整个屋面曲面进行汇水区域划分，结果如图6所示。
[0074]
(3)在grasshopper中，基于发明内容中公式编写一套多斗虹吸式屋面雨水排水系统的初步计算工具如图7所示，该工具主要功能是对雨水设计流量、天沟排水量和溢流口流量进行初步计算，只需要将屋面模型连接至对应输入端，并且依据实际情况在径流系数、暴雨重现期等其余参数端输入相应数值，即可得到计算结果。
[0075]
(4)依据初步计算结果或者cfd分析结果自动在bim数据库中选取各设备型号或尺寸。利用grasshopper的参数化建模功能，搭建如图8所示的排水系统自动建模程序，该程序中主要包含如下逻辑：屋面曲面与天沟之间的连接关系，天沟与虹吸式雨水斗之间的尺寸与连接关系，连接管、悬挂管与立管之间的位置与连接关系等。结合数据库中各设备的三维模型，生成多斗虹吸式屋面排水系统整体模型如图9所示。
[0076]
(5)选用xflow作为cfd分析软件。导出多斗虹吸式屋面排水系统bim模型的几何属性信息数据，针对天沟排水量和溢流口流量位置多斗虹吸式排水系统建立cfd模型，依次进行模型网格划分、流体参数设置、计算流域、边界条件以及求解参数设置。
[0077]
在模型网格划分方面，导入xflow进行排水过程动态仿真分析。由于虹吸排水斗的导流罩处的缝隙较小，建立xflow网格模型时需要对该位置附近进行网格加密以布置更多粒子求解该处流态变化过程，推荐在导流罩最小缝隙处至少有两个以上的格子才可以保证水体能够自由流出，推荐管道处格子尺寸应小于管道直径的五分之一。xflow网格模型如图10所示。
[0078]
在边界条件中设置方面，将将屋面排水系统的天沟顶部设置为压力出口，其压强与大气压强保持一致；对连接屋面一端的天沟侧壁则设置为进口条件，根据规范和历史实测情况该侧壁边界条件设置为质量进口或者速度进口，用来模拟多种降雨工况下的雨水汇集；对于天沟底部则可以将其设置为壁面条件，在xflow软件中设置为加强型壁面边界条件；对于虹吸管道，管道侧壁可以设置为壁面条件，而将竖管末端设置为压力出口。通过设置壁面粗糙度来模拟虹吸排水过程中出现的沿程水头损失。
[0079]
在计算求解参数设置方面，推荐基于自由面流动模型的xflow流体高效计算。在xflow的高级选项中打开体积矫正功能，保证在计算过程中雨水质量守恒；考虑重力加速度
作用。对于计算初始条件的设定可以根据不同的研究重点来进行设定，一般将管道及集水渠的初始条件设置为空气，即没有积水的条件下进行的虹吸排水。根据《建筑给水排水设计标准》，在xflow计算中将模拟总时长设置为300s(5min)，设置单个时间积分步长时考虑将库朗数范围设置为1～3。
[0080]
完成xflow自由液面计算后，可以在xflow或者开源软件paraview中进行后处理分析。后处理可视化结果包括：1)整个系统管道中雨水的水体流速分布云图，如图11所示；2)各雨水斗的上游支路的计算水头损失，如图12所示；3)整个系统中管内总压力的分布云图，如图13所示。在paraview软件中可以处理得到直观的虹吸动态过程。
[0081]
(6)基于grasshopper中的galapagos电池搭建完整优化流程。统计cfd分析得到的各项数据，主要对各管道内的水流速度、水头损失、连接管道内压力平衡、系统最大负压值等内容进行分析，并判断各项参数的合理性以及是否满足规范要求，如不满足则自动在bim数据库中重新更改设备型号或尺寸，然后重复执行步骤4-5，如满足要求则结束整个设计流程，得到最终设计结果。
[0082]
综上所述，本发明公开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及系统，主要基于bim设计平台和cfd数值模拟平台，其技术方案要点是：1)数据库模块：包含虹吸式排水系统各设备的bim数据库；2)径流分析模块：对屋面进行动态汇水模拟与汇水区域划分；3)初步计算模块：排水系统初始设计参数计算；4)方案生成模块：自动建立排水系统bim模型；5)数值仿真模块：对排水系统进行cfd数值仿真模拟；6)智能优化模块：运用智能优化算法对设计方案进行迭代优化；7)可视化模块：对cfd分析结果进行后处理；
[0083]
8)交互变更模块：对智能设计过程进行人为干预。本发明针对当前大跨建筑屋面多斗虹吸式排水系统，提出了一种基于bim模型开展雨水排水性能化分析的高效迭代智能设计方法，在设计过程中应用了雨水径流和cfd排水分析这两种不同尺度计算模型，可以模拟和预测不同降雨强度工况下屋面排水系统的实际运行状况，同时实现了基于模块化步骤的多斗虹吸式屋面排水系统智能设计与优化流程，为体育场馆、机场车站、商业综合体等大跨度建筑的屋面雨水排水系统bim性能化设计提供一种新的数字技术解决方案。
[0084]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤拆分为更多步骤，也可将两个或多个步骤或者步骤的部分操作组合成新的步骤，以实现本发明的目的。
[0085]
本领域的技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
技术特征：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
为汇水面积；设计暴雨强度按照当地或相邻地区暴雨强度公式计算确定，计算公式为：
式中，p为设计重现期，t为降雨历时，a、b、c和n为当地降雨参数；天沟初步设计按下列公式计算：q＝av式中，q为天沟设计排水量，a为水流有效断面面积，v为水流流速，r为水力半径，i为天沟坡度，n为天沟粗糙度系数；溢流口初步设计按下列公式计算：式中，q为溢流口设计流量，b为溢流口宽度，h为溢流口高度，l为重力加速度。7.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，步骤s4包括：参考建筑屋面分析结果，在对应的最终汇水位置自动布置天沟，然后依据排水系统初步参数计算分析结果，确定天沟中的虹吸式雨水斗数量以及模型布置定位点，通过定位点和制定的各类管道连接规则自动生成管道定位中心线，最后将对应的各设备模型依据各自定位点或定位线进行组装，得到完整的屋面排水系统bim模型。8.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，虹吸数值仿真分析包括：将各汇水区域的屋面多斗虹吸式排水系统bim模型转换为cfd分析网格模型，并进行基于自由液面计算模型的雨水虹吸过程仿真，基于多种降雨强度工况精细化分析排水系统整体性能，根据cfd仿真结果可视化分析管道流速、水头损失、压力平衡过程以及最大负压位置和数值，为后续定量评价排水系统性能指标提供量化参考；排水系统评价指标包括：各管道内的水流速度、系统实际水头损失和系统最大负压值。9.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，调用智能优化算法进行排水系统方案迭代设计包括：以排水系统整体性能最佳为优化目标，以数据库中各设备型号为设计变量，以屋面设计雨水流量为约束条件，运用遗传算法或粒子群算法进行智能优化。10.一种多斗虹吸式屋面排水系统的设计系统，其特征在于，包括：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；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；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；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；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；
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；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。
技术总结本发明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-S5，直至满足既定虹吸式排水系统评价指标。本发明为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。化分析提供新的技术支撑。化分析提供新的技术支撑。
技术研发人员：张慎 孟凡凯 王义凡 杨泽旺 程明 辜文飞
受保护的技术使用者：中南建筑设计院股份有限公司
技术研发日：2022.07.07
技术公布日：2022/11/1
