一种考虑风雨耦合作用的大跨屋面排水性能计算方法与流程

1.本发明属于建筑给排水和建筑信息模型bim性能分析技术领域，更具体地，涉及一种考虑风雨耦合作用的大跨屋面排水性能计算方法。


背景技术：

2.全球气候变化背景下极端降雨事件常给城市大跨空间建筑的屋顶排水性能带来严峻挑战。如持续性暴雨天气下大跨空间建筑的屋顶容易发生雨水渗漏、屋面积水以及屋顶受潮等问题，从而影响建筑安全性能和正常使用功能，降低建筑耐久性。因此，尤其对于具有非线性曲面造型特征的大跨建筑屋盖，常需要在方案设计阶段充分考虑屋面排水形式和排水方案的合理性。另一方面，由于有些项目施工工期紧和成本控制，难以在施工期间开展评估整个建筑屋面径流和排水性能的雨水试验。
3.现有对于大跨空间建筑屋面的给排水方案设计，通常结合当地雨水条件和给排水设计规范资料，确定一定重现期条件下设计雨水流量，然后根据现有工程实际经验设计多个排水方案进行对比分析，对拟定排水设施方案的汇水区域面积、排水沟宽度、排水口流量以及关键分缝等位置进行校核计算。现有排水方案设计流程存在的问题在于，无法动态分析大跨空间建筑整体排水形式合理性，规范计算的建筑屋面雨水强度没有同时考虑风雨耦合和雨水动态径流影响，理论经验公式不一定适用于复杂曲面屋盖的排水方案复核计算等。近年来，国内外开始应用计算流体力学(computational fluid dynamics，cfd)仿真技术开展雨水模拟，但如何在建筑方案设计阶段和施工阶段开展雨水仿真辅助设计，目前未形成有效的技术方法。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种考虑风雨耦合作用的大跨屋面排水性能计算方法，为建筑方案阶段和初步设计阶段大跨复杂非线性屋面的曲面造型合理性以及排水设施参数进行复核计算。该计算方法基于bim模型平台和计算流体力学cfd仿真技术，建立一套能够统计屋面排水口位置雨水量的解决方案，利用开源cfd软件开发的风驱雨耦合求解算法计算给定降雨条件下整体建筑屋面的积雨分布状况，然后基于考虑风驱雨后屋面的积雨量分布，在bim模型平台中进一步进行雨水径流算法分析，统计屋面各个排水位置排水量，可为屋面曲面造型的排水分析和优化设计提供一种新的技术手段。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种考虑风雨耦合作用的大跨屋面排水性能计算方法，包括：
6.s1：基于建筑类bim软件开展大跨复杂建筑屋顶曲面造型设计和排水设施方案确定，建立统计分析排水量的bim模型；
7.s2：利用bim软件信息平台创建的大跨屋面建筑几何模型，以及收集的建筑场地历史气象气候和规范给定的降雨信息资料，开展基于cfd风驱雨算法的屋盖建筑外立面风雨耦合模拟计算；
8.s3：利用cfd后处理软件进行给定降雨事件中大跨屋面建筑积水量可视化分析，批量提取积雨数据文件至bim模型平台；
9.s4：在bim模型平台中开展整体或局部建筑屋面雨水径流动态分析，基于bim模型统计给定降雨事件中排水口位置排水量；
10.s5：根据计算结果参数化修改屋面曲面造型和排水设施参数，继续进行步骤s1～步骤s4的迭代计算，最终确定复核计算排水口位置的排水设施是否满足排水要求，并关联协同bim模型协同修改。
11.在一些可选的实施方案中，步骤s1包括：在大跨屋面建筑方案阶段利用bim类软件开展屋顶曲面造型设计和排水方案初步确定，对屋顶造型和排水设施模型进行参数化描述，为了对屋顶排水设施位置雨水可视化分析，建立统计收集排水量的模拟监测点。
12.进一步地，利用revit、catia或rhino均可以建立三维bim建筑信息模型。
13.进一步地，大跨屋面建筑bim信息模型可适用于设计、施工、运维和拆除工程的全生命期不同阶段数据共享，因此包括详细的建筑几何属性、排水设施设备以及排水设计参数等详细属性信息。
14.进一步地，该大跨屋面建筑包括高铁站房、展览馆、文化馆以及体育场馆等跨度较大的常见公共建筑。
15.在一些可选的实施方案中，步骤s2包括：从bim建筑信息平台中协同提取或者离线导出大跨屋面几何信息模型，该建筑信息几何模型需至少满足lod200精细度，必须包含能反应实际建筑屋面坡度、排水构造措施、曲面造型等影响雨水径流的几何特性参数。
16.进一步地，根据bim模型场地地理位置信息，在国际气象数据网或者中国气象数据网上距离场地位置最近的气象站点历史气象气候观测数据，包括每小时精度的降雨量、风速、湿度以及温度等常规数据，同时结合绿色建筑规范给出的气象气候数据，综合确定50年重现期、100年重现期以及历史极端降雨事件条件下每小时降雨量(单位mm)、湿度、温度以及主导风向的平均风速。
17.进一步地，大跨屋盖的建筑风驱雨稳态数值风洞计算主要包括以下具体计算过程：先不考虑雨滴粒径，考虑大气边界层风速剖面和湍动能边界条件，采用k-epsilon湍流模型开展大跨屋盖模型风场计算；然后将计算得到的流场信息作为风驱雨计算工况的边界条件；接着按照设计条件确定的雨滴特征风速、降雨强度、环境温度以及湿度信息，确定大气边界层雨滴边界条件，基于欧拉-欧拉多相流方法进行风雨多相流耦合cfd计算。
18.进一步地，采用基于欧拉-欧拉多相流方法进行风雨多相流耦合cfd计算，将实际大气边界层中雨滴假定为连续介质，在cfd计算域中不同粒径的雨相和风相均占有一定几何空间并且拥有各自的体积分数。该种方法的优势在于对建筑数值风洞中雨滴的边界条件进行了简化，仅需要在入口边界位置指定不同粒径的雨滴落入近地面的特征风速、空间体积分数和速度分量。
19.进一步地，这些不同粒径雨滴的体积分数和速度分量可以由不同设计条件下的降雨强度和雨滴谱分布函数确定得到。基于水文气象领域大量实测和理论研究，已有公认可靠的雨滴谱分布函数，以及不同雨滴粒径的体积占有率计算公式。考虑到计算成本，仅考虑有限的雨滴粒径范围和粒径种类，并且根据雨滴谱分布函数计算公式确定每一类粒径雨滴的水平面内概率密度函数值。每一类粒径雨滴的体积占有率αd可由如下公式计算得到：
[0020][0021]
式中，rh为不同气候设计条件的降雨强度，fh为给定降雨强度下雨滴粒径d的概率分布函数，v
t
为不同雨滴粒径的特征速度。
[0022]
进一步地，大跨屋盖建筑数值风洞入口位置和顶部位置的不同粒径雨滴的特征风速主要包括水平风速和竖向风速，在风驱雨算法中均通过考虑雨滴颗粒的重力与风阻的平衡计算来获得。
[0023]
在一些可选的实施方案中，步骤s3包括：在风雨多相流耦合cfd计算收敛后，提取设计条件下大跨建筑屋面的降雨量分布。需要说明的是，s2步骤的风驱雨计算结果并不考虑雨水在地面的流动情况，cfd算法中最终计算出建筑表面不同雨滴粒径捕获率来反映风驱雨强度，单位时间内建筑不同表面位置的风驱雨强度(单位mm/h)采用如下公式计算：
[0024]rw
(x,y,z)＝rh×
η(x,y,z)
[0025]
式中，rw为建筑屋面不同位置的风驱雨强度，η为cfd风驱雨计算得到的建筑表面雨滴捕获率。
[0026]
进一步地，提取大跨建筑屋面的风驱雨强度数据导入bim信息模型平台进行屋面积水可视化分析，通过云图和等值线图可以直观显示大跨建筑屋面积水严重区域。
[0027]
在一些可选的实施方案中，步骤s4包括：将cfd风驱雨计算得到的大跨建筑屋面测点空间坐标位置及雨滴捕获率数据以特定格式导出为文本，在bim模型平台中读取该文本中的数据，使用代码建模的方式生成若干个测点的三维模型，且每个测点均携带其自身的雨滴捕获率数据。
[0028]
进一步地，在真实屋面表面进行雨水径流分析计算，上述测点可视作屋面上的雨水点，对于每个雨水点均进行以下操作：记初始雨水点为pt1，找到pt1在屋面曲面s上的最近雨水点pt2及pt2在曲面s上的法向量n，以pt2为原点、n为z轴建立平面p1，求p1平面x轴方向与世界坐标z轴负方向在p1平面上的角度，然后将p1平面按照求得的角度进行旋转得到新平面p2，这时候p2平面的x轴方向是沿着曲面s向下的，即可以模拟pt1仅受重力作用时在曲面s上的移动方向，接着将pt2按照这个方向进行移动，移动的长度设置为变量sp，移动后的雨水点为pt3。将上述操作视为一次循环，将pt3与pt2的z坐标进行对比，如果前者更小，证明该雨水点的确是在重力作用下向下移动，则pt2为此次循环的有效结果，否则此次循环无效。最后将有效结果pt2赋值给pt1，进行下一次循环计算。
[0029]
进一步地，将上述计算过程打包成一个单独的计算方法，利用该装置对所有雨水测点进行径流分析，分别应用变量sp与st来控制雨水流速和循环计算次数，并且将所有有效计算结果点连接成曲线，即可完成径流分析，得到径流曲线。
[0030]
在一些可选的实施方案中，步骤s5包括：在进行径流计算分析时，将循环计算次数调至足够大，以至于所有的循环迭代均能够收敛，再将这些雨水径流曲线的最终行径点按照聚集部位进行分组，则聚集部位即为布置排水口的最佳位置。
[0031]
进一步地，对于各个排水口处排水流量的计算方法：将每个聚集部位的雨水测点携带的雨滴捕获率数据取平均值，乘以不同设计条件下的降雨强度，可得实际计算的降雨强度，再乘以各个排水口所覆盖的汇水面积，即可得到单位时间内各排水口处的流量。这一数据能够用来辅助雨水斗、雨水管道等排水系统的设计。
[0032]
进一步地，对于整个建筑屋面雨水流量的计算方法：将所有雨水测点携带的雨滴捕获率数据取平均值并乘以设计降雨强度，得到计算降雨强度，再乘以整个屋面的总汇水面积，经过单位换算后得到计算雨水流量(单位：l/s)。同时，根据gb 50015-2019《建筑给水排水设计规范》中的要求，建筑屋面设计雨水流量应按下式计算：
[0033][0034]
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)。将计算雨水流量与设计雨水流量进行对比，两者之间取包络值，可对规范进行一定的补充完善，或对排水系统设计结果进行复核。
[0035]
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0036]
(1)本发明提供的大跨建筑屋面排水设施复核计算方法，能够在方案阶段和施工前考虑不同降雨设计条件中屋面排水口位置的排水量，更加精细地考虑多种气象变化参数和排水动态过程分析，弥补了现有基于规范的经验计算公式的不足，为大跨屋面建筑排水设施复核计算提供一种新的技术手段，节省了施工过程中和施工后期现场雨水试验的成本，便于提前及早发现可能存在的排水问题。
[0037]
(2)本发明利用bim信息模型平台、cfd风雨多相流耦合算法以及雨水动态径流参数化分析，建立了一套协同联动的大跨建筑屋面排水动态分析数字化解决方案，充分发挥了bim模型性能化分析的优势。基于该计算流程提出的排水设施复核计算方法，可为建筑方案阶段和初步设计阶段排水优化提供参考，尤其是具有复杂曲面造型特征的大跨屋盖建筑。
附图说明
[0038]
图1是本发明实施中的一种考虑风雨耦合作用的大跨屋面排水性能计算方法原理图；
[0039]
图2是本发明实施例中的体育场馆bim几何模型示意图；
[0040]
图3是本发明实施例中的体育场馆屋盖cfd网格模型示意图；
[0041]
图4是本发明实施例中的开源cfd程序openfoam算例文件结构；
[0042]
图5是本发明实施例中的体育场馆屋盖cfd风场计算云图；
[0043]
图6是本发明实施例中的体育场馆屋盖和地表面雨水捕获率以及雨滴速度切片cfd云图；
[0044]
图7是本发明实施例中的大跨空间建筑屋盖表面雨水动态径流分析流程图；
[0045]
图8是本发明实施例中的体育场馆屋盖表面初始时刻雨滴分布图；
[0046]
图9是本发明实施例中的体育场馆屋盖表面最终汇水位置云图；
[0047]
图10是本发明实施例中的体育场馆屋盖表面雨水径流路径图。
具体实施方式
[0048]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0049]
随着建筑工程领域bim信息模型(building information modeling，bim)以及cfd仿真等数字建筑应用技术发展成熟，基于bim工程模型的全生命周期内绿色建筑性能分析已经逐渐受到技术人员重视。基于bim协同平台开展复杂大跨空间建筑参数化协同设计和施工运营，通过仿真计算技术在方案设计和施工阶段提前考虑各种不利工况条件对数字孪生模型进行虚拟计算，可以对建筑室内外声、光、热和水等物理环境进行全面性能化分析，显著提高建筑的健康舒适、生态宜居以及节能环保等绿色建筑品质。因此，本发明针对大跨屋盖建筑外立面的排水性能，结合bim参数化模型和cfd风驱雨仿真算法，针对现有大跨空间建筑复杂屋面排水分析方法存在的不足和缺陷进行改进，提出了一种考虑风雨耦合作用的大跨屋面排水性能计算方法，基于bim模型参数化优势和cfd动态分析技术，可以在建筑方案设计和施工阶段考虑各种不利降雨工况下建筑外立面的风驱雨强度、挡雨性能以及屋盖表面雨水径流动态分析过程，定量统计建筑屋盖表面排水位置排水量，便于复核建筑排水方案，实现了基于bim模型的排水设施性能化设计，为大跨复杂空间建筑的屋盖排水设施复核计算分析提供一种新的数字化解决方案。
[0050]
本发明提供了一种考虑风雨耦合作用的大跨屋面排水性能计算方法，该方法主要基于参数化建筑bim软件和cfd数值模拟平台实现，具体包括：1)基于rhino建筑设计软件将已有的屋顶曲面造型和排水设施参数化，针对屋面建筑模型排水口位置设置便于统计排水量的模拟监测点；2)提取建筑屋面整体建筑模型用于cfd网格划分，同时结合当地历史气象数据和规范资料，设置cfd模拟分析需要的降雨强度、风速风向以及湿度和温度等边界条件，开展基于cfd风驱雨算法的整体建筑屋面风和雨耦合模拟计算；3)进行整体建筑和场地的单位时间积水量可视化分析，提取屋面积雨量数据文件并导入rhino软件中；4)针对整体或局部建筑屋面模型进行雨水径流动态分析，基于屋面排水口位置的模拟监测点统计单位时间内排水量；5)复核屋面排水设施是否达到排水要求，如果不是，则基于gh可视化编程工具修改屋面曲面造型和排水设施参数，如果是就结束模拟试验。与现有屋面排水量统计技术相比，本发明基于bim-cfd技术考虑了风驱雨和屋面雨水动态径流对屋面排水设施影响，更加精细化和直观地可视化呈现排水口位置排水量，为现有体育场、高铁站房以及展览馆等大跨空间建筑的排水设施复核计算提供数字化技术依据。
[0051]
本发明的一种考虑风雨耦合作用的大跨屋面排水性能计算方法，原理步骤如图1所示，以下以一个具体实施例对本发明方法进行说明。
[0052]
以某开敞式体育馆bim模型排水动态分析为例，介绍本发明的具体实施步骤如下：
[0053]
(1)采用rhino软件和grasshopper可视化编程工具，在本地台式机上建立或者从其他bim软件平台导入大跨体育场建筑模型以及bim模型排水设施参数数据。体育场馆bim屋盖几何模型如图2所示。针对bim屋盖模型和已有排水设施方案。根据建筑屋盖模型坡度分析初步确定排水沟位置设置在高程较低的悬挑环段，利用grasshopper参数化建模工具，在排水口位置建立收集排水量的模拟监测点。本发明实施例中的体育场馆屋盖建筑如图2所示。
[0054]
(2)由于体育场馆bim包含结构、设备和维护等多种体系，本发明仅提取体育场馆屋盖建筑模型，采用基于有限体积法的开源cfd软件openfoam进行建筑风驱雨计算。首先对
体育场馆建筑屋盖模型进行cfd模型创建，采用结构化和非结构化网格划分方式，先针对建筑数值风洞整体计算域创建结构化正交网格，然后对体育场馆复杂建筑创建非结构加密网格，网格类型尽量采用六面体网格以保证计算精度。体育场馆屋面几何表面网格模型如图3所示。然后设置cfd模型边界条件，需要结合规范、历史观测或者已有设计文件提供的工程概况资料统计出当地降雨强度、主导风速风向、温度以及湿度等气象气候设计条件。
[0055]
在开展大跨屋盖的建筑风驱雨稳态数值风洞计算之前，需要先开展建筑数值风洞风环境计算。如图4所示，每个开源openfoam软件的cfd算例文件必须包含0、system和constant三个文件夹，包括建筑数值风洞的初始和边界条件(0文件夹)、网格划分文件(blockmeshdict、snappyhexmeshdict和surfacefeatureextractdict)以及求解控制文件(controldict、fvschemes和fvsolution)。在设置好入口风速边界条件后，本算例采用标准k-epsilon湍流模型开展建筑数值风洞计算，获得计算域和边界位置的平均风速信息。体育场屋顶罩棚建筑附近平均风场计算云图如图5所示。
[0056]
设置体育场馆风驱雨cfd算例文件，同建筑数值风洞算例文件类似。但风驱雨cfd算例文件的初始条件中需要包括不同雨滴粒径的雨相体积分数和速度；在constant文件夹中需要指定雨滴的物理属性，包括每种雨滴粒径的直径大小和概率密度函数值，风场的湿度以及温度参数等；风驱雨算例中网格文件由建筑数值风洞算例文件直接复制，流域和边界位置初始风场由建筑数值风洞算例计算结果插值得到。最后通过设置求解控制文件，采用基于欧拉-欧拉多相流方法进行风雨多相流耦合cfd计算。
[0057]
(3)待风驱雨cfd计算收敛后，计算统计不同雨滴粒径的运动轨迹以及雨滴的建筑表面分布。雨滴粒径风速云图以及屋顶罩棚风驱雨强度云图如图6所示。从图6可以看出，给定降雨设计条件下，考虑风雨耦合后建筑表面的雨量分布呈现明显不均匀特征，同时也可以很直观分析屋顶罩棚的挡雨性能。将计算得到的雨滴捕获率乘以设计降雨强度，可以计算得到考虑风驱雨后的建筑表面雨水量高度数据。
[0058]
(4)通过grasshopper的二次开发，在visual studio环境下，基于本发明内容中所述逻辑，采用c#语言使用rhino与grasshopper的api函数编制了一套径流分析电池插件。该插件主要包括三个部分：第一个部分的功能是数据引入，输入端为cfd计算得到的数据文件，经过该电池内部对数据文本的解析与重组，在输出端分别输出所有的雨水测点的三维模型与各测点的雨滴捕获率；第二部分的主要功能是径流分析，有四个输入端，分别输入待分析的屋面曲面、第一部分中输出的雨水测点、大致的雨水流速、各测点循环迭代次数，经过一段时间的内部计算，输出径流曲线与各雨水测点最后的位置；第三部分是降雨量计算，主要功能是将第二部分输出的雨水测点进行分组，并且结合新输入的汇水面积、计算时间与第一部分输出的各测点雨滴捕获率等参数，完成各项指标的计算与分析。利用该插件进行径流分析的完整流程图如图7所示，初始雨滴分布见图8，最终汇水位置见图9，得到屋面曲面上的径流曲线见图10。
[0059]
(5)统计得到的排水量以及排水设施排水参数，分析体育馆曲面屋盖排水形式、挡雨性能以及排水设施的合理性，并判断体育场馆屋顶罩棚曲面形式以及排水设施尺寸等参数是否需要修改调整。若需要修改，利用grasshopper参数化编程工具修改体育场馆bim模型并重复(1)～(4)步骤，否则停止计算。经过本发明思路的迭代优化计算，可以基于bim模型快速计算出每种屋面形式方案的排水情况并确定排水设施优化设计方案，最终修改bim
模型几何参数。
[0060]
需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
[0061]
本领域的技术人员容易理解，以上所述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。