249基于参数化模型的室外热网CAD软件的开发研究

基于参数化模型的室外热网CAD软件的开发研究中国建筑科学研究院软件研究所邱相武赵志安邱勇云摘要针对传统的室外热网设计中各设计阶段数据重复输入、数据丢失、错误传达和转换的问题，介绍了室外热网CAD软件开发的参数化模型，探讨了开发过程中的关键技术和软件实现的功能。关键词室外热网参数化模型CAD开发当今计算机科学已经成为新技术的带头学科和先导技术，强有力的推动世界从社会工业化向数字化、信息化和智能化发展。在工程设计领域，以参数化模型为核心的3DCAD将成为未来CAD发展的趋势。参数化模型的核心是一个包含了所要描述对象的详细信息的数据库，数据库涵概了描述对象在真实世界的属性和行为特征，是实际模型在虚拟世界的真实反映。基于参数化模型的室外热网计算绘图一体化软件可以大大的提高设计效率和设计的准确性。1.传统设计方法的弊端传统CAD设计方法是利用二维或三维绘图软件如AutoCad,这种CAD技术是基于图形的，在设计过程中CAD技术非常有效支持自动绘图，大大减少了人力和财力。它利用图层分类而且需要对设计内容附加一些额外的信息，通过使用软件开发包可以扩充，实现一些计算功能。但即使使用软件开发包，最终的图纸也只包括一个项目所需要的图形信息，大量的其他信息并没有成为图纸的一部分，而人工调整这些图纸和设计数据对于大型项目来说是令人望而生畏、效率低下的。造成这样问题的原因是图纸记录信息的不全面，关联信息调用困难、设计数据无法运算。具体到室外热网设计过程而言，设计的步骤应该是布置管道和管道附件，然后根据管道布置和热用户信息进行管道水力计算、热力计算。根据计算结果标注管径，绘制平面施工图、纵断面图、大样图。由于数据信息和图形信息是割裂的，在水力计算和热力计算时需要重复输入管道和附件的布置数据，计算结果也不能直接反映到图纸中去，需要交互标注，更不能自动生成纵断面图形和大样图。这种设计模式，不仅不能保证计算数据和绘图数据在几何尺寸上的一致性，而且每次对关键数据的修改都造成对图纸信息的大幅度调整。2.参数化模型技术如前所述，传统的CAD技术依靠图形文件来存储和管理数据，它无法完全优化对描述对象的全部信息的创建和管理，部分图形和非图形信息仍然需要人工调整来维持一致性。参数化模型的解决方案是用一个关系数据库和一个行为模型来动态捕捉和表现描述对象的信息，如3D视图、2D图纸或表格，所有这些生动表达的图纸都是基于同一个数据库的管理。由于使用参数化的模型信息具有真实世界的行为和属性，那么参数化模型中所有数据的特征及它们之间的相互作用的规则都是内在的，因此对模型操作时它会保持对象在真实世界的相互关系。如在参数化模型中，修改一根立管的标高，与它相连的管道会自动调整端点坐标。用户节点信息改变后对管道进行水力计算后的管径，可以作为参数化模型的数据直接记录到模型数据中去，而图纸中的管道标注信息和材料统计信息可以根据用户指令自动修改，而不需要用户交互修改每一根需要修改的管道标注。因此参数化模型的本质是用计算机以描述对象在真实世界的行为和属性来建模，用它来实现来开发3DCAD软件最能体现信息技术的优势。3.基于参数化模型的室外热网CAD软件的关键技术3.1基于参数化模型室外热网CAD软件的数据描述开发参数化模型热网CAD软件的第一步就是建立模型数据结构，数据信息应该是完整的，应包含设计中需要的管道、阀门、用户节点、管沟、支架和检查井等各种对象的描述。每一个对象的描述信息需要包括自身的几何属性、物理属性和与之相关的对象的关系。这些数据可以在模型、平明施工图、纵断面图、大样图各模块之间共享。图1是管道、用户节点和地沟数据结构描述。可以看到，管道数据结构不只包含绘图需要的坐标信息，而且还包括描述管道的材质、保温材料、管径、压力、阻力、坡度、流量流速等信息。是管道图1管道、用户节点和地沟数据结构几何属性和计算需要的物理属性的信息总和。不仅要描速管道自身的属性，还要包含管道和其他对象联系的节点信息。其他对象的数据结构同样包括自身几何属性、各种物理信息和与其他对象间的关系，这里不再赘述。管道起点终点管段号立管号管道类别管径管材比摩阻管段流量管段流速坡度阻力系数节点号减压值管段阻力保温材料保温厚度节点起点压力允许流速……点x坐标y坐标z坐标节点节点坐标（点）节点号用户号管段号立管号节点地面标高节点自由水头节点总水头节点温度……用户节点用户编号节点坐标（点）计算标记节点标高热负荷计算流量供水水温回水水温设备承压热用户标高汽化压力……地沟起点终点壁厚材料地沟宽度绘图宽度地沟类别坡度……3.2管网水力计算室外热水网路水力计算的主要任务是按已知的热媒流量和压降,确定管道的管径;按已知热媒的流量和管道管径,计算管道的压降;按已知的管道管径和允许压降,计算或校核管道的流量,确定网路循环水泵的流量和扬程。供热系统热用户的计算流量310/86.0tQGt/h（1）式中Q为热用户计算负荷(W),t为热用户供回水温度(℃)。管道沿程阻力)/(1088.625.5225.03dGKR（2）式中K为管道粗糙度(m),为热媒密度（3/mkg），d为计算管道内径（m）。管道局部阻力jp=2/2(3)式中为局部阻力系数，为管道流速（sm/）。得到管道用户节点流量后，可根据连续性方程0Gi.(4)计算各管道节点的流量Gi（t/h）。环状管网能量平衡方程（0ijh）I（5），式中ijh为管段ij的阻力损失。从模型数据库中提取水力计算需要的管道信息、管道上阀门等附件信息和用户节点信息，形成管网节点树，计算管段流量。预设比摩阻，初算管道直径，计算回路压降，找出最不利环路。计算最不利环路管径、比摩阻和节点压头。由最不利环路各节点压头得到支路资用压头，求出支路管段管径和减压值。对于环状管网，需要对环路根据能量方程进行平差计算。3.3管网热力计算热力计算的任务是根据管道水力计算结果、管道敷设方式和技术经济条件，计算管道保温层厚度。软件依据以下三个原则确定保温层厚度：(1)保证供热管道输送的热媒参数满足用户要求，供热管道散热损失不超过允许散热损失；（2）满足安全卫生要求，保证供热管道保温结构外表面不高于规定温度；（3）在满足技术条件的前提下，符合经济性的要求。3.4软件功能模块和模块间数据流传递如图2所示，软件按照功能划分为三个模块：建模模块、计算模块和绘图模块。建模模块提供双线绘制管道和地沟的功能，从图块库中选择需要插入的阀门附件等图块。利用面向对象技术，用鼠标点击管道、地沟、阀门附件、检查井、支架或用户节点后，可以显示这些对象的所有属性，根据需要进行输入或修改。自动打断交叉管道，形成管道节点。绘图模块根据模型数据生成施工图文件。绘图模块根据模型数据根据管道、附件、井池、和地沟的标高关系，通过数学分析手段和图形消隐技术，自动处理对象间的遮挡关系。根据计算结果，自动标准管道长度、管径和管道标高。自动生成大样图、纵断面图。根据模型中的数据统计材料和设备信息，自动生成材料表。图2软件模块结构和数据流4.结语基于参数化模型开发的室外热网CAD软件以描述对象在真实世界的属性和行为来建模，模型信息在整个设计过程中不断补充、细化和利用。解决了传统设计方法计算、绘图各阶段数据割裂、数据重复输入、数据丢失和数据转换问题，可以很大程度上提高室外热网设计的效率和准确度。参考文献：1曾旭东，谭洁.基于参数化智能技术的建筑信息模型.重庆大学学报,2006,29(6).2.孟广田,赵志安,李守功.室外热水网路CAD软件的应用研究.建筑科学,2001,17(6).3.陆耀庆.实用供热空调设计手册[M].北京:中国建筑工业出版社.4.哈尔滨建筑工程学院,天津大学,等.供热工程[M].北京:中国建筑工业出版社.5.邱勇云,邱相武,赵志安.暖通协同CAD开发研究[J].暖通空调,2009,39(1):123-126作者简介：邱相武，男，1972年12月生，副研究员.，地址：北京市北三环东路30号主楼1310室，邮编：100013，联系电话[phone],传真[phone]，E-mail:[e-mail]建模模块(参数化模型数据库)管道信息管道附件信息地沟信息支架信息检查井信息保温材料信息计算模块水力计算热力计算绘图模块平面施工图纵断面图大样图设备材料表