CAD在雨污水管网设计中的应用

何亚南 (北京市大兴县市政工程设计所)
韩　飞 (北京市大兴县第一建筑工程公司)

　　在室外雨污水管网设计时，如何对方案草图识别和存储及在此基础上的管网水力计算是两个关键环节。根据多年的探索，笔者在微机图形软件包AUTOCAD R14版的平台上开发了从方案到成果图(包括计算书)的室外管网辅助设计软件WPIPE，其中包括给水、热力及雨污水等。以下以污水管网为例说明WPIPE的设计方法。?

1 方案草图的识别和存储模型

　　管网分为树枝状和环状两种，雨污水管网是典型的枝状管网。对枝状管网可定义如下：管网中任意两点间有且只有一条联通的路径(见图1)。

　　假设B点为排出口控制点，则相对的A点是这个管网中的最远点，把这个管网模型看成是一棵树，树的节点即是检查井，井间管线则把上下游两个检查井联系在一起，B点为树的根节。在图论中，尽管树的存储结构方式有多种，但这些存储结构或者增加存储空间的开销，或者某些算法低效。由于二叉树结构的建立、遍历访问等算法十分成熟且高效，因此，在开发中采用二叉树作为管网建模的存储结构，从图1中的A点出发，沿水流方向依次访问下游节点，当碰到有分支的节点(如C点)时便沿分支进行回溯，当对该节点的所有分支都回溯完毕后，则进行下一个节点，直至访问到根节点B为止。通过这一个遍历的过程，便可完成管网的建模过程。在说明算法前约定构图实体均为线(LINE)实体，且均在同一图层(LAYER)上。任一条直线段都可通过起点坐标Ps和终点坐标Pt来定义，把Ps和Pt作为两个结点，该直线则说明这两个结点的前驱(或后继)关系。结点可用下述结构来定义：
　　typedef struct node{?
　　　　float point［3］；　//　结点的坐标?
　　　　node ＊ Left；　//　指向结点的左子树?
　　　　node ＊ right；　//　指向结点的右子树?
　　}TNODE;?
　　利用这个结构建立的二叉树链表可以准确地在计算机中存储任何枝状管网。?
　　实现算法的流程见图2：

　　由图2见这是将树转化为二叉树的过程，通过上述方法得到的存储结构又称为孩子兄弟表示法。对这个树的各个结点进行访问，就可用各种现成的遍历算法如前序、中序或后序遍历。

2 管网计算

　　管网的连接关系在计算机中建立了以二叉树为基础的数学模型后，下一步即选择合适的求解优化方法。本系统采用的方法是根据计算控制标高H_K0值来求出整个管道系统所有管段的管径、坡度和埋深的组合，并在此基础上通过费用函数求出管网系统的总造价，在实际工程，由用户择优采用。?
　　程序的计算方法如下：?
　　将干管、支管都考虑为计算管段，分别予以编号，从起始管开始依次向下游进行，当计算至多根管段衔接处时，便从衔接处上游的另一条管道的起始管段开始再行计算，直到衔接处所有上游管道都计算完毕后，再向下进行，直到整个系统计算完毕。
　　进行高程计算时，依据管道系统终点的管内底标高H_K0按下面的公式计算管道的平均坡度i_av，由平均坡度i_av的变化控制各计算管道的坡度，并进行管径的选择。
　　起始管段的平均坡度：
　　
?式中　H_m --- 最小覆土深度，m?
?　　　H_a --- 起始管段起端设计地面标高，m
?　　　L_i --- 各管段长度，m
?　　　D_z --- 上游管段管径或汇合处最大管径，m
?　　　H_z --- 上游管段终端管内底标高或汇合处最低的管内底标高，m
?　　　N --- 参与计算的管段数
?　　　K --- 计算管段的序号
?　　　D_max --- 系统可能的最大管径，m
　　若水力计算求得的坡度不大于平均坡度i_av的某个变化范围(0.8～1.2倍)，管径可以采用。否则将管径放大一号再行计算，直到满足上述要求为止。?
　　整个计算流程如图3：

?

　　计算后输出的结果包括图形、计算书等。其中图形指把单线方案图转化为正式设计图(如图4)，

　　并且依据上下游关系在井与井之间和管线与管线之间按双向链表的数据结构建立前驱和后继的关联，为下一步编辑操作打下数学基础。如当用户调整某一管段参数后，可按要求自动调整该管段上、下游或到指定管段之间的所有管段及井的参数。?

3 结束语

　　在系统的开发中针对枝状管网图形的识别及建模问题采用二叉树结构，解决了管网关系的智能分析和存储问题，在建立管网数据结构的基础上通过不同的控制点高程值得到不同的管径、埋深及造价的组合值，供用户择优选用。实现了由方案图向施工图的一次性自动转化。排水管网优化设计的算法目前有很多，可视不同情况选用，以便多方案比较。其中管网建模算法和优化算法都具有可移植性。

参考文献

　　1 朱战立. 数据结构-使用C语言. 西安:西安交通大学出版社，1997?
　　2 重庆建筑大学. 排水工程:上册. 北京：中国建筑工业出版社，1988?

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　　作者通讯处：102600 北京黄村林梭北路7号?
　　(收稿日期 1998-07-06)