基于AutoCAD的通風管道系統的優化

吳翠翠?賈宣墨?張嘉琦?田昊

摘要：當前通風管道系統的尺寸優化主要由人工完成，效率較低，針對該問題，分析了通風管道系統的結構特性，選用了B樹作為基本數據結構，根據通風管道中線圖及其連通特性建立管路構建方法。依據通風管道中風速、風量與截面積的關系，計算出各個管道的理論截面積，確定了管道截面尺寸優化策略。最后使用上述方法針對某通風管道進行了優化設計。

關鍵詞：AutoCAD；通風管道；B樹；尺寸優化

一、前言

通風系統是工程建設中的重要部分[1-2]，在工程建筑中起著至關重要的作用。根據建筑規范和相關標準，通風措施費通常占工程造價的3%-5%[3-5]。隨著國內國際市場的進一步接軌，工程建設市場正在發生深刻的變化，越來越多的業主選擇海外國際工程總承包（Engineering Procurement Construction，以下簡稱EPC）模式。EPC模式的最大優勢在于發揮設計的主導作用，通過在設計龍頭端開展對項目的整體策劃及優化，最終滿足業主要求，同時，減少人工和原料成本[6-7]。

目前設計行業存在設計進度緊、設計質量粗糙、設計人員成本意識不強等問題，造成設計階段成本難以控制。因此，大多EPC項目承包方會選擇設計優化，對原設計圖紙進行二次優化，從而達到降低人工成本、優化原材料成本的目的[8]。

由于市場設計優化均為人工優化，且需要專業技術人員耗費大量時間精力才可完成，因此，現階段設計優化人力成本較高。為解決設計優化成本過高的問題，擬進行課題立項，開展對CAD圖紙的風管尺寸自動優化技術的研究。

二、數據結構

通風系統包括排煙系統、加壓送風系統、通風及空調系統、車庫通風系統[9]，歸納這幾種通風系統，通常包含一個或多個主干管及多級分支組成，因此該系統可以采用B樹（B-tree）數據結構。B樹是一種自平衡的樹，能夠保持數據有序。這種數據結構能夠讓查找數據、順序訪問、插入數據及刪除的動作都在對數時間內完成[10-13]。與二叉樹相比，B樹可以擁有多于2個子節點。與自平衡二叉樹相比，B樹可為系統大塊數據的操作進行優化，從而加快操作速度。圖1所示為本文采用數據結構示意圖。

圖2所示為某管道，根節點即主干管有三個分支，分別為1級分支1、1級分支2、1級分支3。1級分支1有一個分支（2級分支1）和一個風口（風口2），依次類推。

三、管路構建方法

首先取主干管的兩個端點（端點1、端點2），依次從端點1和端點2開始構建管路。以端點1為例，取所有剩余管道中距離端點1最近的管道，并記錄端點1到管道的距離，如果該距離小于等于設定的閾值（建議取0.001mm），將該管道設置為主干管的支管，并更新待構建點集合剩余管道集合。如果該距離大于閾值，則管路構建失敗。

點到管道的距離計算可分為三種情況，點到管道中心線的垂足在中心線上、點到管道中心線的距離在其延長線上、點到管道中心線的垂足在其反向延長線上。

設管道中心線起點坐標為P1，終點為P2，則任意一點 在管道中心線上的垂足為PF，則有

有上式可知，當r=1時，可以取得min（L2 ），此時有h=w，即管道的截面為正方形。

綜上所述，管道截面尺寸的選取原則如下：

1.截面積大于計算面積。

2.選取所有符合條件1的截面積中，寬高比最小的截面積。

五、技術路線

圖3所示為本文采用的技術路線。

首先進行系統參數設置，如最大風速、最小風速、通風管道類型等。系統預設了四種通風類型，分別為排煙系統、加壓送風系統、通風及空調系統、車庫通風系統（見圖4）。

然后設置風口、管道、原始尺寸等信息。圖5所示為風口管理窗口，包括選擇風口、設置風口名稱、設置風口風量等。圖6所示為管道限高管理窗口，可以為不同的管道設置限高數據。

第三步開始系統優化，包括管道構建、風速計算。按照管路構建方法構建管路，以B樹的結構保存管道連通關系。按照系統設置的最大、最小風速，分別為各個管道設計風速。根據前文建立的管道尺寸優化策略為各個管道選定截面。

最后可以繪制圖形、查看結果、導出優化后的數據。

六、優化結果

圖7所示為某通風管道系統的優化結果，并將優化后的管道截面屬性繪制在管道旁邊，藍色的圖塊表示風口，紅色線條為風管，黑色的圓圈表示風管的中點。標注尺寸為“寬x高”，單位為mm。表1列出了各個管道的尺寸和管道的長度，根據該表，很方便進行后續計算。

七、結語

本文采用樹表示管道結構，主干管為該樹的根節點，通過管道的連通性構建B樹。按照風速與管道面積之間的關系，計算了管道的理論截面積，并建立了截面優化原則。根據以上方法，進行了通風管道的優化計算，輸出管道截面的優化結果，并輸出各個管道的截面屬性及管道長度。

參考文獻

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責任編輯：張津平