(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210837059.0 (22)申请日 2022.07.15 (71)申请人 中南建筑设计院股份有限公司 地址 430071 湖北省武汉市武昌区中南 二 路 (72)发明人 张慎　王义凡　孟凡凯　程明　 辜文飞　 (74)专利代理 机构 湖北武汉 永嘉专利代理有限 公司 42102 专利代理师 钟锋　张宇 (51)Int.Cl. G06F 30/13(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06F 111/08(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种考虑风雨耦合作用的大跨屋面排水性 能计算方法 (57)摘要 本发明公开了一种考虑风雨耦合作用的大 跨屋面排水性能计算方法， 基于建筑参数化BIM 模型和CFD实现， 包括： 将已有的屋顶曲面造型和 排水设施参数化； 提取建筑屋面整体建筑模型， 设置CFD模拟分析需要的边界条件， 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； 进行单位时间积水量可视化分析， 提取屋面 积雨量数据文件； 进行雨水径流分析， 统计单位 时间内排水量； 复核屋面排水设施是否达到排水 要求， 如果不是， 则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。 本发明考虑了 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， 为大跨空间建筑的排水设施复核提供数 字化技术依据。 权利要求书2页 说明书7页 附图5页 CN 115146359 A 2022.10.04 CN 115146359 A 1.一种考虑风 雨耦合作用的大跨屋面 排水性能计算方法， 其特 征在于， 包括： 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； 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； 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； 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； S5： 根据给定降雨事件中排水口位置排水量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。 2.根据权利要求1所述的方法， 其特 征在于， 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， 建立统计收集 排水量的模拟监测点。 3.根据权利要求2所述的方法， 其特 征在于， 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建筑几何模型， 根据BIM模型场 地地理位置信息， 获取距离场地位置最近的气象站点历史气象气候观测数据， 同时结合绿 色建筑规范给出的气象气候数据， 综合确定给定条件下每小时降雨量、 湿度、 温度以及主导 风向的平均风速； 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， 将实际大 气边界层中雨滴假定为连续介质， 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。 4.根据权利要求3所述的方法， 其特 征在于， 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； 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直观显示大跨建筑屋面积水严重区域， 其中， 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。 5.根据权利要求 4所述的方法， 其特 征在于， 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粒径捕 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； 在真实屋面表面进行雨水径流分析计算， 将各测点视作屋面上的雨水点， 对每个雨水 点进行径流分析， 并且将所有有效计算结果的雨水点连接成曲线， 以完成径流分析， 得到径 流曲线。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115146359 A 26.根据权利要求5所述的方法， 其特征在于， 对每个雨水点进行径流分析， 并且将所有 有效计算结果的雨水点连接成曲线， 以完成径流分析， 得到径流曲线， 包括： 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， 用来模拟Pt1仅受重力作用时在曲面S上的移动方向， 接着将Pt2按照 该移动方向进行移动， 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Pt3更小， 证明Pt3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； 在所有雨水点进行径流分析之后， 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 有效计算结果的雨水点连接成曲线， 以完成径流分析， 得到径流曲线。 7.根据权利要求6所述的方法， 其特 征在于， 步骤S5包括： 在进行径流计算分析时， 将循环计算次数调至预设值， 以使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， 将聚集部位作为布置排 水口的最佳位置， 获取 各个排水口处排水流 量以及整个建筑屋面 雨水流量。 8.根据权利要求7 所述的方法， 其特 征在于， 获取 各个排水口处排水流 量， 包括： 将每个聚集部位的雨水点携带的雨滴捕 获率数据 取平均值， 乘以不同设计条件下的降 雨强度， 得到实际计算的降雨 强度， 再乘以各个排水口所覆盖的汇水面积， 得到单位时间内 各排水口处的流 量。 9.根据权利要求8所述的方法， 其特 征在于， 获取整个建筑屋面 雨水流量， 包括： 将所有雨水点携带的雨滴捕 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， 同时， 根据设计规 范要求得到建筑屋面设计雨水流 量； 将计算雨水流量与设计雨水流量进行对比， 计算雨水流量与设计雨水流量之间取包络 值， 以对设计规范进行补充完 善， 或对排水系统设计结果进行复核。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115146359 A 3