基于AutoCAD的通风管道系统的优化

吴翠翠?贾宣墨?张嘉琦?田昊

摘要：当前通风管道系统的尺寸优化主要由人工完成，效率较低，针对该问题，分析了通风管道系统的结构特性，选用了B树作为基本数据结构，根据通风管道中线图及其连通特性建立管路构建方法。依据通风管道中风速、风量与截面积的关系，计算出各个管道的理论截面积，确定了管道截面尺寸优化策略。最后使用上述方法针对某通风管道进行了优化设计。

关键词：AutoCAD；通风管道；B树；尺寸优化

一、前言

通风系统是工程建设中的重要部分[1-2]，在工程建筑中起着至关重要的作用。根据建筑规范和相关标准，通风措施费通常占工程造价的3%-5%[3-5]。随着国内国际市场的进一步接轨，工程建设市场正在发生深刻的变化，越来越多的业主选择海外国际工程总承包（Engineering Procurement Construction，以下简称EPC）模式。EPC模式的最大优势在于发挥设计的主导作用，通过在设计龙头端开展对项目的整体策划及优化，最终满足业主要求，同时，减少人工和原料成本[6-7]。

目前設计行业存在设计进度紧、设计质量粗糙、设计人员成本意识不强等问题，造成设计阶段成本难以控制。因此，大多EPC项目承包方会选择设计优化，对原设计图纸进行二次优化，从而达到降低人工成本、优化原材料成本的目的[8]。

由于市场设计优化均为人工优化，且需要专业技术人员耗费大量时间精力才可完成，因此，现阶段设计优化人力成本较高。为解决设计优化成本过高的问题，拟进行课题立项，开展对CAD图纸的风管尺寸自动优化技术的研究。

二、数据结构

通风系统包括排烟系统、加压送风系统、通风及空调系统、车库通风系统[9]，归纳这几种通风系统，通常包含一个或多个主干管及多级分支组成，因此该系统可以采用B树（B-tree）数据结构。B树是一种自平衡的树，能够保持数据有序。这种数据结构能够让查找数据、顺序访问、插入数据及删除的动作都在对数时间内完成[10-13]。与二叉树相比，B树可以拥有多于2个子节点。与自平衡二叉树相比，B树可为系统大块数据的操作进行优化，从而加快操作速度。图1所示为本文采用数据结构示意图。

图2所示为某管道，根节点即主干管有三个分支，分别为1级分支1、1级分支2、1级分支3。1级分支1有一个分支（2级分支1）和一个风口（风口2），依次类推。

三、管路构建方法

首先取主干管的两个端点（端点1、端点2），依次从端点1和端点2开始构建管路。以端点1为例，取所有剩余管道中距离端点1最近的管道，并记录端点1到管道的距离，如果该距离小于等于设定的阈值（建议取0.001mm），将该管道设置为主干管的支管，并更新待构建点集合剩余管道集合。如果该距离大于阈值，则管路构建失败。

点到管道的距离计算可分为三种情况，点到管道中心线的垂足在中心线上、点到管道中心线的距离在其延长线上、点到管道中心线的垂足在其反向延长线上。

设管道中心线起点坐标为P1，终点为P2，则任意一点 在管道中心线上的垂足为PF，则有

有上式可知，当r=1时，可以取得min（L2 ），此时有h=w，即管道的截面为正方形。

综上所述，管道截面尺寸的选取原则如下：

1.截面积大于计算面积。

2.选取所有符合条件1的截面积中，宽高比最小的截面积。

五、技术路线

图3所示为本文采用的技术路线。

首先进行系统参数设置，如最大风速、最小风速、通风管道类型等。系统预设了四种通风类型，分别为排烟系统、加压送风系统、通风及空调系统、车库通风系统（见图4）。

然后设置风口、管道、原始尺寸等信息。图5所示为风口管理窗口，包括选择风口、设置风口名称、设置风口风量等。图6所示为管道限高管理窗口，可以为不同的管道设置限高数据。

第三步开始系统优化，包括管道构建、风速计算。按照管路构建方法构建管路，以B树的结构保存管道连通关系。按照系统设置的最大、最小风速，分别为各个管道设计风速。根据前文建立的管道尺寸优化策略为各个管道选定截面。

最后可以绘制图形、查看结果、导出优化后的数据。

六、优化结果

图7所示为某通风管道系统的优化结果，并将优化后的管道截面属性绘制在管道旁边，蓝色的图块表示风口，红色线条为风管，黑色的圆圈表示风管的中点。标注尺寸为“宽x高”，单位为mm。表1列出了各个管道的尺寸和管道的长度，根据该表，很方便进行后续计算。

七、结语

本文采用树表示管道结构，主干管为该树的根节点，通过管道的连通性构建B树。按照风速与管道面积之间的关系，计算了管道的理论截面积，并建立了截面优化原则。根据以上方法，进行了通风管道的优化计算，输出管道截面的优化结果，并输出各个管道的截面属性及管道长度。

参考文献

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责任编辑：张津平