一種模擬大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的模擬方法，首先，新建或者導(dǎo)入大跨結(jié)構(gòu)復(fù)雜異形屋面模型；其次，對(duì)水流質(zhì)點(diǎn)定義重力荷載、風(fēng)荷載、粘性阻力系數(shù)，以及與屋面曲面之間的摩擦力系數(shù)；最后，預(yù)設(shè)初始時(shí)間步長(zhǎng)和計(jì)算容許殘差，通過(guò)計(jì)算模擬得到屋面流水形態(tài)。本發(fā)明的方法，綜合考慮屋面水流在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的各種作用力，更加符合實(shí)際情況，可快速地模擬屋面水流形態(tài)；通過(guò)參數(shù)化設(shè)計(jì)，可通過(guò)交互式操作對(duì)屋面建筑結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整優(yōu)化，模擬出屋面水流形態(tài)；并且可以進(jìn)一步將水流位移等形態(tài)通過(guò)動(dòng)畫形式直觀表現(xiàn)模擬結(jié)果。
【專利說(shuō)明】一種模擬大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種模擬大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的方法，屬于建筑工程【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，國(guó)內(nèi)在對(duì)大型場(chǎng)館建筑屋面的設(shè)計(jì)方面，越來(lái)越注重屋面形狀的復(fù)雜性和獨(dú)特性，而這往往導(dǎo)致屋面排水路徑過(guò)長(zhǎng)，大面積雨水匯聚于結(jié)構(gòu)效應(yīng)敏感區(qū)域，造成結(jié)構(gòu)破壞甚至引起倒塌；因而在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，快速掌握屋面水流形態(tài)，充分了解屋面排水功能顯得非常重要。
[0003]在初期階段，對(duì)屋面形狀的確定，需要盡可能滿足快捷排水的要求，這就需要排水路徑短，水流盡量向結(jié)構(gòu)的支座處匯集，且水流分布要均勻分散，屋面曲率適當(dāng)；而對(duì)于外形已經(jīng)確定的，則需要從屋面雨水流經(jīng)的途徑、匯聚的方向以及集中的程度等角度對(duì)雨水荷載做出專項(xiàng)分析，確保結(jié)構(gòu)的安全。
[0004]綜上，實(shí)現(xiàn)在大型復(fù)雜屋面建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期能快速地確定水流形態(tài)，將為工程實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)非常大的意義和價(jià)值。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種數(shù)值模擬方法，達(dá)到快速直觀的模擬大型復(fù)雜屋面的水流形態(tài)，改善排水路徑，對(duì)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供建議。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:通過(guò)計(jì)算每個(gè)粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的重力荷載、風(fēng)荷載、粘性阻力和摩擦力等各種作用力，基于牛頓第二定律，采用四階Runge-Kutta法顯式求解運(yùn)動(dòng)微分方程,計(jì)算得到水流粒子在每個(gè)時(shí)間步下的位移點(diǎn)，并以動(dòng)畫形式實(shí)現(xiàn)對(duì)排水軌跡、水量堆積區(qū)域等屋面流水形態(tài)的直觀表現(xiàn)。
[0007]一種模擬大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的方法，其特征是，
[0008]首先，新建或者導(dǎo)入大跨結(jié)構(gòu)復(fù)雜異形屋面模型；
[0009]其次，對(duì)水流質(zhì)點(diǎn)定義重力荷載、風(fēng)荷載、粘性阻力系數(shù)，以及與屋面曲面之間的摩擦力系數(shù)；
[0010]最后，預(yù)設(shè)初始時(shí)間步長(zhǎng)和計(jì)算容許殘差，通過(guò)計(jì)算模擬得到屋面流水形態(tài)。
[0011]通過(guò)計(jì)算每個(gè)粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的各種作用力，基于牛頓第二定律公式(I)得到粒子加速度a，借助數(shù)值積分求解微分方程得到水流粒子新的位移點(diǎn)，最終隨時(shí)間更新各變量得到屋面水流形態(tài)，
[0012]F = m . a = m -V(I)
[0013]其中，F(xiàn)為物體所受的合外力，m為物體的質(zhì)量，為加速度。
[0014]水流粒子所受到的作用力包括重力G、風(fēng)荷載W、粘性阻力fd、摩擦力fs、屋面反力N，其中，水流粒子接觸點(diǎn)切線與水平方向夾角Θ，
[0015]粘性阻力fd的表達(dá)式為公式(2)，式中kd為粘性系數(shù)，V為速度，作用力隨著粒子運(yùn)動(dòng)處于變化狀態(tài)，[0016]fd=kd.V (2)
[0017]水流質(zhì)點(diǎn)與屋面曲面之間的接觸力，首先按照水流質(zhì)點(diǎn)與曲面的最近距離來(lái)判斷兩者是否接觸；在判斷兩者接觸后，計(jì)算接觸點(diǎn)在曲面的切線和法線方向，根據(jù)粒子在法線方向的受力平衡建立受力狀態(tài)方程，結(jié)合摩擦力系數(shù)，通過(guò)公式(3)和公式(4)計(jì)算得到粒子在曲面切線方向的摩擦力fs大小，
[0018]N=mg.cos Θ +w.sin θ(3)
[0019]fs= μ s.N(4)
[0020]式中，m為水流粒子質(zhì)量，g為重力加速度，風(fēng)荷載w在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通常保持不變，直接賦予常量值，Us為水滴與屋面的摩擦系數(shù)。
[0021]在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，粒子速度和曲面曲率處于變化狀態(tài)；計(jì)算中涉及對(duì)常微分方程進(jìn)行求解，采用顯式的四階Runge-Kutta法來(lái)求解常微分方程，其局部截?cái)嗾`差為0(h5)，全區(qū)間整體誤差為O (h4)，對(duì)應(yīng)定義的時(shí)間步長(zhǎng)At，單個(gè)粒子的位移方程表達(dá)為公式(5)所示:
[0022]
【權(quán)利要求】
1.一種模擬大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的方法，其特征是， 首先，新建或者導(dǎo)入大跨結(jié)構(gòu)復(fù)雜異形屋面模型； 其次，對(duì)水流質(zhì)點(diǎn)定義重力荷載、風(fēng)荷載、粘性阻力系數(shù)，以及與屋面曲面之間的摩擦力系數(shù)； 最后，預(yù)設(shè)初始時(shí)間步長(zhǎng)和計(jì)算容許殘差，通過(guò)計(jì)算模擬得到屋面流水形態(tài)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的方法，其特征是， 通過(guò)計(jì)算每個(gè)粒子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中受到的各種作用力，基于牛頓第二定律公式(I)得到粒子加速度a，借助數(shù)值積分求解微分方程得到水流粒子新的位移點(diǎn)，最終隨時(shí)間更新各變量得到屋面水流形態(tài)，
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的模擬大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的方法，其特征是， 水流粒子所受到的作用力包括重力G、風(fēng)荷載W、粘性阻力fd、摩擦力fs、屋面反力N，其中，水流粒子接觸點(diǎn)切線與水平方向夾角Θ， 粘性阻力fd的表達(dá)式為公式(2)，式中kd為粘性系數(shù)，V為速度，作用力隨著粒子運(yùn)動(dòng)處于變化狀態(tài)， fd=kd * V(2) 水流質(zhì)點(diǎn)與屋面曲面之間的接觸力，首先按照水流質(zhì)點(diǎn)與曲面的最近距離來(lái)判斷兩者是否接觸；在判斷兩者接觸后，計(jì)算接觸點(diǎn)在曲面的切線和法線方向，根據(jù)粒子在法線方向的受力平衡建立受力狀態(tài)方程，結(jié)合摩擦力系數(shù)，通過(guò)公式(3)和公式(4)計(jì)算得到粒子在曲面切線方向的摩擦力fs大小， N=mg.cos Θ +w.sin θ(3) fs= μ s.N(4) 式中，m為水流粒子質(zhì)量，g為重力加速度，風(fēng)荷載w在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中通常保持不變，直接賦予常量值，Us為水滴與屋面的摩擦系數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的模擬大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的方法，其特征是， 在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，粒子速度和曲面曲率處于變化狀態(tài)；計(jì)算中涉及對(duì)常微分方程進(jìn)行求解，采用顯式的四階Runge-Kutta法來(lái)求解常微分方程，其局部截?cái)嗾`差為0(h5)，全區(qū)間整體誤差為O (h4)，對(duì)應(yīng)定義的時(shí)間步長(zhǎng)At，單個(gè)粒子的位移方程表達(dá)為公式(5)所示:
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的模擬大型復(fù)雜屋面水流形態(tài)的方法，其特征是，基于三維建模軟件Rhino的參數(shù)化插件Grasshopper,以曲面形式新建或者導(dǎo)入大跨結(jié)構(gòu)復(fù)雜異形屋面模型。
【文檔編號(hào)】G06T13/20GK103761380SQ201410018860
【公開日】2014年4月30日 申請(qǐng)日期:2014年1月16日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月16日
【發(fā)明者】張謹(jǐn), 談麗華, 路江龍, 楊律磊, 龔敏鋒 申請(qǐng)人:蘇州工業(yè)園區(qū)設(shè)計(jì)研究院股份有限公司