何亞南 (北京市大興縣市政工程設(shè)計(jì)所)
韓　飛 (北京市大興縣第一建筑工程公司)

　　在室外雨污水管網(wǎng)設(shè)計(jì)時，如何對方案草圖識別和存儲及在此基礎(chǔ)上的管網(wǎng)水力計(jì)算是兩個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)多年的探索，筆者在微機(jī)圖形軟件包AUTOCAD R14版的平臺上開發(fā)了從方案到成果圖(包括計(jì)算書)的室外管網(wǎng)輔助設(shè)計(jì)軟件WPIPE，其中包括給水、熱力及雨污水等。以下以污水管網(wǎng)為例說明WPIPE的設(shè)計(jì)方法。?

1 方案草圖的識別和存儲模型

　　管網(wǎng)分為樹枝狀和環(huán)狀兩種，雨污水管網(wǎng)是典型的枝狀管網(wǎng)。對枝狀管網(wǎng)可定義如下：管網(wǎng)中任意兩點(diǎn)間有且只有一條聯(lián)通的路徑(見圖1)。

　　假設(shè)B點(diǎn)為排出口控制點(diǎn)，則相對的A點(diǎn)是這個管網(wǎng)中的最遠(yuǎn)點(diǎn)，把這個管網(wǎng)模型看成是一棵樹，樹的節(jié)點(diǎn)即是檢查井，井間管線則把上下游兩個檢查井聯(lián)系在一起，B點(diǎn)為樹的根節(jié)。在圖論中，盡管樹的存儲結(jié)構(gòu)方式有多種，但這些存儲結(jié)構(gòu)或者增加存儲空間的開銷，或者某些算法低效。由于二叉樹結(jié)構(gòu)的建立、遍歷訪問等算法十分成熟且高效，因此，在開發(fā)中采用二叉樹作為管網(wǎng)建模的存儲結(jié)構(gòu)，從圖1中的A點(diǎn)出發(fā)，沿水流方向依次訪問下游節(jié)點(diǎn)，當(dāng)碰到有分支的節(jié)點(diǎn)(如C點(diǎn))時便沿分支進(jìn)行回溯，當(dāng)對該節(jié)點(diǎn)的所有分支都回溯完畢后，則進(jìn)行下一個節(jié)點(diǎn)，直至訪問到根節(jié)點(diǎn)B為止。通過這一個遍歷的過程，便可完成管網(wǎng)的建模過程。在說明算法前約定構(gòu)圖實(shí)體均為線(LINE)實(shí)體，且均在同一圖層(LAYER)上。任一條直線段都可通過起點(diǎn)坐標(biāo)Ps和終點(diǎn)坐標(biāo)Pt來定義，把Ps和Pt作為兩個結(jié)點(diǎn)，該直線則說明這兩個結(jié)點(diǎn)的前驅(qū)(或后繼)關(guān)系。結(jié)點(diǎn)可用下述結(jié)構(gòu)來定義：
　　typedef struct node{?
　　　　float point［3］；　//　結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)?
　　　　node ＊ Left；　//　指向結(jié)點(diǎn)的左子樹?
　　　　node ＊ right；　//　指向結(jié)點(diǎn)的右子樹?
　　}TNODE;?
　　利用這個結(jié)構(gòu)建立的二叉樹鏈表可以準(zhǔn)確地在計(jì)算機(jī)中存儲任何枝狀管網(wǎng)。?
　　實(shí)現(xiàn)算法的流程見圖2：

　　由圖2見這是將樹轉(zhuǎn)化為二叉樹的過程，通過上述方法得到的存儲結(jié)構(gòu)又稱為孩子兄弟表示法。對這個樹的各個結(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問，就可用各種現(xiàn)成的遍歷算法如前序、中序或后序遍歷。

2 管網(wǎng)計(jì)算

　　管網(wǎng)的連接關(guān)系在計(jì)算機(jī)中建立了以二叉樹為基礎(chǔ)的數(shù)學(xué)模型后，下一步即選擇合適的求解優(yōu)化方法。本系統(tǒng)采用的方法是根據(jù)計(jì)算控制標(biāo)高H_K0值來求出整個管道系統(tǒng)所有管段的管徑、坡度和埋深的組合，并在此基礎(chǔ)上通過費(fèi)用函數(shù)求出管網(wǎng)系統(tǒng)的總造價，在實(shí)際工程，由用戶擇優(yōu)采用。?
　　程序的計(jì)算方法如下：?
　　將干管、支管都考慮為計(jì)算管段，分別予以編號，從起始管開始依次向下游進(jìn)行，當(dāng)計(jì)算至多根管段銜接處時，便從銜接處上游的另一條管道的起始管段開始再行計(jì)算，直到銜接處所有上游管道都計(jì)算完畢后，再向下進(jìn)行，直到整個系統(tǒng)計(jì)算完畢。
　　進(jìn)行高程計(jì)算時，依據(jù)管道系統(tǒng)終點(diǎn)的管內(nèi)底標(biāo)高H_K0按下面的公式計(jì)算管道的平均坡度i_av，由平均坡度i_av的變化控制各計(jì)算管道的坡度，并進(jìn)行管徑的選擇。
　　起始管段的平均坡度：
　　
?式中　H_m --- 最小覆土深度，m?
?　　　H_a --- 起始管段起端設(shè)計(jì)地面標(biāo)高，m
?　　　L_i --- 各管段長度，m
?　　　D_z --- 上游管段管徑或匯合處最大管徑，m
?　　　H_z --- 上游管段終端管內(nèi)底標(biāo)高或匯合處最低的管內(nèi)底標(biāo)高，m
?　　　N --- 參與計(jì)算的管段數(shù)
?　　　K --- 計(jì)算管段的序號
?　　　D_max --- 系統(tǒng)可能的最大管徑，m
　　若水力計(jì)算求得的坡度不大于平均坡度i_av的某個變化范圍(0.8～1.2倍)，管徑可以采用。否則將管徑放大一號再行計(jì)算，直到滿足上述要求為止。?
　　整個計(jì)算流程如圖3：

?

　　計(jì)算后輸出的結(jié)果包括圖形、計(jì)算書等。其中圖形指把單線方案圖轉(zhuǎn)化為正式設(shè)計(jì)圖(如圖4)，

　　并且依據(jù)上下游關(guān)系在井與井之間和管線與管線之間按雙向鏈表的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)建立前驅(qū)和后繼的關(guān)聯(lián)，為下一步編輯操作打下數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。如當(dāng)用戶調(diào)整某一管段參數(shù)后，可按要求自動調(diào)整該管段上、下游或到指定管段之間的所有管段及井的參數(shù)。?

3 結(jié)束語

　　在系統(tǒng)的開發(fā)中針對枝狀管網(wǎng)圖形的識別及建模問題采用二叉樹結(jié)構(gòu)，解決了管網(wǎng)關(guān)系的智能分析和存儲問題，在建立管網(wǎng)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上通過不同的控制點(diǎn)高程值得到不同的管徑、埋深及造價的組合值，供用戶擇優(yōu)選用。實(shí)現(xiàn)了由方案圖向施工圖的一次性自動轉(zhuǎn)化。排水管網(wǎng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的算法目前有很多，可視不同情況選用，以便多方案比較。其中管網(wǎng)建模算法和優(yōu)化算法都具有可移植性。

參考文獻(xiàn)

　　1 朱戰(zhàn)立. 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)-使用C語言. 西安:西安交通大學(xué)出版社，1997?
　　2 重慶建筑大學(xué). 排水工程:上冊. 北京：中國建筑工業(yè)出版社，1988?

---

　　作者通訊處：102600 北京黃村林梭北路7號?
　　(收稿日期 1998-07-06)