錢子俊

(浙江綠城建筑設(shè)計(jì)有限公司,浙江 杭州 310007)

Microsoft excel是一款功能非常強(qiáng)大的電子表格軟件。它可以輕松地完成數(shù)據(jù)的各類運(yùn)算,再配合使用填充柄可以快速將公式復(fù)制到相鄰單元格,進(jìn)行批量數(shù)學(xué)和函數(shù)運(yùn)算,從而大大簡(jiǎn)化了數(shù)據(jù)的處理工作。但是以Excel的常用功能函數(shù)處理較復(fù)雜的迭代運(yùn)算時(shí),仍需進(jìn)行大量的人工操作。Excel的VBA宏功能的引入則使其具有了無(wú)限的擴(kuò)展性,因而可以很好地解決復(fù)雜數(shù)據(jù)的處理問(wèn)題。

本文探討利用Excel的VBA宏功能,創(chuàng)建一個(gè)自定義函數(shù),通過(guò)此函數(shù)批量計(jì)算減壓孔板的孔徑值,可以減少設(shè)計(jì)工作量,也為處理建筑給排水專業(yè)其他類似計(jì)算問(wèn)題提供了一種解決方案。

1 Excel的VBA宏簡(jiǎn)介

Visual Basic for Applications(VBA)是Visual Basic的一種宏語(yǔ)言,是微軟開發(fā)出來(lái)在其桌面應(yīng)用程序中執(zhí)行通用的自動(dòng)化(OLE)任務(wù)的編程語(yǔ)言。主要能用來(lái)擴(kuò)展Windows的應(yīng)用程序功能,特別是Microsoft Office軟件。因此,對(duì)于在工作中需要經(jīng)常使用Excel軟件的用戶,學(xué)用VBA 有助于使工作自動(dòng)化,提高工作效率。

2 減壓孔板的計(jì)算方法

《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50084—2017)》[1](以下簡(jiǎn)稱《新噴規(guī)》)第8.0.7條,輕危險(xiǎn)級(jí)、中危險(xiǎn)級(jí)場(chǎng)所中各配水管入口的壓力均不宜大于0.40 MPa。一般減壓孔板前壓力H1為已知值,因此,通過(guò)此條文可以求得減壓孔板的水頭損失Hk。

《新噴規(guī)》第9.3.3條,減壓孔板的水頭損失按下式計(jì)算：

(1)

(2)

Vk=Q/A

(3)

式中：dk為減壓孔板的孔口直徑,mm；

Hk為減壓孔板的水頭損失,10 kPa；

Vk為減壓孔板后管道內(nèi)水的平均流速,m/s；

ξ為減壓孔板的局部阻力系數(shù)；

A為管道截面積,m2。

從公式可以看出,減壓孔板的孔口直徑dk和管段管徑D對(duì)水頭損失有較大影響,確定這兩個(gè)數(shù)據(jù)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果有重要意義。

《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(GB 50974—2014)》[2]第10.3.3條規(guī)定,減壓孔板的孔口計(jì)算內(nèi)徑dk,取值應(yīng)按減壓孔板孔口直徑減 1 mm確定。而《新噴規(guī)》是按減壓孔板的孔口直徑確定。兩本規(guī)范對(duì)dk的取值存在矛盾之處,筆者認(rèn)為,減壓孔板的孔口計(jì)算內(nèi)徑dk應(yīng)按《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(GB 50974—2014)》的取值方法。因?yàn)楣艿纼?nèi)的連續(xù)流動(dòng)流體在經(jīng)過(guò)孔板時(shí),流體截面急劇收縮,在管壁處產(chǎn)生阻力大,流速降低大,流速低,壓力高；而管道中心處流速大,壓力低,其結(jié)果使流體在徑向由孔板中心至邊緣形成加速度。在這一徑向加速度的影響下,靠近管壁的流體質(zhì)點(diǎn)流向發(fā)生偏轉(zhuǎn)向孔板口處流動(dòng),形成流束的局部收縮(圖1),由于慣性作用,在管子突然縮小處流動(dòng)截面并不立即擴(kuò)大到與小管的截面積相等,而是繼續(xù)收縮一定距離后才逐漸擴(kuò)大到整個(gè)小管截面。

圖1 流體在節(jié)流后流速收縮圖

陳禮洪等[3]論述了給水管直徑D的取值對(duì)孔板水頭損失計(jì)算影響。對(duì)計(jì)算內(nèi)徑小于公稱直徑的管(如DN70、DN80),剩余水頭減得不夠,影響系統(tǒng)均勻配水；對(duì)計(jì)算內(nèi)徑大于公稱直徑的管(如DN100、DN125、DN150),所減水壓大于剩余水頭,影響系統(tǒng)供水的安全。推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《低壓流體輸送用焊接鋼管(GB/T 3091—2008)》計(jì)算內(nèi)徑的值也有所不同,見表1。

表1 鍍鋅鋼管計(jì)算內(nèi)徑

目前工程設(shè)計(jì)中,減壓孔板的計(jì)算主要有兩種方法：查表法和計(jì)算軟件法。

查表法是將各種不同管徑、孔板孔徑及流速(v通常取1 m/s)代入式(1)和式(2)中,求得相應(yīng)的Hk,并將所得的Hk編成減壓孔板的水頭損失表。使用時(shí),只要已知剩余水頭H及給水管直徑D,就可從表中查得所需孔板孔徑d。若水流通過(guò)孔板后的實(shí)際流速v不等于1 m/s時(shí),則須按式(4)進(jìn)行修正,并按修正后的剩余水頭查表。此法過(guò)程繁瑣,工作量大,且計(jì)算精度不能保證。

(4)

式中：H′為流速為1 m/s的剩余水頭,kPa；

H為設(shè)計(jì)剩余水頭,kPa。

計(jì)算軟件法是利用各種減壓孔板計(jì)算軟件,通過(guò)輸入管徑、流量、減壓值,由軟件得到計(jì)算結(jié)果。此方法每次只能輸入一個(gè)減壓值,得到一個(gè)結(jié)果,對(duì)多次運(yùn)算計(jì)算量也較大。但是由于不能看到計(jì)算的中間過(guò)程,因此對(duì)計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確性不能保證。

3 VBA宏功能實(shí)現(xiàn)批量計(jì)算

在工程計(jì)算中,減壓孔板前壓力H1，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流量Q和管段管徑D為已知值,而孔板直徑dk和減壓后壓力H2為未知值。在減壓孔板的計(jì)算中,通過(guò)對(duì)孔板直徑的迭代運(yùn)算,求得不同孔板直徑的水頭損失,使得最終的減壓后壓力H2<40 m。對(duì)于設(shè)噴淋系統(tǒng)的高層或超高層建筑,由于每層減壓前壓力值H1不同,計(jì)算各層減壓孔板時(shí),都需要通過(guò)多次迭代,求得孔板直徑。

VBA的編程語(yǔ)言,在迭代運(yùn)算中具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì),且能自動(dòng)判斷計(jì)算值是否符合預(yù)期值。通過(guò)編寫一個(gè)自定義函數(shù),運(yùn)用DO/Until的循環(huán)功能,可求得減壓孔板值,再結(jié)合Excel的自動(dòng)填充柄功能,即可實(shí)現(xiàn)批量計(jì)算減壓孔板孔徑值。

對(duì)減壓孔板進(jìn)行計(jì)算的VBA宏程序代碼如下：

Public Function Func(H1 As Double, pipe_dn As Integer, Q As Single);定義函數(shù)名Func

Dim g As Single, hole_dn As Integer, s As Double, H0 As Double, H2 As Double, V As Double

Dim pi As Double, X As Single

pi = 3.14159265258979

hole_dn = 100

Select Case H1

Case Is > 40

Do

hole_dn = hole_dn - 1

s = (1.75 * (pipe_dn) ^ 2 * (1.1 - (hole_dn - 1) ^ 2 / (pipe_dn) ^ 2) / ((hole_dn - 1) ^ 2 * (1.175 - (hole_dn - 1) ^ 2 / (pipe_dn) ^ 2)) - 1) ^ 2

V = 4000 * Q / (pi * (pipe_dn) ^ 2)

H0 = s * (V) ^ 2 / 2 / 9.81

H2 = H1 - H0

Loop Until H2 < 40;若H2<40則退出循環(huán)。

FUNc = hole_dn

Case Is <= 40

FUNc = "不減壓"

End Select

End Function

實(shí)際操作步驟如下(以Excel 2013版本為例)：

第一步：首先新建Excel文件,然后另存為減壓孔板計(jì)算.xlsm(Excel啟用宏的工作簿),點(diǎn)擊“開發(fā)工具”面板,點(diǎn)擊“Visual Basic”按鈕。

第二步：在打開的VBA編輯器中,右鍵“VBAProject”—“插入”—“模塊”。

第三步：把上面的VBA宏內(nèi)容復(fù)制到VB編輯器中；

第四步：保存成功后,關(guān)閉VB編輯器。至此,在Excel中可調(diào)用自定義函數(shù)Func。

用《新噴規(guī)》附錄D的表格值驗(yàn)算計(jì)算值是否滿足要求。

取H1=61 m,Q=30 L/s,dk=50 mm,dj=100 mm,dk/dj=0.5,查表得ζ=29.5。

Hk=29.5×3.8192/2×9.81=21.92

因此減壓后壓力H2=61-21.92=39.08 m<40 m,滿足減壓要求。

將上述H1、dj、Q值分別輸入Excel中A1、B1、C1單元格,在D1單元格輸入=Func(A1;B1;C1),得到減壓孔板孔徑為51 mm(計(jì)算內(nèi)徑dk=50 mm),與上述驗(yàn)算孔徑一致,表明該宏功能符合計(jì)算要求。

4 工程實(shí)例應(yīng)用

某超高層住宅項(xiàng)目,地上37層,每層層高均為3.15 m,噴淋系統(tǒng)設(shè)3個(gè)分區(qū),噴淋1區(qū)為1～14 層,噴淋2區(qū)為15～29層,噴淋3區(qū)為30～37層。

計(jì)算出各分區(qū)的起始層樓面處的壓力值如下,噴淋1區(qū)1層地坪處的噴淋壓力約為0.85 MPa,噴淋2區(qū)15層地坪處的噴淋壓力約為1.35 MPa,噴淋3區(qū)30層地坪處的噴淋壓力約為1.60 MPa。由于每層層高相同,通過(guò)起始層的壓力值,運(yùn)用填充柄功能,得到各樓層的減壓孔板前壓力。在減壓孔板孔徑的一欄輸入如下公式=Func(B1;B2;B3),再利用填充柄功能自動(dòng)計(jì)算得到需要減壓的樓層及其減壓孔板的孔徑規(guī)格。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 減壓孔板計(jì)算表

注：減壓孔板處管道計(jì)算管徑均為106 mm；噴淋設(shè)計(jì)流量按30 L/s計(jì)。

通過(guò)此方法,將原先至少需要進(jìn)行37次反復(fù)運(yùn)算的操作,變成了一次填充操作,大大減少了工作量,避免了人為計(jì)算失誤,準(zhǔn)確率高。

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(GB 50974—2014)》和《自動(dòng)噴水滅火系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50084—2017)》關(guān)于減壓孔板計(jì)算內(nèi)徑不一致,筆者認(rèn)為應(yīng)按《消防給水及消火栓系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范(GB 50974—2014)》的取值方法確定。

2) 運(yùn)用VBA宏功能,對(duì)于減壓孔板的多次反復(fù)運(yùn)算,有助于減少重復(fù)計(jì)算工作量,有利于提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

3) VBA宏作為Office的擴(kuò)展功能,是簡(jiǎn)化給排水設(shè)計(jì)計(jì)算的利器,為簡(jiǎn)化建筑給排水計(jì)算提供了一種解決思路。