李云，马慧俊

（浙江省建筑设计研究院，杭州 310006）

减压孔板是一种对流体动压力进行减压的装置，在民用建筑消防设计中被广泛使用。GB 50974—2014《消防给水及消火栓系统技术规范》［1］中7.4.12条规定：消火栓栓口动压力不应大于0.50 MPa；当大于0.70 MPa时必须设置减压装置。GB 50084—2017《自动喷水灭火系统设计规范》［2］中8.0.7条规定：配水管道的布置，应使配水管入口的压力均衡。轻危险级、中危险级场所中各配水管入口压力均不宜大于0.40 MPa。为满足上述条文要求，在目前的工程设计中，尤其是高层建筑的设计，在某一消防系统分区的低楼层部位常需采用大量的减压孔板［3］，以抵消系统中的超压。减压孔板的选取以孔口直径大小为参照，而孔口直径计算公式复杂，非常规计算过程能够求解，工程设计中常使用第三方软件或Excel迭代计算，有些操作略显繁琐。

Python是一种解释型、面向对象、动态数据类型的交互式高级程序设计语言，目前已被应用于Web开发、软件开发、人工智能、科学计算和统计等诸多领域。Python简单易用、学习成本低，也越来越被非计算机专业背景的人所接受和应用。

减压孔板的正确设置与计算，是消防设计中的一项重要内容，因此本文针对减压孔板的计算难点，结合Python编程的计算功能，编程实现减压孔板孔口直径的快速计算。

1 减压孔板孔口直径的Python编程计算

1.1 减压孔板水头损失公式分析

GB 50974—2014中10.3.1条 及GB 50084—2017中9.3章节对减压孔板的设置作出了详细的要求，要点如下：①应设在直径不小于50 mm的水平直管段上，前后管段的长度均不宜小于该管段直径的5倍；②孔口直径不应小于设置管道直径的30%，且不应小于20 mm；③应采用不锈钢板材制作。同时，规范要求减压孔板的水头损失［2］按下式计算：

式中：Hk为减压孔板的水头损失，10－2MPa；Vk为减压孔板后管道内水的平均流速，m／s；g为重力加速度，m／s2；ξ为减压孔板的局部阻力系数；dk为减压孔板的孔口计算内径，mm；dj为管道的内径，mm。

从公式可知，dk和dj对水头损失影响较大。目前，不同规范中对dk的取值存在矛盾之处，在GB 50084—2017中是按减压孔板孔口直径确定，而GB 50974—2014中规定按孔口直径减1 mm确定，考虑到孔板孔口对流体截面的影响［4-5］，建议按GB 50974—2014的取值方式为宜（本文中也是按此取值方式计算减压孔板孔口直径）。

为正确编程计算，须分析减压孔板水头损失的公式特点。以管径为DN 150 mm、流量为40 L／s绘制dk—Hk曲线，见图1。在dk变化时，Hk随dk的递增而单调递减，即一定的水头损失下减压孔板的孔口直径是唯一值，这也为Python计算提供了理论条件。

图1 减压孔板水头损失的d k—H k曲线Fig.1 Head loss d k—H k curve of pressure reducing pore plate

1.2 减压孔板孔口直径计算的Python编程过程

1.2.1 编程原理

Python编程可充分利用计算机强大的计算能力，对减压孔板的水头损失公式以dk为未知数作多次迭代，从而求得合适的孔口直径。

对减压孔板水头损失公式作如下调整：

式中：△h为减压孔板水头损失与目标减压值的差，10－2MPa；h为目标减压值，10－2MPa；其余参数同减压孔板水头损失公式。

根据GB 50974—2014中10.3.1条规定的减压孔板设置要点，以dk＝20 mm为起始值，并以0.1 mm为递增值迭代计算上式，△h＝0时dk将有唯一解。为满足工程计算精度需要，设定当△h＜0第一次出现时停止迭代运算，此时的dk值就是所求的减压孔板孔口计算内径，另附加1 mm即为减压孔板孔口直径。

1.2.2 编程代码

运行该程序，可以实现自动计算目标减压值下的减压孔板孔口直径。在消防设计中，偶尔会出现目标减压值较大，此时计算出的减压孔板孔口直径偏小，即不满足GB 50974—2014中10.3.1条的要求“孔口直径不应小于设置管段直径的30%”，需要设置多组减压孔板串联以满足减压要求。为减少该情况出现时的多次输入参数操作，将目标减压值均匀分配于每一个减压孔板，对程序代码进一步优化，以期实现程序能自动匹配出合适的减压孔板个数并计算出每个减压孔板的孔口直径，代码如下：

运行上述代码，程序会反复迭代计算，在满足目标减压值的前提下匹配出最少的减压孔板数量，并计算出每个孔板的孔口直径。

2 Python编程计算结果的验证

本文以2组试验参数检验程序的运行，试验参数分别为：①管径为DN 150 mm，流量为40 L／s，目标减压水头为10 m；②管径为DN 150 mm，流量为40 L／s，目标减压水头为100 m，运行结果见图2。

图2 2组试验参数的程序运行结果Fig.2 Running results of two group test parameters

另外，将试验参数同时用于某软件计算及Excel计算中，Python编程计算结果同二者的对比见表1。

表1 不同计算途径下的减压孔板孔口直径比较Tab.1 Comparison of pressure reducing pore plate orifice diameters obtained with different calculation methods

Python编程计算结果与其他2种计算方式的结果无明显差异，细微的差值（约1mm）应该是减压孔板计算内径取值方式及计算精度不同所致。通过外部验证其他2种计算方式的结果，证明了Python编程计算方式的可靠性；另外，以Python程序计算的孔口直径反向验算减压孔板的水头损失，其值与目标减压水头一致，同样证明该程序符合计算要求。

将减压孔板孔口直径计算程序发布后，会生成EXE可执行文件，可将该编程成果供相关工程设计人员在其他电脑上使用。Python编程计算在一次参数输入后能准确匹配出合适的减压孔板数量，快速便捷；但某软件及Excel计算时，需另行单独计算出目标减压值均分给多个减压孔板后的新减压值，再重算孔口直径，计算过程冗余，操作不便。

3 结语

（1）计算机编程的应用逐渐渗入社会生活的方方面面，而Python作为一类简单易学的计算机语言，更易被非计算机专业的工程设计人员所接受，将其合理利用则能在某些方面解放人工劳动，提高工作效率。

（2）通过Python编程，实现了减压孔板孔口直径的快速计算，对大目标减压值情况下的多级减压孔板串联计算能一次性完成，大大减少设计人员的工作量和避免人为计算失误，提高孔口直径计算的准确率。

（3）目前该程序仍有不足，没有实现多组目标减压值时的一次性参数输入和计算，这也是接下来程序优化需要解决的重点问题之一。