CN101908086A - 一种对建筑室内风环境进行数字化动态模拟的分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种建筑、风环境、数字化仿真模拟技术的分析方法，即通过数字化仿真模拟技术，对建筑室内风环境进行精确的模拟，从而对建筑室内风环境进行有效的改进和完善的分析方法。该方法通过建立模型、根据建筑墙体受风压或温度影响帮助建筑师演算方案以获得最佳室内送风方案。此方法简单易行，只需要建立固定的模型空间并根据演算结果来开设通风口，形成最合理可行的方案，速度快且成本低。通过该方法改进建筑开口，使得居住通风达到一个最合理的状态，降低能耗，节省运行费用。

Description

一种对建筑室内风环境进行数字化动态模拟的分析方法

技术领域

本发明涉及一种建筑、风环境、数字化仿真模拟技术的分析方法，即通过数字化仿真模拟技术，对建筑室内风环境进行精确的模拟，从而对建筑室内风环境进行有效的改进和完善的分析方法，属于土木建筑工程学、计算机科学技术领域。

背景技术

近年来，随着我国经济建设的发展，建筑已成为城市的重要组成部分。随着各类建筑的蓬勃发展，对其风环境的研究得到了一定程度的关注，要确保良好的室内送风性能，就要使得室内具备良好的通风口来确保风的流通，一般而言，室内的墙面除了门洞以外就是小面积的窗洞，这样设计是为了保证建筑空间的私密性，因此在室内墙和墙之间就难以确保风的流通性，造成室内风环境质量的下降。

良好的通风环境对夏季中的建筑有极大的降温作用，要确保建筑通风的流畅不仅要合理的安设窗洞口，还有在一些阻碍通风的区域设置通风口来确保空气的流通，从而带走室内的热量。需要注意的是，这些通风口也要能够关闭，因为冬季建筑需要保暖，可关闭开启的通风口有利于调节不同季节的通风状态，既能满足建筑夏季通风的又不影响冬季保暖。

由于建筑室内风环境不仅涉及到行人的舒适和健康，还涉及到建筑节能和空气质量等问题，因此对建筑室内风环境的研究越发显得重要。为了营造健康舒适的建筑室内环境，就需要在建筑设计阶段对室内风环境作出预测和评价，以指导、优化建筑的舒适度和节能。

随着计算机技术的普及和发展，在建筑设计中采用数值化仿真模拟技术极大地促进了设计工作技术和管理水平的提高，从而推动着此工作的不断进步和发展。计算机数值模拟就是数值化仿真模拟技术，是指在计算机上对建筑物周围风流动所遵循的动力学方程进行数值求解，通常称为计算流体力学(简称CFD，Computation Fluid Dynamics)，从而模拟实际的风环境。此技术可借助计算机图像学技术将模拟结果形象地表示出来，使得模拟结果直观，易于理解。同时不受实际条件的限制，因此不论建筑布局形式如何、建筑物形状是否规则等，都可以对其周围风环境进行模拟，获得详尽的信息。并且，利用CFD模拟方法可以方便地仿真不同自然条件下的风环境，只需在计算机程序中改变相应的边界条件即可。

数值化仿真模拟技术相当于在计算机上做试验，相比模型试验方法周期较短，价格低廉，同时还可以形象、直观的方式展示结果，便于非专业人士通过形象的流场图和动画了解建筑群内气流流动情况，利于在设计初期指导和优化建筑的规划设计。

目前建筑室内风环境分析方法有：

1.射流理论分析方法：基于某些标准或理想条件理论分析或试验得到的射流公式对空调送风口射流的轴心速度和温度、射流轨迹等进行预测。缺点：误差较大，且射流分析方法只能给出室内的一些集总参数性的信息，不能给出设计人员所需的详细资料，无法满足设计者详细了解室内空气分布情况的要求。

2.Zonal model法：将房间划分为一些有限的宏观区域，认为区域内的相关参数如温度、浓度相等，而区域间存在热质交换，通过建立质量和能量守恒方程并充分考虑了区域间压差和流动的关系来研究房间内的温度分布以及流动情况。缺点：模拟得到的实际上还只是一种相对“精确”的集总结果，且在建筑通风中的应用还存在较多问题。

3.模型法：通过搭建模型进行仿真实验来获得设计人员所需要的各种数据，缺点：需要较长的实验周期和昂贵的实验费用，搭建实验模型耗资很大，难于在工程设计中广泛采用。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是如何利用数值化仿真模拟技术进行建筑室内风环境的模拟，并确定最佳的建筑室内风环境及其营造的方法，最终形成建筑室内风环境综合评价体系。

本发明注重最合理的建筑风洞布局，争取通过一个墙面的最合理开洞构造来营造出自然的通风环境，从而大大改善室内的舒适度，并将所需要消耗的能量降到最低。

本发明技术方案是，一种对建筑室内风环境进行数字化模拟后，根据模拟情况来确定最合理开洞墙体的方法，它的主要内容是在进行建筑室内风环境数字化模拟实验的基础上，归纳总结出影响建筑室内环境的主要因素，并将其量化，直观地得到建筑室内风环境对墙体的温度和风压的影响，最终从所得数据改造出最有利与通风情况的墙体。

数字化分析与模拟技术在建筑创作理论与方法提供了全新的思路，从方案着手到具体操作方式均突破了传统的建筑设计模式。本方法拟采取的研究方法为一种“变量-系统”的设计“路术”，以数字化的操作过程将蕴含在原理中的关系推演成一个三维造型的原型，并用它作为整个方案的基础。然后经过试验和探索多种原型发展的可能性，变异、累加、生长或与某种环境要素互动，每一步都由运算中的某个变量控制。最终达成一个由原型通过各种组合变化形成的纯粹而可控的逻辑关系和造型系统。它已充分运用数字模拟技术为基础，探索建筑通风的可行性，系统训练设计师以最科学合理的手段设计室内通风。

具体实施步骤：

1.将所需要的环境信息先输入计算机中，然后在CFD软件中建立建筑模型(可以是多个组合一起的房间或者是整个建筑的一层平面)，建立周边环境的参数，使之可以成功模拟建筑当前的通风情况；

2.根据第一次模拟结果后，就可以清楚的得出房间内部的墙体受到的风压和温度的数据，基于这种情况，建筑师可以根据所需要考虑的房间功能来确保室内非承重墙体的通风要求，比如浴室和洗手间，其通风应该向外流通，如果向内会使得建筑湿度增加。办公室和卧室的风要内外流通，储藏室要避免风的流通来维持室内的温度和湿度。

3.确定了房间功能后，就要根据墙体受到的风压或温度来控制墙体的开洞情况，如果是单个房间其具体计算过程是这样的：由于在第一次室内墙体没有开洞(也指门窗开洞的大小不适合当前的风环境)，导致室外的风向内输送，却没有足够大小的洞口将风送到室内的内墙后(比如说建筑内部的走廊)，这样，整个室内会形成回旋风，最终回旋的风与窗外吹入的风碰撞，造成风速减弱，较高的温度停留在室内，没有排到建筑的内墙后侧。所以，要确保室内通风性来降温。由于内墙各个部位受到的风压和温度各不相同，当CFD软件对其进行通风模拟后可以生成关于风压作用在墙体上的解析图，从这个图上可以清楚看到墙体不同部位受到的风压会用不同颜色显示，这些颜色的外形轮廓并不规则。可以根据墙体受到的风压大小来调节窗洞大小。此外温度也是很好的参考依据，可以设置两者(风压或温度)的偏向度，如果以风压为调节方案，当风迎面吹向整座墙体的情况下，要在风压最小的部位开通。这是因为门或窗洞因为气流快速通过，导致周边气流加剧，使得门窗附近的墙体风压过高，如果在墙体受风压最小的区域开洞可以使得气流从这个区域流出，而减少门窗洞附近的风压情况，对于凹陷导致风流通不强的空间容易导致温度上升，这里可作为储藏室，如果功能上出现人流要长时间在此停留的情况要设置低噪音的换风扇。有了先前的解析图，可以计算出风压最小的不规则区域面积，将其换算成面积相等的矩形，(矩形长宽比可以由原先计算出的不规则形状最长与最宽比例来确定，也可以由建筑师灵活确定)，这个矩形信息的比例大小和位置合对于内墙表面，并以此信息为基础来重新切割墙体。

4.此外，要将演算结果进行可行性处理，才能得到最经济可行但对送风影响较小的方案。这个比对过程是这样的，如果开洞口位置紧贴在门洞和窗洞旁边，则可以直接拓宽门洞窗洞的大小，对于门窗洞口的拓宽尺寸要满足门窗洞尺寸的市场模数(例如门宽为900mm、1000mm和1200mm，则上面的洞口宽也必须是900mm、1000mm和1200mm)。如果开洞位置是在非承重墙中央开设，要从建筑的使用角度去考虑，比如卧室、教室等私密想空间，在位于离开地面1.8米之间(这个是常人的视点高度位置范围，这个参数根据具体情况可以作出检验性的调整，开洞会影响房间本身的隐秘性)，会存在功能上的影响，则在低于1.8米的影响区域不开洞，将其填掉处的面积向水平延伸到原来同等的面积，此外开洞处要作隔音处理。如果是办公和商业等空间，则没有这个限制，从地面到顶面都可以开设洞口。如果是洗手间等区域，其洞口还有布置换风扇将气流往外排放，不能直接往建筑内排放，纯自然的通风由于风向不定很难做到这一点。此步骤的目的主要有两点，第一是确认完全根据风压或温度参数设置出来的洞口不影响使用功能，第二就是对开洞口进行技术处理，确保建筑室内的通风可以根据环境的情况来改变或改进，最终形成完全可行的室内送风方案。

5.如果建筑有很多房间，那么软件的计算顺序还要根据风向来确定，比如建筑环境的风向是由南向北的风，那么第一步先计算南边一阵排的房间，因为北面的房间只可能受到南边流出的风的影响，所以其顺序就是房间越北面，越后计算。房间内墙开洞步骤和单个房间的计算一样，不同之处是要进行多步骤的计算，当第一排房间开洞(包括开洞方式采用斜面都要在模型中表现出来)后，要先对建筑整体再进行通风或者温度测试，来确定第二排需要计算的房间开洞口(紧贴在最南侧房间的北面建筑空间)，这一排内墙体也是根据风压最小区域来进行开洞设置，这样做是为了确保风在建筑内部所有的角落都能流通，从而带走房间内的热量和污染空气，其洞口计算方式与第一步一样。如果房间有靠近外侧环境的一面，可以根据要求对第二排房间开设连接外部的洞口将风直接从外部送入或者排出来调整其合理性，以此类推一直用同样的方式计算北部房间，直到最终确立出一整套完整的墙体洞口方案。

技术效果：

通过该专利的模拟计算，根据所要求的室内功能可以快速简便的确立出最佳的自然风通风方案，这样就可以对人工通风的依赖降到最低，从而降低了整个建筑的能耗。

本发明的特点和优点：

1.通过CFD模拟计算室内的气体流动情况，可以研究室内通风性能，从而改进建筑开口，使得通风达到一个最合理的状态，降低能耗，节省运行费用。

2.此方法简单易行，只需要建立固定的模型空间模拟风压和温度，再根据模拟结果重新进行简单的墙体建模(是对墙体开洞后状态的建模)，由演算结果适当的加以改进就可以形成方案，速度快且成本低。

3.本分析方法的关键环节在于根据墙体表面在第一轮计算中受到的风压或温度的最大值或最小值的基本外形轮廓确立开洞口所需要的面积和重心，再重新整合成面积同样大小的矩形，然后根据矩形信息分割墙体模型。

附图说明

通过以下对本发明的实施例并结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是建筑风环境进行室内送风方案设计的流程图；

图2是模拟建筑的平面图；

图3是模拟建筑的立面图；

图4是房间北侧墙体受风压的情况示意图；

图5是最终方案的开洞方法示意图；

图6是开洞剖面分析示意图；

图7是建筑一层平图；

图8是建筑内房间通风优先等级编号示意图；

图9是对南部房间墙体开洞后的方向流动方式示意图；

图10是全部窗洞开完后的方向流动方式示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种建筑、风环境、数字化仿真模拟技术的模拟方法，即通过数字化仿真模拟技术，对建筑室内风环境进行精确的模拟，从而对建筑室内风环境进行有效的改进和完善，其具体模拟过程如图1。

建筑室内风环境影响室内热环境及自然通风状况，也影响室内空气的更新。根据现有资料显示，春秋季节时，舒适气流速度范围约为0.1～0.6米/秒，一般供暖房间宜为0.1～0.2米/秒；夏季利用自然通风的房间，应争取速度较大的气流，较强的气流是改善热环境的重要因素。

一、单个房间的室内通风模拟方法：

1、这里简单的以一个房间的模型为基础，进行通风模拟的步骤，这个实验主要目的为表面如何根据CFD分析出来的风环境来确定房间需要开口的方法。首先现在CFD软件中输入室内模型(图2-3)，风向取正南风，风速3米/秒，温度为30摄氏度。对房间进行模拟。

2、查看房间内部受到的墙体风压影响(图4)，发现北侧的内墙体风压大小各不相同，靠近门洞的部位，由于气流只能从这里通过，所以门洞周围的风压特别大，而靠近柱子地部位由于远离门洞，风压最小。现在已经能确定的是此房间时一个教室，由于人员较为密集，所以室内通风要流畅。另外从墙体温度切片来观察，门洞口内部有少量的区域温度较高，但是墙体表面的温度并不高，结合房间的平面温度切片可以发现房间的热量还是停留在房间中间较多，没有彻底从门洞口排放出去，而靠近内墙体边缘温度却比较低，这就要求我们增加室内墙体的通风面积来带走热量。

3、现在根据风压最小的区域对其轮廓进行确定，柱子本身是承重结构，将后侧墙体分成左右两个部分，风压最小区域是以柱子为对称点的2块不规则的矩形区，现在取左侧的区域，通过观察分析得之其区域面积约为2.52平方米，也就是说此次房间需要开设约2.52平方米的洞口来确保通风的流畅。

4、从图4中可以看出，由于矩形区域从地面一直延伸到顶上，室内净高为3.6米，离地面1.8米下都是人的视线。首先，根据建筑功能来具体确定开洞的方案：此房间属于教室，教室是一个非常注重隐蔽性的空间，如果在低于人视线地方开设洞口，学生上课的时候就会受到走廊中人流的影响，从而分散注意力(一般教室门上的窗都很小，只是为了方便人员从外向内观察而不影响学生)。所以从功能上考虑不能在1.8米以下开洞，矩形宽度也就为2.52÷(3.6-1.8)＝1.4米：可以得出这是一个长和宽分别为1.4和1.8的矩形轮廓。以中心柱子为对称，右侧也是面积比例同样大小的矩形区域。接下来根据功能上的可行性来重新确定洞口具体的开放模式，在使用中，门有时会被关闭，导致通风口进一步的变小，所以在门洞上方要考虑增设新的洞口(此洞口不是经常封闭的老虎窗)，将其洞口一直延伸到顶上，这样，整个教室的开洞就确定了。

最后要在应征此洞口在功能上的合理性和积极性，毕竟一个房间新开设了洞口会对其形成功能上的影。从教室的使用功能少考虑，要满足隔音性，所以这些洞口可以增设消声百叶，这是一种长度(0.2～0.6m)很短的片式或折板式消声器的改型。由于其长度(或称厚度)很小，有一定的消声效果并且气流阻力又小。该百叶片通过合理设置衰减噪声的辐射，叶片下侧设置微孔活塞式吸声共振体吸收噪声，能同时满足通风散热、采光、围护及控制噪声向外辐射的要求(冬天这些百叶合起来可以聚集房间温度)，符合教室的使用状况，所以在开洞口处要设立这种百叶板来满足其功能性。另一方面就经济性而言，此种百叶的尺寸可以根据需要定制，就不需要考虑模数的问题。通过CFD模拟和分析来检测风压强弱，从而大大改善为非承重墙体开设通风口的合理性，确保一套完整室内通风方案的形成(如图5-6)。

二、建筑平面多个房间的室内送风模拟：

1、本次实验以上海理工大学内的恩伊堂建筑为模拟对象，根据既有建筑现有的平、立面图数据，在CFD模拟软件中进行既有建筑模型的建立(图7)。

待建筑模型建立完成后，利用软件进行室内风环境的模拟，室内风环境的模拟实验可以模拟不同空调系统送风气流组织形式下室内的温度场、湿度场、速度场、空气龄场、污染物浓度场、PMV场、PPD场等，以对房间的气流组织、热舒适性和室内空气品质(IAQ)进行全面综合评价。现在可以先模拟自然通风情况，将建筑所处的环境一一输入到计算机中，这里取上海最高气温36摄氏度，风速为东南风4米/秒，先在建筑外围设立一个大型的BOX作为环境实验场，其南侧和北吹4米/秒的南风(北侧方向出去不会在内部形成漩涡)，东侧和西侧吹4米/秒的东方(西侧方向出去不会在内部形成漩涡)，建筑顶上的墙体与BOX顶上连起来，确保风不会从房间上面流进房间内部，之后开始进行风场景的演算。

2、演算后得出当前建筑空间内部开洞情况对风流通性的模拟情况，北部房间由于通风性较差，所以温度较高，而南部房间由于靠走廊开设的窗洞过少，在室内形成了涡流，又由于靠近受光面，温度也比较低，中间的走廊从四个方向都有空间开设了窗口，通风性较好，但两端的距离过长，所以这里聚集了大量的热量。

根据建筑性质可以判断其是一幢宿舍楼，所以以居住建筑为考虑对象，建筑中间的走廊为公共空间，东侧和西侧开设了窗洞，南部为大面积的宿舍区，北面的两侧布置了宿舍区，中间是浴室空间。这样看来，需要优先考虑的通风情况为宿舍、走廊和浴室。因此在考虑建筑功能时对满足情况要有先后顺序(图8)。

3、现在根据要求来推算房间的通风情况，由于主风向是从南到北，所以将房间分析分成2个层次，走廊南侧的房间全部进行第一批分析，走廊包括走廊北侧房间进行第二批分析。其墙体开洞的方法与步骤与单体房间墙体开洞方式基本一致，只是这次以温度取代风压来计算。

4、演算之后，对新开设的墙体进行合理性处理，因为宿舍楼要考虑私密性，低于1.8米的墙体不开设洞口，并在洞口铺设可开合的消音百叶板，其开设的措施同上一实例相似。这样第一批房间的开洞方案就形成了。接下来根据开洞方案建立南侧一排内墙的墙体，到程序进行新的开洞演算，观察南侧房间开洞后对北侧走廊和房间的影响(图9)，最后显示出南侧房间将风从洞口中带到走廊，并大量从走廊西部的窗流出，而北侧房间墙体没有开设洞口，走廊部分的风就从仅有的门洞向北流出，导致室内通风性能极差，温度过高。

5、接下来就进行第二次演算，首先将走廊西侧的窗封住，避免风向西侧流出，而在北侧墙体根据温度情况开设洞口，步骤如前，对窗洞加装好百叶板后进行CFD演算，发现改造过后的寝室建筑通风情况得到了改善，尤其是北侧的房间不再过热，而热源最厉害的区域转移到楼梯通道处，完全符合建筑通风的设计要求(图10)。

在以往的设计中，建筑师在进行建筑设计时，往往没有考虑建筑室内风环境对使用者的影响，所以本分析方法就是利用数字化仿真模拟技术对根据建筑墙体受风压和温度的不同将室内的各个可能的送风点进行全面的解构和重组，最终得到建筑室内风环境最佳设计方案。

Claims (4)

1.一种对建筑室内风环境进行数字化动态模拟的分析方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)根据目标建筑的情况在CFD软件中建立建筑模型，并输入环境信息建立周边环境的参数，从而成功模拟所述目标建筑当前的通风情况；

(2)对模型进行演算，得出室内风压和温度的参数数据；

(3)明确房间功能，根据模拟的环境数据确认墙体受风压或温度最小或最大的范围轮廓；

(4)计算此范围轮廓的面积和高宽比，建立面积同等的矩形轮廓；

(5)对矩形轮廓进行可行性分析，优化矩形轮廓作为开洞轮廓的合理性和经济性；

(6)以优化后的矩形轮廓为切割线，重新建立开洞的墙体模型，并加以模拟通风情况。

2.根据权利要求1所述的对建筑室内风环境进行数字化动态模拟的分析方法，其特征在于，所述目标建筑可以是单个房间，也可以是组合一起的多个房间。

3.根据权利要求2所述的对建筑室内风环境进行数字化动态模拟的分析方法，其特征在于，所述目标建筑中需要用到的房间的功能及其数量、面积可以是确定的。

4.根据权利要求2所述的对建筑室内风环境进行数字化动态模拟的分析方法，其特征在于，在所述多个房间的情况下，所述分析方法要根据风向的流动性分组来确定先后顺序。

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