CN103778284B - 一种以建筑功能进行数字化立面设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种以建筑功能进行数字化立面设计的方法，首先确立所需要的一切建筑信息和环境信息，并输入计算机进行风环境及湿度环境的模拟，得出信息，并将收集到的信息数字化；根据已获知的数据信息对每一个建筑空间进行计算，这些数据就作为将来房间布局的参考，用来将体育馆内部信息转化为数字信息，根据要求对建筑进行功能布置的分析，了解建筑不同的功能分区及功能要求，切实得设计出所需的运用数字化技术得出的立面，既满足了准确设计立面的要求又深度细化建筑的功能性，在智能分析中把属性相同的功能区尽可能的集中于一体，在此基础上对体育馆进行数字化立面设计这样就是完全符合以建筑功能进行数字化立面设计的意义。

Description

一种以建筑功能进行数字化立面设计的方法

技术领域

本发明涉及一种以建筑功能进行数字化立面设计的方法，涉及计算机技术应用领域、建筑设计领域。它通过计算机辅助设计软件AutoCAD与建筑模型软件CFD的分析，运用模糊学不相容性的原理为体育馆数字立面设计提供一系列前期设计条件，可以轻松准确的了解建筑的方位布局，建筑功能立面设计的要求实现了数字化操作。大大小小的窗口是整个设计的亮点，意在充分展示不同的功能分布，通过窗口的变化来体现建筑的结构特点。

背景技术

随着我国经济的发展、社会的进步，人们对于建筑设计的研究日益深入，建筑行业突飞猛进，为了减轻设计负担，各种建筑设计的方法和软件运营而生，然而这些软件只是科学的计算出建筑的功能要求，而无法精确的了解建筑功能的区分及分布的情况。但是，目前尚不存在通过在计算机中利用数字化来进行建筑立面设计的方法来设计区域建筑的手段的技术。本专利则是同时考虑环境、电器和节能设备三个方面，通过数字化的使用，以此确立出最合理的建筑立面设计。建筑立面设计关系到环境，能源，材料以及相关一系列的成本，通过数字化按建筑功能要求来设计建筑立面是本专利的首要检测以及兼容点。

发明内容

本发明的目的是提供一种以建筑功能要求进行数字化立面设计的方法。

本发明的另一目的是提供一种运用模糊学不相容性的原理为体育馆数字立面设计提供一系列前期设计条件的方法；

本发明的另一目的是提供一种通过计算机辅助设计与建筑模型分析快速有效的了解建筑功能分布的方法。

本发明提出的一种以建筑功能进行数字化立面设计的方法，通过计算机辅助设计软件AutoCAD与建筑模型软件CFD的分析，运用模糊学不相容性的原理为体育馆数字立面设计提供一系列前期设计条件，并通过数字化设计方法，得出建筑的最优设计条件，具体步骤如下：

(1)、将整个建筑物视为一个大空间网格，所述的大空间网格内部由无数个相同的小空间网格组成，小空间网格的大小根据计算精度来确定，每个小空间网格对应一个房间，或根据现实中的房间大小对小空间网格进行空间重组；

(2)、确立分析计算建筑物时所需要的建筑信息和环境信息，将所述建筑信息和环境信息输入计算机中进行建筑环境以及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的能量流失数据；

(3)、在采光模拟软件平台上，利用插件导入步骤（2）所得建筑环境以及湿度环境模拟所得出的能量流失数据，进行二层模拟，得到空间重组后的空间能量数据，从而根据建筑功能进行立面设计；对空间能量数据进行模糊学不相容性原理的计算和检验为体育馆数字立面设计提供前期设计条件完善的技术资源为支撑的设计条件；

(4)、根据已获知的空间能量数据对每一个小空间网格进行计算，所求得的数据就作为将来房间布局的设计参考；

(5)、在计算机中进行房间数量和属性的设置，重组后的空间布局则根据能量流失的多少来布置相应的房间在对应的部位上；

(6)、最后根据要求，对整个建筑物进行功能布置的分析，在分析中将属性相同的功能区尽可能的集中于一体，便于观察模拟；

(7)、利用数字化计算机技术，对体育馆整个建筑物进行模拟分析，再根据其具体的功能区域分布，来设计出最准确的立面。

本发明中，在步骤(2）中，所述的建筑依据信息包括建筑材料和结构；所述的环境信息包括太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度、周边的风压和周边的风向。

本发明中，步骤(3)中所述空间能量数据包括建筑区域的温度空间分布分析数据、建筑区域的逐时温度分析数据、建筑区域的得/失热途经分析数据、通风得/失热分析数据、直接太阳得热分析数据；建筑能耗分析数据；建筑光环境分析数据，建筑天然采光系数的空间分布分析数据、建筑天然采光照度分析数据、能输出到专业光学分析软件中进行深度的光学渲染分析数据。

本发明中，步骤(3)中所述模糊学不相容性原理的计算过程如下：

粗糙模糊集：设U为有限论域，R是U上的一个等价关系表示U上由R导出的所有等价类模糊集B在U中的下、上近似记为：，且被定义为： 则称为U／R上的一个粗糙模糊集，所有定义在U／R上的粗糙模糊集之集合记为RF，对于粗糙模糊集，用B表示，按照上面的定义，U上的分明集A在U／R上的粗糙模糊集就是A在U／R上的粗糙集，分明集U和(空集)在U／R上的粗糙模糊集分别为(U，U)和(，)，也记为U和．

得出大空间活动室直径ΦA，小空间活动室直径ΦB，小办公室直径ΦC在建筑立面中的直径与模糊位置；

（1）当为或时，

设 ,且映射

为

其中，严格增加且

得出大空间活动室在建筑立面中的直径与模糊位置。

(2)满足条件： (1)

(2.1)

(2.2)

(2.3)在上严格增加.

则是在上模糊度；得出小空间活动室在建筑立面中的直径与模糊位置。

设,,有

(2)

则是的模糊度。得出小办公室在建筑立面中的直径与模糊位置。

本发明的有益效果在于：

具体地说，本发明的优点如下：可以轻松准确的了解建筑的方位布局。建筑功能立面设计的要求实现了数字化操作。大大小小的窗口是整个设计的亮点，意在充分展示不同的功能分布，通过窗口的变化来体现建筑的结构特点。

本发明在建筑的设计阶段运用绿色建筑的相关理念，从最大限度的节约了资源，保护了环境和减少了污染。这是现代建筑设计理念中不可或缺的一个重要思想。研究表明，经过本发明整体设计的建筑比一般建筑更能节约能耗。本发明的设计方法本着简化设计、节约成本的目标而提出，具体手段是通过资料分析和实际调研，吸收国内外先进经验和技术，综合城市规划、建筑学、环境科学、生态学、社会学等相关专业前沿成果，基于数字技术的手段，运用相关软件及模糊学原理进行分析研究，为后续的建筑设计提供方法和依据。通过数字化按建筑功能要求来设计建筑立面是本专利的首要检测以及兼容点。

附图说明

图1为体育场馆立面设计示意图；

图2为体育馆建筑功能分布示意图；

图3为倒立摆系统结构示意图；

图4为模糊学产生过程示意图；

图5为模糊控制算法原理示意图；

图6为模糊集系统方框图；

图7为体育馆具体实施步骤流程图；

图8为以建筑功能进行数字化立面设计的方法流程示意图。

图中标号：1为小空间活动室直径ΦA，2为大空间活动室直径ΦB，3为场馆入口，4为小办公室直径ΦC。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。

1965年，美国数学家扎德发表了论文<<模糊集合>>，这标志着一门新的数学学科――模糊数学的诞生。与经典数学不同，模糊数学主要研究和处理现实生活中大量存在的模糊现象。以下为倒立摆模糊学系统公式：

令 表示摆杆与垂直方向的角度、 表示杆的角速度、表示滑车相对轨道的水平位置、表示滑车的水平速度。

设，则系统状态方程描述如下：

其中，M=1kg 为滑车的质量；m=0.1kg 为杆的质量；g=9.8m/s2为重力加速度，l=1m 为摆杆长度的一半。

新模糊度公式

论域X上的模糊集的模糊度为

（1）

其中，

为模糊集所在左右位置对模糊程度的影响，作为位置影响因子，且

w(x)满足0≤w(x)≤1，

当论域X为有限，即时模糊集的模糊度数为

（2）

其中，w(x)为位置影响因子，且w(x)满足0≤w(x_j)≤1,

定理l 模糊度公式(1)以及模糊度公式(2)满足模糊度定义的5个条件。

证明 不失一般性，先证明论域X为实数集上闭区间的情形，即

.设是定义在论域X上的模糊集。

因为0≤w(x)≤1，，又因为，所以，当时， 则，所以条件（2）成立.

类似条件（2）的证明，因为对任意的，则.所以，，则所以达到最大值，且此时.条件（3）证明完毕.

当时，显然有，，，所以，，因此.从而所以，条件（4）证明完毕。

对模糊集的补集有，因为.所以条件（5）证明完毕。

当论域X为有限，即时。同理可证，公式（2）为模糊集的模糊度。

一个系统的输入作用、响应方式和输出作用中有两个是模糊的，另一个也必定是模糊的，这种系统称为模糊系统。

模糊关系方程 AoR=B；

求解模糊方程时，以X表示未知变量分为三种情况：

(1)已知输入和输出，求响应关系 AoX=B；

(2)已知输入和响应关系，求输出 AoR=X；

(3)已知响应关系和输出，求输入 XoR=B；

为模糊化，求出输入变量分别对相应模糊子集的隶属度，其输出为

式中为模糊集（；）

的隶属函数，通常取为钟形函数，

即

而为待定参数；I为规则的数目。这样，可以对各频带的信息进行模糊化。计算每条规则的激活强度，这里选用乘积算子

第i个神经元用于求第i条规则的标准激活强度。

其实I为规则的总数。

解模糊运算，其中输出为

小波模糊神经网络的输出，计算公式为

模糊控制器输出变量的非模糊化

模糊控制器根据其控制规则输出的是一个模糊量，这个模糊量不能直接控制被控系统，还必须经过非模糊化处理将其转换成确定量。确定的控制变量的模糊变量Δu都对应一个模糊子集，根据这个模糊子集将这个模糊变量进行非模糊化处理，使之转变为被控系统能接受且确定的控制变量变化量，主要有两种方法：一是选取该模糊子集中隶属度最大的元素(即隶属度最大时对应的坐标)作为控制变化量，即时的值

式中z_△u ^*——经非模糊化得到的规格化论域中的一个确定值，当得到多于一个解时，可以取其平均值，另一种方法是取模糊集合的重心坐标作为控制变量变化量非模糊化的值z_Δu，其计算公式为：

它也称加权平均法，用离散数据的计算公式为：；

如说明书附图所示，通过数字化操作来实现按建筑功能设计立面，可以轻松准确的了解建筑的方位布局。此外也可以根据需要确定建筑功能的布置，将建筑所需要的功能空间进行合理利用。此发明技术的实现先要融合三种技术系统来实现，第一是建筑受光分析系统，这是一种能够通过太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度（这些程度受到建筑材料和结构的影响）来判断建筑受光情况；第二种是周边风压和风向对建筑的散热情况，如冬季的北方会加速建筑温度的流失；第三种是计算机的智能化分析，就是根据前面两步得到的温度流逝的数据，来妥善将同一属性的功能空间进行集中，这个属性的设置可以以采光为重点考虑，也可以由温度流逝情况来重点考虑。有了这三种技术，通过一个软件平台进行融合，就可以计算出所需要的建筑体量关系。借此在这个体量关系上做到进一步的节能设计，本发明致力于发展可持续发展战略进入建筑领域的必要技术。作为体量计算必不可少的环节，计算机的运用是通过精确的公式换算，编入本发明需要的验收标准。

然而这个关系的划分过程是从模糊到详细的，所谓模糊是先假设建筑就是一个大型的BOX（空间网格），内部由无数长宽高单位相等的小BOX组成，单位的大小可以根据计算精细度来确定，有了这些等分单位的分析数据后还要另外进行符合房间模数的空间重组，即根据现实中的房间大小进行空间重组，其数据来源则是前者无数小型规则的单元BOX的叠加是否达到了一个功能条件的下限，这个下限由空间属性需要来决定，它是由软件内部根据人体舒适值或各种规范的需要进行默认设立的，也可以手动进行调节，最终重组成合理的建筑空间布局方案并加以正确利用输出成为发明使用者需要的精确资料。

将整个建筑物视为一个大的空间网格，所述大的空间网格的内部由无数个相同的小空间网格组成，小空间网格的大小根据计算精度来确定，每个小空间网格对应一个房间，且还可进行另外的空间重组；确立分析计算时所需要的一切建筑信息和环境信息，将这些信息输入计算机中进行风环境及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的能量流失数据；在采光模拟软件平台上，利用插件导入风环境以及湿度环境模拟所得出的能量流失数据进行二层模拟；再根据已获知的数据信息对每一个建筑空间网格进行计算，所求得的数据就作为将来房间布局的设计参考；在计算机中进行房间数量和属性的设置，那么空间布局中则根据能量流失的多少来布置相应的房间在对应的部位上；最后根据要求，对建筑进行功能布置的分析，在分析中将属性相同的功能区尽可能的集中于一体。所述的建筑依据信息包括建筑材料和结构；所述的环境信息包括太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度、周边的风压和周边的风向。房间的属性为卧室、客厅、洗手间和餐厅，卧室所对应的要求是必须采光且温差变化不大；客厅所对应的要求是应当采光且应当温差变化不大；洗手间所对应的要求是可以采光且温差变化可以稍大；餐厅所对应的要求是可以采光且温差变化可以稍大。

这种分析方法从几个方面来考虑：首先是建筑空间属性，比如卧室和客厅都布置于南侧，并存有一定的模数，则建筑会优先把此类功能的空间向南布置。再次是以体量模块的方式确保整个建筑最需要控制温度的区域（即与外部环境温差最大的区域），将这些区域集中起来，确保减少能量流失的表面积。此种分析方法可以在先确定建筑轮廓的情况下进行分析，也可以直接根据分析来得出最适合的建筑节能体量。接下来是网格分析，对建筑空间的每一个单位网格进行温度数据的模拟分析，再对其单位具象化为房间的模数，形成完整的建筑空间布局方案。

模糊学的核心命题是“不相容性”原理，这个原理的本质是，随着系统复杂性的增加，我们作出关于系统行为的精确而有意义的陈述的能力将降低，越过一定的阀值，精确性和有意义几乎成为相互排斥的特征。对象越复杂，我们的精确认识就越不可靠，如果对象到了足够复杂的程，精确认识与使用价值是矛盾的，复杂性与精确性呈反比关系，与模糊性呈正比关系。精确并不等于准确，全真命题常常并不科学，其真理量是相对的。

这种性态正是模糊事物的不确定性，与经典数学中清晰事物的确定性相比，它更具有一般性，而且由此划分事物时不能得到界限分明的类别，也可以说，清晰性反映了事物性态和类属方面的非此即彼性，而模糊性则反映了事物性态和类属方面的亦此亦彼性。在此，有必要指出模糊性和随机性不同，随机性是与必然性相对的，是指事件发生与否不确定，但是事件本身的性态和特征是确定的，在随机试验中，一个事件或者发生或者不发生，没有第三种可能，所以随机现象是服从排中律的，而模糊性则不服从排中律。

就当前的分析软件，模拟采光和模拟流体环境的软件是分离的，然而在本发明的分析中，采光软件所要分析的主要是建筑受采光以及阳光热辐射对建筑温度的影响，而流体力学软件所要模拟的是周边风环境或湿度环境对建筑造成的能耗流失情况，而这个能耗流失主要是以能量的流失为主要数据的，从这里可以得出，其实我们所共同需要运用到的是能量流失的数据。这样就可以以采光软件为基础平台，在此基础上布设插件，它可以自动将风环境模拟过的温度流失数据放进来进行第二层模拟，就找到了两者的兼容方法。

此外，智能化分析方式也是本发明需要解决的问题，这里所需要解决的数据问题其实是建立在已经得出的完整温度流失数据基础上，即“小型BOX”所表达出的温度信息。有了这个立体信息数据，再根据房间功能的大小比例模数信息和设计师输入的功能房间数量信息，将其重组为符合房间功能需要的方案设计，此外就是将具备向阳属性的房间自动南至（建筑处于北半球情况下），抓住了这两点就可以轻易快速的实现智能分析，把方案展现在设计师的面前。

本发明的优势：

1.可以轻松快捷的了解建筑的功能分区。

2.建筑房间功能的布局实现了智能化操作。

3.将建筑功能分布的需求达到最科学合理的分析，建筑内部的功能空间都被合理的利用，通过窗口的变化来体现建筑的结构特点。

4.本发明则是同时考虑环境、电器和节能设备三个方面，通过数字化的使用，以此确立出最合理的建筑立面设计。建筑立面设计关系到环境，能源，材料以及相关一系列的成本，通过数字化按建筑功能要求来设计建筑立面。

具体实施步骤：确立所需要的一切建筑信息和环境信息，将这些信息输入计算机进行风环境及湿度环境的模拟，得出能量流失信息。在采光模拟软件平台上，利用插件导入风环境模拟的能量流失数据进行二层模拟。根据已获知的数据信息对每一个建筑空间网格进行计算，这些数据就作为将来房间布局的设计参考。在计算机中进行房间数量和属性的设置，比如居住建筑中卧室的属性为受光，恒温，那么空间布局中会自动将卧室布置在受光且能量流失少的部位。根据要求对建筑进行功能布置的分析，在智能分析中会属性相同的的功能区尽可能的集中于一体。

得出合理的房间功能安排数据和建筑体量数据，为建筑师确立方案提供依据。本技术要解决的问题是对于各种功能房间的数据参数和属性要求的优先选取，在真实布局时，可能会存在两种环境的矛盾，一面要求用于足够的采光，一面要求热损耗小，通风舒畅，当两种要求不能同事具备时，就要选取一个优先条件。这个条件可以先以默认的方式布置，但是可以当进行显示的时候，建筑房间边框会以不同的颜色进行显示，以提醒用户房间满足条件的完整程度。然后根据喜好可以编辑优先选择顺序，重新进行运算选取。

二次计算是本发明的创新之处，它成功运用了不同软件的数据信息，模拟施加在建筑表面的风压和降温参数，以这些参数为参考再对室内进行二次计算，最后得出一套自动的建筑方案，大大提高了建筑设计节能的智能化程度。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的一个可行性实施例的具体说明，但是该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更，例如，等变化的等效性实施例，均应包含于本案的专利范围之内。一种体育场馆以建筑功能进行数字化立面设计的方法，首先确立所需要的一切建筑信息和环境信息，将这些信息输入计算机进行风环境及湿度环境的模拟，得出信息，并将收集到的信息数字化；根据已获知的数据信息对每一个建筑空间进行计算，这些数据就作为将来房间布局的设计参考，用来将体育馆内部信息转化为数字信息，根据要求对建筑进行功能布置的分析，透过了解建筑不同的功能分区及功能要求，切实得设计出所需的运用数字化技术得出的立面，既满足了准确设计立面的要求又可以深度细化建筑的功能性，并且在智能分析中把属性相同的的功能区尽可能的集中于一体，这样就是完全符合以建筑功能进行数字化立面设计的意义。

本发明在建筑的设计阶段运用绿色建筑的相关理念，从最大限度的节约了资源，保护了环境和减少了污染。这是现代建筑设计理念中不可或缺的一个重要思想。研究表明，经过本发明整体设计的建筑比一般建筑更能节约能耗。本发明的设计方法本着简化设计、节约成本的目标而提出，具体手段是通过资料分析和实际调研，吸收国内外先进经验和技术，综合城市规划、建筑学、环境科学、生态学、社会学等相关专业前沿成果，基于数字技术的手段，运用相关软件进行分析研究，为后续的建筑设计提供方法和依据。

Claims (3)

1.一种根据建筑功能进行体育馆立面数字化设计的方法，其特征是：通过计算机辅助设计软件AutoCAD与建筑模型软件CFD的分析，运用模糊学不相容性的原理为体育馆数字化立面设计提供一系列前期设计条件，并通过数字化设计方法，得出建筑的最优设计条件，具体步骤如下：

(1)、将整个建筑物视为一个大空间网格，所述的大空间网格内部由无数个相同的小空间网格组成，小空间网格的大小根据计算精度来确定，每个小空间网格对应一个房间，或根据现实中的房间大小对小空间网格进行空间重组；

(2)、确立分析计算建筑物时所需要的建筑信息和环境信息，将所述建筑信息和环境信息输入计算机中进行建筑环境以及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的能量流失数据；

(3)、在采光模拟软件平台上，利用插件导入步骤(2)所得建筑环境以及湿度环境模拟所得出的能量流失数据，进行二层模拟，得到空间重组后的空间能量数据，从而根据建筑功能进行立面设计；对空间能量数据进行模糊学不相容性原理的计算和检验为体育馆数字立面设计提供前期设计条件；

(4)、根据已获知的空间能量数据对每一个小空间网格进行计算，所求得的数据就作为将来房间布局的设计参考；

(5)、在计算机中进行房间数量和属性的设置，重组后的空间布局则根据能量流失的多少来布置相应的房间在对应的部位上；

(6)、最后根据要求，对整个建筑物进行功能布置的分析，在分析中将属性相同的功能区尽可能的集中于一体，便于观察模拟；

(7)、利用数字化计算机技术，对体育馆整个建筑物进行模拟分析，再根据其具体的功能区域分布，来设计出最准确的立面；

所述步骤(3)中所述模糊学不相容性原理的计算过程如下：

粗糙模糊集：设U为有限论域，U/R≡{X₁,…,X_n}表示U上由R导出的所有等价类模糊集，用B表示，其在U中的下、上近似记为：，所有定义在U/R上的粗糙模糊集之集合记为RF，U上的分明集A在U/R上的粗糙模糊集记为A，分明集U和空集φ在U/R上的粗糙模糊集记为U和φ；

设粗糙模糊集U＝{u₁,u₂,…,u_n},且映射d：RF→[0,1]

则d_p(A)是A的模糊度，得出小办公室在建筑立面中的直径ΦB与模糊位置；

当A为U或φ时，

其中，g：[0,a]→[0,1]严格增加且得出大空间活动室在建筑立面中的直径ΦA与模糊位置；

f:[0,1]→[0,∞)满足条件：f(x)＝f(1-x)；f(0)＝0；f(x)在上严格增加；

则d(A)是A在RF上模糊度，得出小空间活动室在建筑立面中的直径ΦC与模糊位置。

2.根据权利要求1所述的一种根据建筑功能进行体育馆立面数字化设计的方法，其特征在于：在步骤(2)中，所述的建筑依据信息包括建筑材料和结构；所述的环境信息包括太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度、周边的风压和周边的风向。

3.根据权利要求1所述的一种根据建筑功能进行体育馆立面数字化设计的方法，其特征在于：步骤(3)中所述空间能量数据包括建筑区域的温度空间分布分析数据、建筑区域的逐时温度分析数据、建筑区域的得/失热途经分析数据、通风得/失热分析数据、直接太阳得热分析数据；建筑能耗分析数据；建筑光环境分析数据，建筑天然采光系数的空间分布分析数据、建筑天然采光照度分析数据、能输出到专业光学分析软件中进行深度的光学渲染的分析数据。