CN103778289A - 一种风速流线可视化的建筑设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风速流线可视化的建筑设计方法。本发明可以改善建筑周围的风热环境，提高校园舒适度，降低供暖制冷能耗。通过一些计算机的智能操作，就可以得出风速流线在不同高度的风速矢量分布图，以此来得出风速流线可视化的建筑设计方法。通过这些得到的风速矢量分布图，可以直观的观察其分布情况。本发明以我国南方地区的一所中学为例，通过探究其校区改造后的风环境情况，使用风速流线可视化的建筑设计方法。以此来对风速流线进行最大限度得调查和研究，更好的了解风速流线在建筑设计中的重要作用，以便捷于建筑设计，推进人类与自然的和谐共处。

Description

一种风速流线可视化的建筑设计方法

技术领域

本发明涉及计算机技术应用领域，具体涉及一种风速流线可视化的建筑设计方法。

背景技术

随着流体力学、科学计算可视化、计算机图形学、网络三维游戏等的发展,可视化技术得到了广泛的应用，流线可视化技术是矢量场可视化技术中的一种,主要包括流线的计算与流线的显示。由于它与常用流体实验技术的相似性,流线可视化技术在计算流体力学可视化中被普遍采用,流线可视化技术的研究已经成为可视化研究十分活跃的课题。但是,目前的流线可视化技术在流线构造的速度上,相对较慢，在流线绘制真实感的效果上,还不太理想。

流体流动和传热必须服从质量守恒定律、动量守恒定律及能量守恒定律。建筑物在大气边界层内作为风流动中的障碍物存在，其周边的流动由气流撞击、分离、再附着和环流等物理现象组成，按湍流作用下的钝体空气动力学理论，建筑周围的流动风是大气边界层中的低速不可压缩湍流过程。

发明内容

本发明的目的是提供一种风速流线可视化的建筑设计方法；

本发明的另一目的是提供一种快速有效的了解自然环境产生的风速流线在不同高度的情况；

本发明的另一目的是提供一种能够利用计算机信息技术来观察自然环境产生的风速流线的方法。

一种风速流线可视化的建筑设计方法，该方法包括以下步骤：

(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风信息和环境信息，将所述风信息和环境信息输入计算机中进行风环境以及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的风速流线分布数据；

所述风速流线分布采用RNG k-ε湍流模型进行模拟，其湍流控制方程如式（1）-（4）所示：（1）为连续性方程，（2）为动量方程，（3）为k方程，（4）为ε方程；

                              （1）

（2）

（3）

（4）

式中

其中，U_i（_i=1,2,3），分别为沿坐标轴x、y、z方向的平均速度分量；k、ε为湍流动能和湍流耗散率，p为平均压力，

为空气密度，为平均应变张量分量，

为气流运动粘度，

为涡团运动粘度。

=0.085，

=1.42，=1.68，=0.72，

=0.72，

=4.38，

=0.015；

 (3)、在采光模拟软件平台上，利用插件导入步骤（2）所得风环境以及湿度环境模拟所得出的风速流线分布数据，进行二层模拟；

(4)、根据步骤(3)得到的风速流线二层模拟后的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)、通过计算机技术的应用，可视化方法的使用，使风速流线分布变成图像显示，可直观的观察风速流线在不同高度的分布，便于我们调查、研究。

所述的建筑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。

通常情况下风压是看不见、摸不着的，所以无法通过人为来改变它。而通过一些计算机的智能操作，就可以得出风速流线的在不同高度的分布图，以此来得出风速流线可视化的建筑设计方法。

本发明的有益效果在于：

具体地说，本发明的优点如下：风速流线可视化的建筑设计方法在一定程度上改善了建筑的风环境，提高了人的舒适度，具有一定的合理性。风速流线可视化的建筑设计方法的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本。风速流线可视化的建筑设计方法，对于优化建筑设计，建设节能环保型校园有显著的指导作用。风速流线可视化的建筑设计方法有利于校园风环境的改善和舒适度的提高。通过风速流线可视化的建筑设计方法，可以准确无误的观察风速流线在不同的高度的改变情况。经过考虑周边环境，便捷于设计建筑，创造出更加符合人体工程学的设计。

附图说明

图1为夏季5米高度风速矢量分布图；

图2为夏季15米高度风速矢量分布图；

图3为冬季5米高度风速矢量分布图；

图4为冬季15米高度风速矢量分布图；

图5为风速流线可视化实施步骤示意图；

图6为风速流线可视化的建筑设计方法的过程示意图；

图7为夏季小区风速流线示意图；

图8为冬季小区风速流线示意图；

图9为11层小高层模拟常年主导风向下1.5m高处风速矢量图；

图10为17、22层高层模拟常年主导风向下1.5m高处风速矢量图。

图中标号：1.风速流线，2.建筑。

具体实施方式

当前使用定量分析的有风洞试验和计算流动动力学（CFD）两种方式，随着计算机技术的发展，CFD以其廉价、便利的方式得到越来越广泛的应用。

CFD方法公式

室内空气流动密度变化不大，速度较低，且由于墙壁的存在，空气的黏滞性不可忽略，而室内空气流动雷诺数往往达到湍流流动的量级，故室内空气流动为不可压湍流流动，其流动和传热过程可用如下的通用微分方程表示

其中φ代表流动的速度、温度、污染物浓度分布等物理量，对于相应的湍流模型，φ还代表有关的湍流参数，如湍流动能以及湍动能耗散率等。

将上述方程转变为代数方程，如下式所示：

其中，a为离散方程的系数，φ为各网格节点的变量值，b为离散方程的源项。下标"p"表示考察的控制体节，下标"nb"表示p相邻的节点。

本发明采用RNG k-ε湍流模型进行模拟，其湍流控制方程如式（1）-（4）所示：（1）为连续性方程，（2）为动量方程，（3）为k方程，（4）为ε方程。

                              （1）

（2）

（3）

（4）

式中

其中，U_i（_i=1,2,3），分别为沿坐标轴x、y、z方向的平均速度分量；k、ε为湍流动能和湍流耗散率，p为平均压力，

为空气密度，

为平均应变张量分量，

为气流运动粘度，

为涡团运动粘度。

=0.085，

=1.42，

=1.68，

=0.72，

=0.72，=4.38，

=0.015。

如说明书附图所示，通过风速流线可视化的建筑设计方法，可以准确无误的观察风速流线在不同的高度的改变情况。经过考虑周边环境，便捷于设计建筑。

可以轻松使风速流线得到可视化的设计方法。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。此专利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，来判断建筑受光情况；第二种是周边风速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风速流线的数据，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，也可以由风速流线情况来重点考虑。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，本专利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。

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风信息和环境信息，将这些信息输入计算机中进行风环境及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的风速流线数据；在数值模拟软件平台上，利用插件导入风环境以及湿度环境模拟所得出的风速流线分布数据进行二层模拟；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，那么空间布局中的风速流线分布情况就可以被肉眼观察和研究了；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；通过计算机技术的应用，可视化方法的使用，使风速流线分布变成图像显示，可直观的观察风速流线在不同高度的分布，便于我们调查、研究。所述的建筑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。

本专利所要解决的关键问题是如何同时引用采光数据和受气压影响的温度数据。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，然而在本专利的分析中，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，而风速流线可视化的建筑设计方法就是用来观察风速流线分布的情况，而这个风速流线可视化的方法主要是以风速流线分布为主要数据的，从这里可以得出，其实我们所共同需要运用到的是风速流线分布的数据。这样就可以以采光软件为基础平台，在此基础上布设插件，它可以自动将建筑环境模拟过的风速流线在不同高度的分布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专利需要解决的问题，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风速流线分布数据基础上。有了这个风速流线在不同高度的分布数据，抓住了这两点就可以快速的实现智能分析，把方案展现在设计师的面前。

本专利的优势：

1.    可以轻松使观察建筑内的风速流线分布。

2.    建筑内部的风速流线通过计算机技术的运用实现了可视化的操作。

3.    将建筑的风速流线达到最科学合理的分析，建筑周边环境的功能空间都被合理的利用。

4.    此设计方法的大力推行，将对于优化建筑设计，建设节能环保型校园有显著的指导作用。

具体实施步骤：确立所需要的一切风信息和环境信息，将这些信息输入计算机进行风环境及湿度环境的模拟，得出风速流线分布信息。在采光模拟软件平台上，利用插件导入风环境模拟的风速流线在不同高度的分布数据进行二层模拟。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参考。在计算机中进行房间数量和属性的设置，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；通过计算机技术的应用，可视化方法的使用，使风速流线分布变成图像显示，可直观的观察风速流线在不同高度的分布，便于我们调查、研究。

得出合理的建筑风速流线的数据，为建筑师确立方案提供依据。本发明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，一面要求用于准确的数据，一面要求损耗小，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。然后根据喜好可以编辑优先选择顺序，重新进行运算选取。

二次计算是本专利的创新之处，成功运用了风速流线可视化的建筑设计方法提供的数据信息，模拟施加在建筑表面的风速和降温参数，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。

当前的自然通风的研究着重于采用传统的经验进行自然通风的设计，大部分都是定性的设计，缺少节能方面定量的分析结果。当前使用定量分析的有风洞试验和计算流动动力学（CFD）两种方式，随着计算机技术的发展，CFD以其廉价、便利的方式得到越来越广泛的应用。风速流线可视化的建筑设计方法可以准确地模拟通风系统的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题。风速流线可视化的建筑设计方法的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本。

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。

建筑的生态节能改造就充分利用风速流线可视化的建筑设计方法。在以后的设计中我们可以利用风速流线可视化的建筑设计方法以优化设计，使其达到理想的功效。通过此方法的大力使用，可以使设计更加便捷，创造出更加符合人体工程学的设计。

本发明以我国南方地区的一所中学为例，通过探究其校区改造后的风环境情况，使用风速流线可视化的建筑设计方法。研究结果表明，一种风速流线可视化的建筑设计方法有利于校园风环境的改善和舒适度的提高。数值模拟比实地测量和风洞试验得出的计算结果更直观和详细。本文通过采用风速流线可视化的建筑设计方法，为建筑节能探索出一条有效的技术方案。在以后的设计中我们可以利用一种风速流线可视化的建筑设计方法以优化设计，使其达到理想的功效。通过此方法的大力使用及推广，可以使设计更加便捷，创造出更加符合人体工程学的设计

环境中风的状况直接影响着人们的生活，而风环境状况不仅仅与当地气候有关，还与建筑物的布局、朝向、密度、高度等因素有关。学校作为一个学生聚集的场所，其风环境的舒适与否直接影响着学生的日常学习和户外运动。本文使用CFD软件，对建筑的风环境模拟，并分析了在不同高度风速流线的变化情况，得出以下结论：

（1）案例中主要通道的风速均低于4.7m/s，满足行人室外活动的舒适度要求；

（2）建筑物周围没有产生明显的不利于污染物扩散的涡旋，保障了校园的空气品质；

（3）建筑的迎风面和背风面存在一定的压差，有利于建筑自然通风和建筑节能；

由此可见，风速流线可视化的建筑设计方法在一定程度上改善了建筑的风环境，提高了人的舒适度，具有一定的合理性。风速流线可视化的建筑设计方法的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本。风速流线可视化的建筑设计方法，对于优化建筑设计，建设节能环保型校园有显著的指导作用。

Claims (2)

1.一种风速流线可视化的建筑设计方法，其特征在于具体步骤如下：

(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风信息和环境信息，将所述风信息和环境信息输入计算机中进行风环境以及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的风速流线分布数据；

所述风速流线分布采用RNG k-ε湍流模型进行模拟，其湍流控制方程如式（1）-（4）所示：（1）为连续性方程，（2）为动量方程，（3）为k方程，（4）为ε方程；

                              （1）

（2）

（3）

（4）

式中

其中，U_i（_i=1,2,3），分别为沿坐标轴x、y、z方向的平均速度分量；k、ε为湍流动能和湍流耗散率，p为平均压力，

为空气密度，为平均应变张量分量，

为气流运动粘度，

为涡团运动粘度；

=0.085，

=1.42，=1.68，

=0.72，

=0.72，

=4.38，

=0.015；

 (3)、在采光模拟软件平台上，利用插件导入步骤（2）所得风环境以及湿度环境模拟所得出的风速流线分布数据，进行二层模拟；

(4)、根据步骤(3)得到的风速流线二层模拟后的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)、通过计算机技术的应用，可视化方法的使用，使风速流线分布变成图像显示，可直观的观察风速流线在不同高度的分布，便于我们调查、研究。

2.根据权利要求1中的一种风速流线可视化的建筑设计方法，其特征在于：所述的建筑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。

Images