CN103823931B - 一种运用简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种运用简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法，包括对建筑设计过程中繁琐的步骤进行必要的简化，在建筑物内通过软件做出建筑简化模型，再将所测建筑物视为一个大的空间网格，将建筑信息和环境信息输入计算机中进行建筑环境及湿度环境的模拟，得出整个建筑的非结构化网格的数据，再根据已获知的数据对每一个建筑空间网格进行计算，根据要求，对建筑进行功能布置的分析，将属性相同的功能区尽可能的集中于一体，使建筑更加规范、立体；简化模型和非结构化网格方法的使用，便于观察建筑内部结构，进而了解外部环境特征，更加便捷于设计师观察、研究，设计出好的作品。

Description

一种运用简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法

技术领域

本发明涉及计算机技术应用领域，说明运用简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法，可以轻松准确的观察建筑的简化模型和非结构化网格的情况，从而找出使其更加合理规范的方法。在模拟过程中，网格的质量往往影响着计算的准确性和精度。非结构化网格没有规则的拓扑结构，网格形状种类多，灵活度高，便于模拟复杂的下垫面。试验先在建筑物壁面处布置较为密集的网格以适应流场的变化，而建筑群外围则布置较为稀疏的网格，再由面到体对整个流场进行区域划分。

背景技术

确定了计算区域之后，需要设定合理的边界条件，以真实的模拟建筑环境。分析地理位置及其气候条件，判断其不同季节的主导风向和风速，从而确立模拟区域的输入输出条件，以此代替完全开口的流场。

（1）入口边界条件：本例在计算区域的入口采用速度进口边界条件，分别以当地夏季主导风东南风和冬季主导风东北风作为入口风向进行计算。

（2）出口边界条件：定义出口为自由出流边界，假定出流面上的流动已充分发展，出口方向上所有流动变量的扩散流量为零，不存在回流。

（3）固体壁面边界条件：由于建筑物表面和地面是固定不动的，故在模型表面和计算区域边界的底面采用无滑移的壁面条件。由于选定的计算区域较大，故认为风场的上表面和侧面的空气流动不受建筑物的影响，设为自由滑移表面。

在模拟过程中，网格的质量往往影响着计算的准确性和精度。非结构化网格没有规则的拓扑结构，网格形状种类多，灵活度高，便于模拟复杂的下垫面。试验先在建筑物壁面处布置较为密集的网格以适应流场的变化，而建筑群外围则布置较为稀疏的网格，再由面到体对整个流场进行区域划分。

但是目前尚不存在通过计算机软件直接进行建筑设计的方法来规划区域建筑的手段和技术，利用模拟建筑环境的方法也只是简单地用于模拟建筑周围的情况，无法真正通过简化模型和非结构化网格进行建筑设计。

发明内容

本发明的目的是提供一种运用简化模型和非结构网格进行建筑设计的方法；

本发明的另一目的是提供一种在了解建筑简化模型的前提下，再进行建筑设计的方法；

本发明提供一种能够观察简化模型和非结构化网格设计建筑的方法，具体步骤如下：

在建筑物内制作若干个建筑简化模型，忽略建筑的门窗与复杂结构部分，把建筑视为一个个简化的矩形块，根据建筑的外轮廓，使用AutoCAD进行绘制建筑简化平面图，并赋予建筑高度，绘制建筑简化模型并导出，导入Gambit软件进行网格划分，得到建筑简化模型；再将所测建筑物视为一个大的空间网格，所述大的空间网格内部还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；

简化模型建立动力学方程如下：

式中：F_S为缓冲器轴向力；K_S为缓冲器轴向力系数；μ为轮胎和跑道道面的摩擦系数；F_Vg为地面对轮胎的作用力；W₁为上质量块的质量力；W₂为下质量块的质量力；L为作用在质量力W₁上的升力，W=W₁+W₂；

式中：ρ为液压油密度；C_d为流量系数，一般取0.7～1；s为缓冲器行程；s＇为缓冲器内外筒间的相对速度；A_n为有效节流面积；A_h有效压油面积；γ为气体多变指数；A_a为气体作用面积；μ₁为上部轴承或安装在内筒上的摩擦系数；F₁为上部轴承或安装在内筒上的垂直作用力；μ₂为下部轴承或安装在外筒上的摩擦系数；F₂为下部轴承或安装在外筒上的垂直作用力；s＇/│s＇│为力的方向符号；

式中：F_Vg为地面对轮胎的Z向作用力；z₂为轮轴下沉z向位移，即轮胎变形量；m 、r对应于轮胎载荷-变形特性曲线的常数；

简化模型方程计算公式如下：

……

上式表示m个变量，对应时间t内，每个变量有n个数据，将简化模型数据进行累加生成，经过处理，可减少数据的随机性，增加数据的趋势性；如果一次累加不行，还可以进行二次累加；

简化模型有GM(1,a)模型、GM(0,n)模型或GM(n)模型；

对于单变量数列，成为GM(1,1)模型，有原始数据：

作累加生成：

，

，

……

白化后的数列为.

其对应的微分方程为.

方程的解为：.

记a、u为参数向量：.

取前5个数列：

，

.

对于GM（1，2）模型，微分方程为

.

方程的解为

.

式中

，

对于Verhulst模型，微分方程为

，

方程的解为：

.

式中

,

,

对于GAM（1）模型，方程的解为

.

式中

,

,

；

(2)、确立分析计算时所需要的一切建筑信息和环境信息，将这些建筑信息和环境信息输入计算机中，运用Fluent软件进行建筑环境及湿度环境的模拟，首先选取数学模型，软件根据选取的湍流模型， k-ε模型组进行计算，基于非结构化网格的通用CFD求解器，针对非结构性网格模型，用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场。对紊流、热传、化学反应、混合、旋转流及震波进行计算，直到收敛。得出整个建筑的非结构化网格的数据；

(3)、在采光模拟软件平台上，利用插件导入建筑环境以及湿度环境模拟所得出的非结构化网格数据进行二层模拟；

(4)、再根据已获知的数据信息，包括每个建筑的网格数量、每个建筑表面在不同高度，以及不同季节的风压数据、风速数据、温度数据、相对湿度数据等模拟数据，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建筑布局的参考；

(5)、在计算机软件中进行房间数量和属性的设置，那么空间布局中的非结构化网格情况就可以被肉眼观察和研究了；

(6)、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，使建筑更加规范、立体；

(7)、通过计算机技术的应用，简化模型和非结构化网格方法的使用，便于肉眼观察建筑内部结构，进而了解外部环境特征，更加便捷于设计师观察、研究，设计出好的作品。

本发明中，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。

通过运用简化模型和非结构网格的设计方法，可以准确无误的观察建筑在计算机技术的支持下，缺点无处遁形，使建筑在施工的过程中，减少误差，更加趋于规范，实施建筑优化的情况。研究表明，经过考虑周边环境和人为使用，便捷于设计建筑。

本发明的有益效果在于：

具体地说，本发明的优点如下：在简化模型和非结构网格的完美结合下，设计出接近完美的建筑物。运用简化模型和非结构网格的设计方法在一定程度上改善了建筑的自身存在的缺点，使建筑在施工的过程中，减少误差，更加趋于规范，理性设计是建筑必备的特质之一。以人为本，提高了人的舒适度，具有一定的合理性和可行性。运用简化模型和非结构网格的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。运用简化模型和非结构网格的设计方法，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。通过运用简化模型和非结构网格的设计方法，可以准确无误的观察建筑在计算机技术的支持下，清晰得比较各建筑物间的优缺点，让缺点无处遁形，是建筑设计更合理规范，实施建筑优化的情况。研究表明，经过考虑周边环境和人为使用，便捷于设计建筑。

附图说明

图1为建筑简化模型图；

图2为11层小高层简化模型；

图3为17、22层高层简化模型；

图4为建筑非结构化网格图；

图5为建筑网格划分示意图；

图6为非结构化网格示意图；

图7为以圆面为例的非结构化网格示意图；

图8为四榀滑移胎架的简化模型示意图；

图9为建筑简化模型示意图；

图10运用简化模型和非结构化网格实施步骤示意图；

图11运用建筑简化模型和非结构化网格的设计方法的流程示意图。

图中标号：1为建筑简化模型，2为计算空间，3为非结构化网格。

具体实施方式

下面通过实施例进一步说明本发明。

简化模型建立动力学方程

式中：F_S为缓冲器轴向力；K_S为缓冲器轴向力系数；μ为轮胎和跑道道面得摩擦系数；F_Vg为地面对轮胎的作用力；W₁为上质量块的质量力；W₂为下质量块的质量力；L为作用在质量力W₁上的升力，W=W₁+W₂。

式中：ρ为液压油密度；C_d为流量系数，一般取0.7～1；s为缓冲器行程；s＇为缓冲器内外筒间的相对速度；A_n为有效节流面积；A_h有效压油面积；γ为气体多变指数；A_a为气体作用面积；μ₁为上部轴承（安装在内筒上）摩擦系数；F₁为上部轴承（安装在内筒上）的垂直作用力；μ₂为下部轴承（安装在外筒上）摩擦系数；F₂为下部轴承（安装在外筒上）的垂直作用力；s＇/│s＇│力的方向符号。

式中：F_Vg为地面对轮胎的Z向作用力；z₂为轮轴下沉z向位移，即轮胎变形量；m 、r对应于轮胎载荷-变形特性曲线的常数。

简化模型方程计算公式

……

上式表示m个变量，每个变量有n个数据（对应时间t），这就是数列，将简化模型数据进行累加生成，经过处理，可减少数据的随机性，增加数据的趋势性，如果一次累加不行，还可以进行二次累加。

简化模型可以列举多种，如GM(1,a)模型、GM(0,n)模型、GM(n)模型等。

最简单的是单变量数列，成为GM(1,1)模型，有原始数据：

作累加生成：

，

，

……

白化后的数列为.

其对应的微分方程为.

方程的解为：.

记a、u为参数向量：.

取前5个数列：

，

.

对于GM（1，2）模型，微分方程为

.

方程的解为

.

式中

，

对于Verhulst模型，微分方程为

，

方程的解为：

.

式中

,

,

对于GAM（1）模型，方程的解为

.

式中

,

,

,

如说明书附图所示，通过运用简化模型和非结构化网格的设计方法，可以准确无误的观察建筑在计算机技术的支持下，缺点无处遁形，使建筑在施工的过程中，减少误差，更加趋于规范，实施建筑优化的情况。经过考虑周边环境和人为使用，便捷于设计建筑。

可以轻松使建筑通过简化模型和非结构化网格的设计方法得到完善的设计。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建筑非结构化网格的数据，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，也可以由建筑情况来重点考虑。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。

将建筑物通过软件做出简化的模型，再将所测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及环境的模拟，得出整个建筑的非结构化网格的数据；在采光模拟软件平台上，利用插件导入建筑环境以及湿度环境模拟所得出的非结构化网格数据进行二层模拟；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建筑布局的参考；在计算机中软件进行房间数量和属性的设置，那么空间布局中的非结构化网格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，使建筑更加规范、立体；通过计算机技术的应用，简化模型和非结构化网格方法的使用，便于肉眼观察建筑内部结构，进而了解外部环境特征，更加便捷于设计师观察、研究，设计出好的作品。

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，而建筑模型简化和非结构化网格的设计方法就是用来建筑内部的情况，而这个建筑模型简化和非结构化网格的设计方法主要是以非结构化网格为主要数据的，从这里可以得出，其实我们所共同需要运用到的是非结构化网格的数据。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非结构化网格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非结构化网格数据基础上。有了这个非结构化网格数据，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.建筑内部的非结构化网格通过计算机技术的运用实现了可视化的操作。

2.对建筑内部的设计规范情况进行分析，建筑周边环境的功能空间都被合理的利用。

3.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：确立所需要的一切建筑信息和环境信息，将这些信息输入计算机进行建筑环境及湿度环境的模拟，得出非结构化网格信息。在采光模拟软件平台上，利用插件导入建筑环境模拟的非结构化网格数据进行二层模拟。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建筑布局的参考。根据要求对建筑进行功能布置的分析，在智能分析中对属性相同的的功能区尽可能的集中于一体，使建筑更加规范、立体。通过计算机技术的应用，简化模型和非结构化网格方法的使用，便于肉眼观察建筑内部结构，进而了解外部环境特征，更加便捷于设计师观察、研究，设计出好的作品。

得出合理的建筑非结构化网格的数据，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，成功运用简化模型和非结构化网格进行建筑设计提供的数据信息，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。

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。

布局常见于低层独立住宅、多层点式及高层塔式住宅，由于其建筑群自成组团或围绕中心建筑、公共绿地、水面进行布置，有利于通风。图中的建筑走向基本一致，与冬夏两季风向入射角均呈约30-50度夹角，既保证了建筑群良好的通风，也避免了风直接穿过建筑或形成大的风道给学生带来不适感。

夏季，由于校园南部的教学楼体积较小，几乎不会对中心广场北侧的一排教学楼进行遮挡，保证了中心广场和教学楼的通风，为学生的学习和室外活动营造了良好的条件。而冬季，由于中心广场北侧的教学楼群呈“L”型，因此阻挡了寒冷的东北风，使得中心广场和南侧教学楼处于风影区，有利于建筑节能和学生户外活动。

校区在改造之前，食堂和办公区之间的过道由于与冬季风向一致，且上风向无建筑物遮挡，容易形成风道，给行人造成不适；在新的布局中，这条道路向北移动了一段距离，冬季恰处于住宿楼的风影区，在一定程度上降低了该处的风速。规划中还设计了一座围合式的综合教学楼，这种布置形成了封闭的内院空间，空气流动缓慢，风速较小，可以作为一些特殊室外活动的场地。

运用简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法确实有利于建筑内部规范的改善和舒适度的提高。建筑的生态节能改造就充分利用简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法。简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法，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。

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。

（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，简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法在一定程度上改善了建筑的内部问题，提高了人的舒适度，具有一定的合理性和可行性。简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本。使建筑在施工的过程中，减少误差，更加趋于规范，理性设计是建筑必备的特质之一。简化模型和非结构化网格进行建筑设计的方法，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。所以在建筑方案设计时不仅要关注设计的理念及形态，更要关注建筑物本身，而且还应关注是否与人的使用相协调，以人为本，由此设计出的建筑才是好的城市象征，才能促进城市经济、社会的和谐健康发展。

Claims (2)

1.一种运用简化模型和非结构网格进行建筑设计的方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)、在建筑物内制作若干个建筑简化模型，忽略建筑的门窗与复杂结构部分，把建筑视为一个个简化的矩形块，根据建筑的外轮廓，使用AutoCAD进行绘制建筑简化平面图，并赋予建筑高度，绘制建筑简化模型并导出，导入Gambit软件进行网格划分，得到建筑简化模型；再将所测建筑物视为一个大的空间网格，所述大的空间网格内部还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；

简化模型建立动力学方程如下：

式中：F_S为缓冲器轴向力；K_S为缓冲器轴向力系数；μ为轮胎和跑道道面的摩擦系数；F_Vg为地面对轮胎的作用力；W₁为上质量块的质量力；W₂为下质量块的质量力；L为作用在质量力W₁上的升力，W=W₁+W₂；

式中：ρ为液压油密度；C_d为流量系数，一般取0.7～1；s为缓冲器行程；s＇为缓冲器内外筒间的相对速度；A_n为有效节流面积；A_h有效压油面积；γ为气体多变指数；A_a为气体作用面积；μ₁为上部轴承或安装在内筒上的摩擦系数；F₁为上部轴承或安装在内筒上的垂直作用力；μ₂为下部轴承或安装在外筒上的摩擦系数；F₂为下部轴承或安装在外筒上的垂直作用力；s＇/│s＇│为力的方向符号；

式中：F_Vg为地面对轮胎的Z向作用力；z₂为轮轴下沉z向位移，即轮胎变形量；m 、r对应于轮胎载荷-变形特性曲线的常数；

简化模型方程计算公式如下：

……

上式表示m个变量，对应时间t内，每个变量有n个数据，将简化模型数据进行累加生成，经过处理，可减少数据的随机性，增加数据的趋势性；如果一次累加不行，还可以进行二次累加；

简化模型有GM(1,a)模型、GM(0,n)模型或GM(n)模型；

对于单变量数列，成为GM(1,1)模型，有原始数据：

作累加生成：

，

，

……

白化后的数列为.

其对应的微分方程为.

方程的解为：.

记a、u为参数向量：.

取前5个数列：

，

.

对于GM（1，2）模型，微分方程为

.

方程的解为

.

式中

，

对于Verhulst模型，微分方程为

，

方程的解为：

.

式中

,

,

对于GAM（1）模型，方程的解为

.

式中

,

,

；

(2)、确立分析计算时所需要的一切建筑信息和环境信息，将这些建筑信息和环境信息输入计算机中，运用Fluent软件进行建筑环境及湿度环境的模拟，首先选取数学模型，软件根据选取的湍流模型， k-ε模型组进行计算，基于非结构化网格的通用CFD求解器，针对非结构性网格模型，用有限元法求解不可压缩流及中度可压缩流流场；对紊流、热传、化学反应、混合、旋转流及震波进行计算，直到收敛；得出整个建筑的非结构化网格的数据；

(3)、在采光模拟软件平台上，利用插件导入建筑环境以及湿度环境模拟所得出的非结构化网格数据进行二层模拟；

(4)、再根据已获知的数据信息，包括每个建筑的网格数量、每个建筑表面在不同高度，以及不同季节的风压数据、风速数据、温度数据、相对湿度数据等模拟数据，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建筑布局的参考；

(5)、在计算机软件中进行房间数量和属性的设置，那么空间布局中的非结构化网格情况就可以被肉眼观察和研究了；

(6)、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，使建筑更加规范、立体；

(7)、通过计算机技术的应用，简化模型和非结构化网格方法的使用，便于肉眼观察建筑内部结构，进而了解外部环境特征，更加便捷于设计师观察、研究，设计出好的作品。

2.根据权利要求1中的一种运用简化模型和非结构网格进行建筑设计的方法，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。