CN108052762B - 一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法 - Google Patents

一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法，包括以下步骤：步骤1、建立严寒地区局地天空亮度分布数据库；步骤2、构建天空元亮度数据与人工天穹灯具组映射关系；步骤3、拟仿真建筑物理模型数控建造；步骤4、进行局地光气候的建筑自然采光性能仿真。本发明可以实现缩微模型对于标准形态及非标准形态的建筑空间以及建筑材料光学属性信息的准确还原，同时通过采用真实光气候数据从而实现自然采光性能的高精度模拟。

Description

一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法
技术领域
本发明属于建筑自然采光性能仿真技术领域，特别是涉及一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法。
背景技术
在可持续发展背景下，充分利用建筑自然采光对于降低建筑能耗具有重要意义，且自然采光可有效提升建筑光环境品质。自然采光性能评价依托理论计算、软件模拟和物理模型仿真三种方法，尤以软件模拟和物理模型仿真应用最为广泛。
在计算机软件模拟方法中，目前使用最为广泛的是radiance核心算法引擎，但是在采光计算天空生成环节所使用的gensky和gendaylit两种天空生成程序模块所生成的CIE标准天空与perez天空等无法实现特定时间天空亮度分布与天空亮度分布变化情况的真实表达，即无法实现局地光气候仿真；其次radiance所使用的反向光线追踪法所反映的自然光线在空间的反射与真实光线在建筑空间中的反射仍存在差异。而物理模型仿真方法可以保证自然光线在建筑内部空间的真实反射情况，避免了软件模拟在此方面的误差，与软件模拟方法相比具有更高的模拟精度。
但是目前的物理模型仿真方法仍然存在局限，其原因在于：现有半球形人工天穹仅能做到模拟CIE标准天空，但无法模拟特定时间真实天空亮度分布及天空亮度变化情况，因此无法通过采用真实光气候数据实现局地气候自然采光的高精度模拟；基于现有的缩微模型制作技术，物理仿真模型的形态仍以标准形态为主，对于非标准形态模型仿真存在技术难度，同时物理仿真模型在反射率、透射率等光学性能的表达上也存在误差从而影响采光模拟精度。
发明内容
本发明为了解决现有的建筑自然采光性能物理仿真模拟方法在缩微模型对于建筑空间形态和材料光学属性的还原精准度以及人工天穹光气候数据与局地真实光气候数据存在的差异性等两方面存在局限性的技术问题，提出一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法，可以实现缩微模型对于标准形态及非标准形态的建筑空间以及建筑材料光学属性信息的准确还原，同时通过采用真实光气候数据从而实现自然采光性能的高精度模拟。
本发明的目的通过以下技术方案实现：一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、建立严寒地区局地天空亮度分布数据库；
步骤2、构建天空元亮度数据与人工天穹灯具组映射关系；
步骤3、拟仿真建筑物理模型数控建造；
步骤4、进行局地光气候的建筑自然采光性能仿真。
进一步地，所述步骤1具体为：根据自然采光性能仿真目的、地理信息和环境信息确定天空亮度分布数据采集时间域和采集时间步长；将局地天空网格化，划分为145个天空元，利用全天空亮度扫描仪对严寒地区局地天空亮度分布数据进行采集，每4.5分钟完成一次对全天空的扫描；利用参数化建模工具，基于全天空亮度扫描仪实测数据，建立严寒地区局地天空亮度分布数据库。
进一步地，所述步骤2具体为：基于严寒地区局地天空亮度分布数据库，利用参数化编程技术对人工天穹灯具组控制软件进行二次开发，建立人工天穹灯具组控制软件与天空亮度分布数据库之间的数据交互接口程序，实现人工天穹灯具组控制软件与天空亮度分布数据库的协同，从而建立各天空元亮度数据与其相应的人工天穹灯具组映射关系。
进一步地，所述步骤3具体为：采用建筑信息建模工具建立拟仿真建筑物理模型，利用激光测距仪和照度计对拟仿真建筑形态空间与材料光学属性参数进行实测或根据设计图纸将所述拟仿真建筑形态空间与材料光学属性参数输入拟仿真建筑物理模型；拟仿真建筑物理模型应根据人工天穹实验区尺度进行等比例缩放，按一定比例将拟仿真建筑物理模型输出为数控建造文件，应用光敏树脂三维打印设备对拟仿真建筑物理模型进行数控建造，准确还原拟仿真建筑形态空间与材料光学属性信息。
进一步地，所述步骤4具体为：根据自然采光仿真目的与精度要求，设定数控建造后的拟仿真建筑物理模型分析面高度与网格密度，于各网格中心点布置照度传感器，并将传感器组与Arduino开发板关联；根据仿真模拟时间要求，应用人工天穹灯具组控制软件读取严寒地区局地天空亮度分布数据库在相应时间点的天空亮度数据，调整人工天穹灯具亮度，展开光气候仿真，照度传感器记录数控建造后的拟仿真建筑物理模型分析网格照度数据，完成基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真。
附图说明
图1为本发明基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法的流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明涉及一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法。该方法基于严寒地区光气候环境，应用全天空亮度扫描仪实测局地天空亮度分布数据，建立局地天空亮度分布数据库；通过人工天穹软硬件二次开发，实现人工天穹灯具控制组对天空亮度实测数据的无缝调用；应用3D打印机准确还原拟仿真建筑形态、空间信息以及建筑材料透射率、反射率等光学属性信息，建构拟模拟建筑缩微模型；应用开发板、照度传感器实时采集缩微模型分析网格面在不同人工天穹光环境下的照度数据，实现基于局地光气候的建筑自然采光性能仿真。
结合图1，本发明提出一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法，包括以下步骤：
步骤1、建立严寒地区局地天空亮度分布数据库；
步骤2、构建天空元亮度数据与人工天穹灯具组映射关系；
步骤3、拟仿真建筑物理模型数控建造；
步骤4、进行局地光气候的建筑自然采光性能仿真。
所述步骤1具体为：根据自然采光性能仿真目的、地理信息和环境信息确定天空亮度分布数据采集时间域和采集时间步长；将局地天空网格化，划分为145个天空元，利用全天空亮度扫描仪(sky scanner MS321-LR)对严寒地区局地天空亮度分布数据进行采集，每4.5分钟完成一次对全天空的扫描；利用参数化建模工具，基于全天空亮度扫描仪实测数据，建立严寒地区局地天空亮度分布数据库。
所述步骤2具体为：基于严寒地区局地天空亮度分布数据库，利用参数化编程技术对人工天穹灯具组控制软件进行二次开发，建立人工天穹灯具组控制软件与天空亮度分布数据库之间的数据交互接口程序，实现人工天穹灯具组控制软件与天空亮度分布数据库的协同，从而建立各天空元亮度数据与其相应的人工天穹灯具组映射关系，提高人工天穹灯具组对局地光气候仿真的准确性。
所述步骤3具体为：采用建筑信息建模工具建立拟仿真建筑物理模型，利用激光测距仪和照度计对拟仿真建筑形态空间与材料光学属性参数进行实测或根据设计图纸将所述拟仿真建筑形态空间与材料光学属性参数输入拟仿真建筑物理模型；拟仿真建筑物理模型应根据人工天穹实验区尺度进行等比例缩放，按一定比例将拟仿真建筑物理模型输出为数控建造文件，应用光敏树脂三维打印设备对拟仿真建筑物理模型进行数控建造，准确还原拟仿真建筑形态空间与材料光学属性信息。
所述步骤4具体为：根据自然采光仿真目的与精度要求，设定数控建造后的拟仿真建筑物理模型分析面高度与网格密度，于各网格中心点布置照度传感器，并将传感器组与Arduino开发板关联；根据仿真模拟时间要求，应用人工天穹灯具组控制软件读取严寒地区局地天空亮度分布数据库在相应时间点的天空亮度数据，调整人工天穹灯具亮度，展开光气候仿真，照度传感器记录数控建造后的拟仿真建筑物理模型分析网格照度数据，完成基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真。
实测研究表明，天空模型对实际天空亮度水平还原的真实度显著影响自然采光性能仿真精度，如表1所示，以严寒地区为例，实测数据表明采用本发明的自然采光性能仿真方法其平均误差可降低18.5％，仿真结果与实测数据拟合系数可提高10.8％，决定系数可提高19.8％。
表1本发明仿真方法与现有的仿真方法的对比
本发明在精度方面，通过集成严寒地区天空亮度分布数据，显著提高了严寒地区建筑自然采光性能仿真方法对于局地光气候的仿真精度；同时，通过应用建筑信息模型建构拟仿真建筑物理模型，应用数控建造设备建构拟仿真建筑物理模型，显著提高了自然采光性能仿真模拟过程对拟仿真建筑形态空间与材料光学属性参数的仿真精度。在效率方面，通过应用三维打印设备展开数控建造，相比传统手工建模方法，显著提高了拟仿真建筑物理模型建构效率；而且，通过应用Arduino开发板和照度传感器，将传统逐点数据读取过程转化为网格数据整体读取过程，显著提高了建筑自然采光性能仿真模拟效率。
以上对本发明所提供的一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (4)

1.一种基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、建立严寒地区局地天空亮度分布数据库；
步骤2、构建天空元亮度数据与人工天穹灯具组映射关系；
步骤3、拟仿真建筑物理模型数控建造；
步骤4、进行局地光气候的建筑自然采光性能仿真；
所述步骤1具体为：根据自然采光性能仿真目的、地理信息和环境信息确定天空亮度分布数据采集时间域和采集时间步长；将局地天空网格化，划分为145个天空元，利用全天空亮度扫描仪对严寒地区局地天空亮度分布数据进行采集，每4.5分钟完成一次对全天空的扫描；利用参数化建模工具，基于全天空亮度扫描仪实测数据，建立严寒地区局地天空亮度分布数据库。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤2具体为：基于严寒地区局地天空亮度分布数据库，利用参数化编程技术对人工天穹灯具组控制软件进行二次开发，建立人工天穹灯具组控制软件与天空亮度分布数据库之间的数据交互接口程序，实现人工天穹灯具组控制软件与天空亮度分布数据库的协同，从而建立各天空元亮度数据与其相应的人工天穹灯具组映射关系。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤3具体为：采用建筑信息建模工具建立拟仿真建筑物理模型，利用激光测距仪和照度计对拟仿真建筑形态空间与材料光学属性参数进行实测或根据设计图纸将所述拟仿真建筑形态空间与材料光学属性参数输入拟仿真建筑物理模型；拟仿真建筑物理模型应根据人工天穹实验区尺度进行等比例缩放，按一定比例将拟仿真建筑物理模型输出为数控建造文件，应用光敏树脂三维打印设备对拟仿真建筑物理模型进行数控建造，准确还原拟仿真建筑形态空间与材料光学属性信息。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述步骤4具体为：根据自然采光仿真目的与精度要求，设定数控建造后的拟仿真建筑物理模型分析面高度与网格密度，于各网格中心点布置照度传感器，并将传感器组与Arduino开发板关联；根据仿真模拟时间要求，应用人工天穹灯具组控制软件读取严寒地区局地天空亮度分布数据库在相应时间点的天空亮度数据，调整人工天穹灯具亮度，展开光气候仿真，照度传感器记录数控建造后的拟仿真建筑物理模型分析网格照度数据，完成基于局地光气候的严寒地区建筑自然采光性能仿真。
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GR01 Patent grant
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