CN108614943A - 一种曲面建筑表皮的优化方法 - Google Patents

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刘玉涵
杨洋
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Abstract

本发明公开了一种曲面建筑表皮的优化方法，旨在提供一种利用遗传算法对初步模型进行完善调整，从而获得太阳能吸收率最优的曲面形式的曲面建筑表皮的优化方法。以初步设计的曲面建筑表皮形式为优化对象，提取控制参数；根据遗传算法原理对自由曲面表皮形式进行优化设计，使薄膜光伏对太阳辐射有最佳吸收量。本发明的优化方法利用遗传学算法进行曲面表皮优化涉及，使得曲面建筑表皮上安装的曲面薄膜光伏对太阳能辐射吸收量最大化，提高了建筑物利用太阳能的效率。

Description

一种曲面建筑表皮的优化方法
技术领域
本发明涉及建筑技术领域，更具体的说，是涉及一种有利于提高太阳能吸收率的曲面建筑表皮的优化方法。
背景技术
太阳能作为清洁的可再生能源其储量丰富，易于收集，非常具有应用价值。为了充分利用太阳能资源，同时有效缓解建筑能耗压力，如何将光伏材料有效的集成于建筑表皮，使其成为可以实现电力产出的建筑材料，从而实现光伏建筑一体化，真正实现建筑物产生能源将非常具有研究意义。
就常规的太阳能建筑一体化设计过程主要包括以下几个步骤：收集当地气象参数、计算负载分布情况、根据光伏板表面的太阳辐射量确定光伏板的总功率、根据系统稳定性等因素确定蓄电池容量、选择控制器和逆变器等等。以上方法适应于平面表皮建筑集成光伏设计。对于太阳辐射量确定方面，只需考虑平板光伏的方位角与倾角的计算。但是随着建筑形式的日趋复杂化，自由曲面建筑表皮凭借其多变性与动态感而广泛应用于建筑实践当中。然而曲面表皮其三维模型复杂，对于太阳光采集没有确定规律，所以，针对自由曲面建筑集成光伏材料的设计方法还存在空白。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种利用遗传算法对初步模型进行完善调整，从而获得太阳能吸收率最优的曲面形式的曲面建筑表皮的优化方法。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种曲面建筑表皮的优化方法，包括下述步骤：
(1)以初步设计的曲面建筑表皮形式为优化对象，提取控制参数；
(2)根据遗传算法原理对自由曲面表皮形式进行优化设计，使薄膜光伏对太阳辐射有最佳吸收量；优化设计包括下述步骤：
①将统计太阳辐射量的目标函数定义为公式(1)，自变量为曲面控制点参数坐标，因变量为曲面吸收太阳能辐射的总和；
f(Xi k),i＝1,……,N (1)
②将曲面上的k个控制点以初始位置为参考，按控制点编号排列为[X0 1,……X0 K]和[X0＇ 1……X0＇ k]，将其命名为母代染色体，并将母代染色体转化成二进制形式表达；
③将二进制形式的母代染色体进行交叉遗传并随机突变，从而产生新的子代染色体[X1 1,……X1 K]；
④对新染色体带入公式(1)计算其结果，并择优保留太阳能辐射量相对较大的数值作为新的母代染色体；
⑤重复以上迭代操作，直到结果收敛，太阳能辐射量数值相对稳定，终止优化；
⑥将二进制返回成十进制的表达形式，得出优化结果[XN 1,……XN K]。
步骤③中的交叉概率为0.6-0.8，突变概率为0.01-0.03。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明的优化方法利用遗传学算法进行曲面表皮优化涉及，使得曲面建筑表皮上安装的曲面薄膜光伏对太阳能辐射吸收量最大化，提高了建筑物利用太阳能的效率。
2、本发明的优化方法简单，实用性强。
附图说明
图1所示为本发明的初始曲面与优化后曲面侧视图。
具体实施方式
以下结合具体附图和实施例对本发明进行详细说明。
以建筑设计师初步设计的曲面形式为优化对象，提取生成曲面的控制参数，从而实现曲面形体的二次参数化构建。根据不同地区的气候特点以及太阳能资源的分布情况，确定光伏材料工作的有效时域，继而确定在模拟条件下，太阳轨迹的运行路线，从而统计曲面形体对太阳辐射的吸收情况。所用统计太阳辐射函数为Radianc’Gendaymax函数。其基于Perez全天气象模型，通过载入建设场地的气象信息，太阳运行轨迹，以及计算时长来统计曲面形体的太阳辐射吸收量。在此过程中需要遵循设计师对曲面形式变形程度来约束自变量X的变化范围，以免导致优化结果与初始模型的差异过大，影响建筑表皮功能使用及美学要求。
本发明的曲面建筑表皮的优化方法包括下述步骤：
(1)以初步设计的曲面建筑表皮形式为优化对象，提取控制参数；
(2)根据遗传算法原理对自由曲面表皮形式进行优化设计，使薄膜光伏对太阳辐射有最佳吸收量；优化设计包括下述步骤：
①将统计太阳辐射量的目标函数定义为公式(1)，自变量为曲面控制点参数坐标，因变量为曲面吸收太阳能辐射的总和；
f(Xi k),i＝1,……,N (1)
②将曲面上的k个控制点以初始位置为参考，按控制点编号排列为[X0 1,……X0 K]和[X0＇ 1……X0＇ k]，将其命名为母代染色体，并将母代染色体转化成二进制形式表达；
③将二进制形式的母代染色体进行交叉遗传并随机突变，从而产生新的子代染色体[X1 1,……X1 K]；
④对新染色体带入公式(1)计算其结果，并择优保留太阳能辐射量相对较大的数值作为新的母代染色体；
⑤重复以上迭代操作，直到结果收敛，太阳能辐射量数值相对稳定，终止优化；
⑥将二进制返回成十进制的表达形式，得出优化结果[XN 1,……XN K]。
其中，步骤③中的交叉概率为0.6-0.8，突变概率为0.01-0.03。
实施例1：
本实施例以天津气象数据作为具体分析背景，选择初始模型如图1虚线1所示，此初始曲面是通过6个控制点唯一确定的Nurbs曲面，除去两个端点进行定位以外，中部4个控制点作为可调的变化参数，这4个可调控制点命名与坐标数据见表1。本例计算了天津夏季6、7、8月从上午8点到下午16点，逐天的太阳能累计辐射量。初始模型的太阳能辐射吸收量为30673.60kW·h。
表1
名称 坐标(x,y,z)cm
A (-194.2,0,30)
B (-31.2,0,60)
C (143.5,0,90)
D (300,0,120)
对曲面背板进行优化，首先提取A,B,C,D4个控制点，以可调节的x方向坐标为参数，以集成光伏材料所要求的太阳能辐射量最大为目标函数。进行基于遗传算法的优化求解，将曲面上的4个控制点以初始位置为参考，编译成母代染色体[-194.2,-31.2,143.5,300]，并将其转化成二进制形式表达[-11000010.00110011001100110011001100110011,-11111.00110011001100110011001100110011,10001111.10000000000000000000000000000000,100101100.00000000000000000000000000000000]；再次，将二进制形式的母代染色体进行交叉遗传并随机突变，交叉概率0.8，突变概率0.03，本实施例中的交叉采用随机将X1 0与X1 0'中对应位数的数值互换，突变采用在染色体中发生“0”与“1”的随机转化，从而产生子代染色体；对新染色体带入太阳辐射量统计函数计算其结果，并择优保留，重复以上迭代操作，直到结果收敛，终止优化；最后得出优化结果的二进制形式染色体为[-100100101.010011001100110011001100110011；-11101010.10110011001100110011001100110011；100101100.00000000000000000000000000000000；100101100.00000000000000000000000000000000]，将其转化成十进制形式如下表2所示。太阳能吸收量为36461.01kW·h。比原模型效率提升18.87％。改进后的曲面如图1实线2所示。
表2
名称 坐标(x,y,z)cm
A (-293.3,0,30)
B (-234.7,0,60)
C (300,0,90)
D (300,0,120)
以此坐标数据作为生成曲面硬性背板的结构参数。再通过3D打印技术中的熔融沉积技术生成背板模块。
通过本发明的优化方法利用遗传学原理进行曲面表皮优化，能够提高曲面建筑表皮上的薄膜光伏对太阳能的吸收率，从而提高了能源的利用率。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种曲面建筑表皮的优化方法，其特征在于，包括下述步骤：
①将统计太阳辐射量的目标函数定义为公式(1)，自变量为曲面控制点参数坐标，因变量为曲面吸收太阳能辐射的总和；
f(Xi k),i＝1,……,N (1)
②将曲面上的k个控制点以初始位置为参考，按控制点编号排列为[X0 1,……X0 K]和[X0＇ 1……X0＇ k]，将其命名为母代染色体，并将母代染色体转化成二进制形式表达；
③将二进制形式的母代染色体进行交叉遗传并随机突变，从而产生新的子代染色体[X1 1,……X1 K]；
④对新染色体带入公式(1)计算其结果，并择优保留太阳能辐射量相对较大的数值作为新的母代染色体；
⑤重复以上迭代操作，直到结果收敛，太阳能辐射量数值相对稳定，终止优化；
⑥将二进制返回成十进制的表达形式，得出优化结果[XN 1,……XN K]。
2.根据权利要求1所述的曲面建筑表皮的优化方法，其特征在于，步骤③中的交叉概率为0.6-0.8，突变概率为0.01-0.03。
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