CN109426697B - 用于计算建筑物的围护结构的由计算机实施的方法 - Google Patents
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Abstract
一种用于计算待设计的建筑物围护结构(BE)的由计算机实施的方法，所述方法包括：‑确定建筑物的初始体积(IV)；以及‑对于建筑物的邻近区域(PR)的边界(PRB)的多个点(P1，P2，P3)中的每个点，计算切割表面(CS)并通过切除初始体积的在所述切割表面上方延伸的部分来修改初始体积；其中每个切割表面以这样的方式限定：通过切除初始体积的在该切割表面上方延伸的部分而被修改的初始体积在所述边界的相应点上投射持续时间等于预定值的阴影(SW)；所述围护结构由剩余体积的边界表面限定。一种计算机程序产品，一种非暂时性计算机可读数据存储介质和一种用于执行这种方法的计算机辅助设计系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种由计算机实施的方法，其用于计算符合邻近区域的最大阴影持续时间要求的建筑物的围护结构(外体或表皮)(envelope)。
本发明应用于计算机辅助设计(CAD)领域，更具体地应用于计算机辅助建筑设计(CAAD)领域。
背景技术
建筑物，特别是高或巨大的建筑物，不可避免地在周围区域投下阴影。这可能构成妨害，并且通常受到规定。在某些国家，尤其是诸如日本，在一些区域(公共花园、学校等)投下阴影的持续时间不得超过某个预定的持续时间。这构成了建筑师必须遵守的约束。
反复试验法、经验法则和经历可以帮助建筑师设计符合最大阴影持续时间要求的建筑物，但这些方法效率低下。尤其是，它们不能确保最终建筑物的有用地板表面最大化。后一种考虑在土地价格高的人口稠密区域非常重要，例如在东京等大城市。
“A&A Shadow”是Vectorworks公司的软件工具，其允许在符合预定区域的最大阴影持续时间要求的同时，确定具有最大体积的“建筑物围护结构”。该计算算法没有公开；但可以设想该工具在由最大阴影持续时间要求限定的约束下执行围护结构体积的随机变分优化。基于变分方法的这种方法效率不高，导致计算时间长，并且易于陷入“局部最大值”，并且因此存在提供次优解的风险。另外，建筑师很少或根本无法控制所取得的结果。
发明内容
本发明旨在克服这些缺点。更具体地，其目的在于提供一种快速且可靠的方法，以用于计算符合最大阴影持续时间要求的最大体积的围护结构。
根据本发明，通过几何方法实现该目的，其中通过使初始体积与多个“切割表面”相交来逐步“修剪”初始体积，每个“切割表面”确保在邻近区域的边界的相应点处的预定阴影持续时间。该方法基于简单的几何计算，可以高效地执行。该方法是完全确定性的，这确保其可靠性。此外，如将在下面解释的，该方法允许建筑师选择建筑物的顶部的位置，从而提供比现有技术更大的灵活性。
本发明的目的是一种用于计算待设计建筑物的围护结构的由计算机实施的方法，该方法包括：限定建筑物的初始体积；并且对于建筑物的邻近区域的边界的多个点中的每个点，计算切割表面并且通过切除初始体积的在所述切割表面上方延伸的部分来修改初始体积；其中每个切割表面以这样的方式限定，即通过切除初始体积的在切割表面上方延伸的部分而被修改的初始体积在边界的相应点上投射持续时间等于预定值的阴影；所述围护结构由剩余体积的边界表面限定。
更具体地，该方法可以包括以下步骤：
a)接收以下项作为输入：
-建筑物的纬度，
-建筑物的地面轮廓，
-建筑物的邻近区域的边界，以及
-建筑物的邻近区域的最大允许阴影持续时间；
b)通过竖直地挤出(extrude)建筑物的地面轮廓来计算初始体积；
c)对于邻近区域的边界的面向建筑物的地面轮廓的一部分的多个点中的每个点，计算由以下限定的切割表面：
-形成二面角的两个竖直平面，该二面角具有穿过所述点的竖直边缘，所述平面对称地设置在预定地面点的两侧上，该预定地面点构成建筑物的最高点在地面上的投影；以及
-锥形表面，所述锥形表面以所述点作为其顶点并且以在预定日期位于建筑物的纬度处的太阳路径作为其基部，所述锥形表面被由所述二面角形成的间隙中断；
二面角的幅度使得太阳在等于所述最大允许阴影持续时间的时间内行进穿过间隙；
并且切除初始体积的在所述切割表面上方延伸的部分；
以及
d)确定在所述切除之后剩余的体积的边界表面，所述边界表面构成待设计建筑物的围护结构。
根据本方法的具体实施方式：
-所述预定日期可以是冬至。或者，步骤a)可以进一步包括接收所述预定日期作为输入。
-步骤a)可以还包括接收所述预定点的位置作为输入，所述预定点构成建筑物的最高点的地面投影。
-对于构成建筑物的最高点的地面投影的所述预定点的不同位置，可以多次迭代步骤b)至d)，以产生待设计建筑物的相应的多个围护结构，该方法还包括选择限定最大体积的围护结构的步骤。
-该方法可以还包括步骤e)：使构成待设计建筑物的围护结构的所述表面平滑。
-邻近区域的所述边界可以是界定邻近区域的平面表示的轮廓线。
本发明的另一个目的是一种存储在非易失性计算机可读数据存储介质上的计算机程序产品，该计算机程序产品包括致使计算机系统执行这种方法的计算机可执行指令。
本发明的另一个目的是一种非暂时性计算机可读数据存储介质，其包含致使计算机系统执行这种方法的计算机可执行指令。
本发明的另一个目的是一种计算机系统，其包括联接到存储器和图形用户界面的处理器，存储器存储致使计算机系统执行这种方法的计算机可执行指令。
附图说明
通过结合附图的后续描述，本发明的附加特征和优点将变得明显。
-图1A至1D例示说明了阴影持续时间的概念；
-图2显示了阴影持续时间地图；
-图3表示了在图2的阴影持续时间地图上限定了最大允许阴影持续时间的区域；
-图4示出被设计成符合所述最大允许阴影持续时间的建筑物围护结构；
-图5至图7C例示说明了根据本发明实施方式的方法；
-图8和图9是通过根据本发明的方法获得的示例性建筑物围护结构；
-图10是根据本发明实施方式的方法的流程图；
-图11和图12是适于执行根据本发明实施方式的方法的相应计算机系统的框图。
具体实施方式
图1A至图1D例示说明了“阴影持续时间”的含义。在图中，弧SP表示在一年中的特定一日期间在(预期或现有的)建筑物B所位于的纬度处太阳S在地平线H上方的路径。建筑物B在地面G上投射阴影SW，阴影SW的取向、形状和大小随着太阳沿其路径行进而变化。在时间T1时，清晨(图1A)，观察者OB不在建筑物的阴影中。随着时间的推移，太阳沿着它的路径从东向西(顺时针)行进，并且阴影从西向东(也顺时针)转动；在时间T2时(图1B)，阴影到达观察者。阴影继续转动，并且在时间T3之后，观察者不再被阴影遮蔽(图1C)。图1D表示在傍晚在时间T4时的情况。观察者OB的阴影持续时间由T3-T2给出。
可以容易地计算对建筑物B附近的地面区域进行采样的多个点的阴影持续时间。这产生了阴影持续时间地图，诸如图2所示的阴影持续时间地图，其中Z1、Z2、Z3和Z4是以不同的阴影持续时间范围为特征的区域。例如，在区域Z4内，阴影持续时间超过4小时；在区域Z3中，阴影持续时间包括在3到4小时之间；在区域Z2中，在2到3小时之间；在区域Z1中，在1小时到2小时之间；并且在区域Z1外，阴影持续时间小于1小时。严格来说，阴影持续时间地图仅对具体日期有效。大多数情况下，这个日期是冬至(在北半球是12月21日左右，在南半球是6月21日左右)，其对应于最长的阴影持续时间。
如上所述，当地规定可以限定阴影持续时间不应超过预设限制的“受保护”区域或地区。图3表示由边界PRB界定的这样的区域PR，区域PR叠加在图3的阴影持续时间地图上。假设区域PR内的最大允许阴影持续时间是1小时。可以看出，“受保护”区域延伸到阴影持续时间地图的区域Z1和Z2内。这意味着阴影持续时间约束没有得到满足，并且建筑物B不符合规定。接下来，需要修改建筑物的形状或大小，以确保在受保护区域内阴影持续时间保持低于一小时的限制。
图4示出了满足该约束的“建筑物围护结构”BE。术语“建筑物围护结构”强调了这样一个事实，即实际建筑物可以采取任何不同的形状，只要它保持完全在“围护结构”内。可以看出，BE的阴影持续时间地图与建筑物B的阴影持续时间地图不同(图2和图3)：区域Z1和Z2采取不同的形状，不包括受保护区域PR。尽管为了清楚起见被表示为分离，但其实区域Z1的边界和受保护区域的边界(PRB)理想地重合，以确保严格符合阴影持续时间约束。
接下来将参考图5至图7C描述计算建筑物围护结构BE的最优形状的本发明的方法。
本发明的关键要素是足以确保最大阴影持续时间约束在受保护区域的边界PRB的相关区段RSB上得到验证。如图5所示，这个区段RSB是面向建筑物将所处于的区域的一部分边界，包括在L1和L2之间。L1是穿过未来建筑物的地面轮廓GC的最西点的线，并且其取向对应于黎明时的太阳方位角——或者更确切地是在黎明之后预设时间的太阳方位角(太阳路径的最低部分可以被忽视——阴影持续时间通常仅在一天的中间部分期间被规定，不包括微光(twilight)时期)。相反，L2是穿过未来建筑物的地面轮廓的最东点的线，并且其取向对应于日落时太阳的方位角——或者更确切地是在日落之前预设时间的太阳方位角。容易理解的是，受保护区域的L2东侧或L1西侧的点将永远不处于阴影中。此外，位于受保护区域的包括在L1和L2之间的部分内的一般点PI处的观察者将比位于边界PRB(更确切地，在点P1处，点P1被定义为PRB与连接PI和建筑物中心的线的交叉点)上的观察者看到建筑物B在更小的立体角内。因此，如果在相关区段RSB上满足阴影持续时间约束，则在整个受保护区域上将必然满足阴影持续时间约束。实际上，如果建筑物有一个大洞，例如弧形(诸如巴黎附近的“Grande Arche de la Défense”)，则这是不正确的。然而，这种情况非常罕见，将被忽视。
该方法如下进行。
首先，用户提供输入数据，包括：
-预期建筑物的地理位置，或至少其纬度；
-其地面轮廓GC——即，其在地面上的投影(投影不一定与其基部的轮廓重合：建筑物可以是倾斜的或者其顶部大于其底部)；
-受保护区域PR的轮廓PRB；
-受保护区域内的最大允许阴影持续时间；
-可能地，建筑物的最大高度(默认可以是“无限的”)；
-可能地，限定阴影持续时间的日期(默认为冬至)；
-可能地，建筑物顶部(最高点)在地面上的投影的位置-或者，如下面将讨论的，可以针对多个试探性位置执行算法，以对建筑物的占地面积进行采样。
通过将建筑物的地面轮廓GC竖直地挤出到最大高度来计算初始体积IV。“竖直”方向垂直于地面。
接下来识别边界PRB的相关区段RSB，如上面参考图5所讨论的，其中初始体积IV起到建筑物B的作用。接下来对所述相关区段进行采样，以产生多个离散点。采样密度越大，结果越准确，但计算时间越长。
接下来，对于边界PRB的相关区段的每个离散点计算与初始体积IV相交的“切割表面”CS。点P1的情况在图6中展现。切割表面CS由锥形表面COS构成，切割表面CS以点P1(通常是区段RSB的相关点)作为其顶点且以太阳路径SP作为其基部，并且具有二面角DA。这个二面角由两个竖直平面VP1和VP2形成，VP1和VP2的相交形成穿过点P1的竖直边缘DAE。所述平面对称地设置在点TP的两侧上，点TP是建筑物顶部在地面上的投影。锥形表面COS对应于二面角DA而被中断。非常重要的是，二面角的幅度使得太阳在等于所述最大允许阴影持续时间的时间内行进穿过间隙。
“切割表面”CS的命名是由于初始体积的在切割表面上方延伸的部分被切除的事实。如图7A(透视图)和7B(俯视图)所示，通过与点P1相关联的切割表面执行的第一“切割”留下具有在较低的“屋顶”上方延伸的一种“塔”的经修改体积。通过构造，只有该塔在点P1投射阴影，并且投射阴影的持续时间精确地等于允许的最大值。
对相关区段RSB上限定的所有离散点执行类似的“切割”。这确保了所有这些点都满足阴影持续时间约束。
例如，图7C示出了属于边界PRB的相关区段RSB的三个点P1、P2、P3，以及相应切割表面的二面角DA、DA2、DA3，以从初始体积IV中刻出菱形(diamond)塔。
剩余体积的边界表面构成具有与阴影持续时间约束兼容的最大体积的建筑物围护结构，并且使得建筑物围护结构顶部(通常是平面的)在地面上的投影包含点TP。
图8和图9示出了通过根据本发明的方法针对点TP的不同位置计算出的两种建筑物围护结构，BE和BE'。可以容易地看出，TP的位置极大地影响了围护结构的形状及其内部体积。由于这个原因，可能有利的是，考虑TP的多个位置，计算相应的围护结构，并且根据合适的标准保留“最佳”围护结构，例如，体积最大的围护结构。
围护结构BE和BE'具有“阶梯”形状的特征，这是由于区段RSB的离散采样而产生的痕迹(采样在图8中表示)。可以通过使用常规技术执行的平滑操作来抑制该痕迹。
本发明的方法已经在假设受保护区域PR是二维的并且其边界PR是线的情况下进行描述。推广到由二维边界界定的三维“受保护体积”的情况是易懂的。
以类似的方式，已经假设建筑物周围的地面是平坦的；换句话说，阴影持续时间区域和受保护区域被类似地画在地图上。然而，考虑到土地海拔，易懂的是，仅需要使用地面的三维模型而不是它的平面表示。
图10是参考图5至图7C的上述方法的流程图。
步骤(a)对应于所需信息项的输入：建筑物所处于的纬度，其地面轮廓GC，建筑物的被限定了最大允许阴影持续时间的邻近区域PR的边界PRB，所述最大允许阴影持续时间，可能情况下的日期(默认为冬至)，可能情况下的建筑物顶部在地面上的投影TP的位置。
步骤(b)对应于初始体积IV的计算。
步骤(c)对应于切割表面CS的计算，并且对应于由所述切割表面对初始体积IV的“修剪”。
在步骤(d)，建筑物围护结构BE被确定为经修剪体积的边界表面。
可选步骤(e)包括使围护结构平滑。
可以针对点TP的多个位置选择性地迭代步骤(b)至(d)或者步骤(b)至(e)。例如，这允许选择使围护结构BE内包含的体积最大化的位置。
接下来，建筑师可以自由地在(可能是平滑的)围护结构内设计建筑物。
本发明的方法可以由经适当编程的通用计算机或计算机系统执行，该通用计算机或计算机系统可以包括计算机网络，以非易失性形式将合适的程序存储在计算机可读介质(诸如硬盘、固态盘或CD-ROM)上，并且使用其(多个)微处理器和存储器执行所述程序。
参考图11描述了一种计算机——更确切地是一种计算机辅助设计站——适于执行根据本发明的示例性实施方式的方法。在图11中，计算机包括执行上述过程的中央处理单元(CPU)。该过程可以存储为可执行程序，即在存储器(诸如RAM M1或ROM M2)中、或在硬盘驱动器(HDD)M3上、在DVD/CD驱动器M4上、或可以远程存储的一组计算机可读指令。构造有建筑物的地面的地形图和/或三维模型也存储在存储装置M1至M4中的一个或多个上，或远程地存储。
要求保护的发明不受限于存储计算机可读指令和/或地面的地图/模型的计算机可读介质的形式。例如，指令和地图/模型可以存储在CD、DVD、FLASH存储器、RAM、ROM、PROM、EPROM、EEPROM、硬盘或与计算机辅助设计站通信的任何其它信息处理装置上，诸如服务器或计算机。程序和地图/模型可以存储在同一存储装置上或不同存储装置上。
此外，适于执行本发明方法的计算机程序可以被提供为与CPU 800和操作系统(诸如Microsoft VISTA、Microsoft Windows 7、UNIX、Solaris、LINUX、Apple MAC-OS以及本领域技术人员已知的其它系统)一起执行的工具应用程序、后台守护进程、操作系统的组件或其组合。
CPU可以是来自美国Intel公司的Xenon处理器或来自美国AMD公司的Opteron处理器，或者可以是其它处理器类型，诸如来自美国Freescale公司的Freescale ColdFire、IMX或ARM处理器。替代地，CPU可以是诸如来自美国Intel公司的Core2 Duo的处理器，或者可以在FPGA、ASIC、PLD上或使用分立逻辑电路实现，如本领域普通技术人员将认识到的。此外，CPU可以实现为协同工作的多个处理器，以执行上述本发明过程的计算机可读指令。
图11中的计算机辅助设计站还包括网络接口NI，诸如来自美国Intel公司的IntelEthernet PRO网络接口卡，用于与诸如局域网(LAN)、广域网(WAN)、互联网等的网络连接。计算机辅助设计站还包括显示控制器DC，诸如来自美国NVIDIA公司的NVIDIA GeForce GTX图形适配器，用于与诸如Hewlett Packard HPL2445w LCD监视器的显示器DY连接。通用I/O接口IF与键盘KB和指向装置PD(诸如滚球、鼠标、触摸板等)连接。显示器、键盘和指向装置与显示控制器和I/O接口一起形成图形用户界面。
磁盘控制器DKC将HDD M3和DVD/CD M4与通信总线CBS连通，通信总线CBS可以是ISA、EISA、VESA、PCI或类似物，用于使计算机辅助设计站的所有组件互连。
为了简洁起见，由于这些特征是已知的，因此本文省略对显示器、键盘、指向装置以及显示控制器、磁盘控制器、网络接口以及I/O接口的一般特征和功能的描述。
图12是适于执行根据本发明不同示例性实施方式的方法的计算机系统的框图。
在图12中，可执行程序EXP与地面的三维模型的地形图一起存储在连接到服务器SC的存储装置上。除了在服务器中可能缺少显示控制器、显示器、键盘和/或指向装置之外，存储装置和服务器的整体架构可以与上面参考图11所讨论的相同。
接下来，服务器SC经由网络NW连接到管理员系统ADS和终端用户计算机EUC。
除了管理员系统和终端用户计算机的存储装置不存储可执行程序EXP和/或地面的地图/模型以外，管理员系统和终端用户计算机的总体架构可以与上面参考图11所讨论的相同。然而，终端用户计算机存储了被设计成与服务器的可执行程序协作的客户端程序，如下面将讨论的。
如可以理解的，网络NW可以是诸如互联网的公共网络，或诸如LAN或WAN网络的私人网络，或其任何组合，并且可以还包括PSTN或ISDN子网络。网络NW也可以是有线的，诸如以太网，或者可以是无线的，诸如包括EDGE、3G、4G无线蜂窝系统的蜂窝网络。无线网络还可以是Wi-Fi、蓝牙或任何其它已知的无线通信形式。因此，网络NW仅仅是示例性的，并且不限制本发明改进的范围。
存储在终端用户计算机的存储装置中并且由终端用户计算机的CPU执行的客户程序经由网络NW访问数据库MDB，该数据库MDB由服务器SC存储并且包含地面的地图或模型，在该地面上用户可以对建筑物的地面轮廓和被施加最大允许阴影持续时间的邻近区域的边界进行限定
虽然仅示出了一个管理员系统ADS和一个终端用户计算机EUC，但系统可无限制地支持任何数量的管理员系统和/或终端用户系统。类似地，在不脱离本发明的范围的情况下，也可以在系统中实现多个服务器、地图/模型数据库。
本文描述的任何过程应被理解为表示包括用于实现该过程中的具体逻辑功能或步骤的一个或多个可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且替代的实施方式被包括在本发明示例性实施方式的范围内。
Claims (9)
1.一种用于计算待设计的建筑物的围护结构(BE)的由计算机实施的方法，所述方法包括：
a)接收以下项作为输入：
-所述建筑物的纬度，
-所述建筑物的地面轮廓(GC)，
-所述建筑物的邻近区域(PR)的边界(PRB)，以及
-所述建筑物的所述邻近区域的最大允许阴影持续时间；
b)通过竖直地挤出所述建筑物的地面轮廓来计算初始体积(IV)；
c)对于对所述邻近区域的边界的面向所述建筑物的地面轮廓的一部分(RSB)进行采样的多个离散点(P1，P2，P3)中的每个离散点(P1)，计算由以下限定的切割表面(CS)：
-形成二面角(DA)的两个竖直平面(VP1，VP2)，所述二面角(DA)具有穿过所述离散点的竖直边缘(DAE)，所述竖直平面对称地设置在预定地面点(TP)的两侧上，所述预定地面点构成所述建筑物的最高点在地面上的投影；以及
-锥形表面(COS)，所述锥形表面以所述离散点(P1)作为其顶点并且以在预定日期位于所述建筑物的纬度处的太阳路径(SP)作为其基部，所述锥形表面被由所述二面角形成的间隙中断；
所述二面角的幅度使得太阳(S)在等于所述最大允许阴影持续时间的时间内行进穿过所述间隙；
并且切除所述初始体积的在所述切割表面上方延伸的部分；以及
d)确定在所述切除之后剩余的体积的边界表面，所述边界表面构成待设计的所述建筑物的围护结构。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述预定日期是冬至。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a)还包括接收所述预定日期作为输入。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，步骤a)还包括接收所述预定地面点(TP)的位置作为输入，所述预定地面点构成所述建筑物的最高点的地面投影。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，对于构成所述建筑物的最高点的地面投影的所述预定地面点的不同位置，多次迭代步骤b)至d)，以产生待设计的所述建筑物的相应的多个围护结构，所述方法还包括选择限定最大体积的所述围护结构的步骤。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤e)：使构成待设计的所述建筑物的围护结构的所述表面平滑。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的方法，其特征在于，所述邻近区域的所述边界是界定所述邻近区域的平面表示的轮廓线。
8.一种非暂时性计算机可读数据存储介质(M1-M4)，包含致使计算机系统执行根据权利要求1至7中的任一项所述的方法的计算机可执行指令(EXP)。
9.一种计算机系统，包括联接到存储器(M1-M4)和图形用户界面(KB，PD，DC，DY)的处理器(P)，所述存储器存储致使所述计算机系统执行根据权利要求1至7中的任一项所述的方法的计算机可执行指令(EXP)。
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