CN109658513B - 一种城市建筑能耗模型的简化方法 - Google Patents

一种城市建筑能耗模型的简化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种城市建筑能耗模型的简化方法，步骤包括：进行平面简化，导入城市建筑图形数据，对每栋建筑物的俯视轮廓线进行边线简化处理，消除凹凸边线；进行立面简化，在高度方向上利用等体积简化算法计算各个建筑物单体的简化后建筑层数；利用各个建筑物边线简化处理后的俯视轮廓线以及对应的简化后建筑层数建立各个建筑物单体的三维模型。该城市建筑能耗模型简化方法能够在城市中心区尺度上提出一套有效的几何简化方法，为实现城市能耗模拟提供建筑几何数据简化依据，在城市层面上对建筑群体简化并进行科学的计算和分析，对于研究城市能源的优化、安全、管理具有重要的基础性意义。

Description

一种城市建筑能耗模型的简化方法
技术领域
本发明涉及一种能耗模型的简化方法，尤其是一种城市建筑能耗模型的简化方法。
背景技术
统计数据显示，城市排放的碳氧化物占全球碳氧化物排放量的75％，建筑行业消耗了全球约40％的能源，并排放了约1/3的温室气体。同时，世界上超过80％的能源来自化石燃料，能耗的快速增长可能会对能源进口国产生经济冲击，最终增加气候变化给全球社会带来的风险。虽然减少温室气体排放的目标通常设定在国家层面，但必须在城市尺度上采取相应的政策措施，这主要因为城市能耗信息可以促进相关政策措施的有效选择，以提高能源利用效率，从而减少该城市的温室气体排放。
城市能耗从广义上讲，是指城市中建筑、交通、工业能耗的总和。城市能耗的约60％为城市建筑能耗。城市建筑能耗是城市中建筑消耗能源的总和，包括暖通空调能耗、照明能耗、插座电器能耗等，城市建筑能耗可占全社会总能耗的30％-40％。自上世纪60年代起步，现单体建筑能耗模拟已是一颇为成熟的领域。据美国能源部统计显示，全世界有400余种建筑模拟技术工具，典型代表有EnergyPlus、TRANSYS、DeST等。这些技术工具在单体建筑设计、改造，绿色建筑标识上得到了广泛的应用。而城市能耗模拟是对城市众多建筑能耗进行模拟，是一新兴方向，具有很大的技术难度，在多个领域引起高度重视。城市能耗模拟的难点主要体现在以下三个方面。首先是海量计算。城市能耗模拟需要应对众多建筑带来的海量数据，单体建筑数量多、类型多、构造多样，这就需要不同的研究方法和技术应对不同城市的具体情况。第二，基础数据获取困难，缺失严重，且数据可靠度需要甄别。第三，技术流程跨平台，难度较大。
城市能耗模拟也是分尺度的，几栋建筑组成的群体是一个层级，一个街区的十几到几十栋建筑是一个层级，一个城市的成千上万栋建筑又是一个层级。在城市不同层级上进行能耗模拟，需要的数据精度和真实度都会有所不同。例如，对几栋建筑进行能耗模拟，完全可以把围护结构热阻、室内人员数量、窗墙比等参数比较精确地确定，输入模型进行模拟，但对几百栋建筑，就无法做到如此精细。模拟需要的计算机资源和速度是一个方面，更主要的是基础数据获得的方式和精确度的需求。由于单体建筑数量多、类型多、构造多样，城市设施复杂，必须对单体建筑进行不同程度的简化，才能有效地计算出城市能耗。因此有必要设计出一种城市建筑能耗模型简化方法，能够为城市建筑能耗模拟研究提供良好的基础数据，可以使城市建筑能耗模拟更具可行性与可操作性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：城市能耗模拟过程中，由于单体建筑数量多、类型多、构造多样以及设施复杂，难以有效地计算出城市能耗。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种城市建筑能耗模型的简化方法，包括如下步骤：
步骤1，进行平面简化，导入城市建筑图形数据，对每栋建筑物的俯视轮廓线进行边线简化处理，消除凹凸边线；
步骤2，进行立面简化，在高度方向上利用等体积简化算法计算各个建筑物单体的简化后建筑层数；
步骤3，利用各个建筑物边线简化处理后的俯视轮廓线以及对应的简化后建筑层数建立各个建筑物单体的三维模型。
进一步地，步骤1中，每栋建筑物均由至少一个建筑单体组成，对每栋建筑物的俯视轮廓线进行边线简化处理时，需要根据每栋建筑物的组成进行分别简化：若该栋建筑物由多层建筑单体和高层建筑单体组合构成，则先根据简化策略对该栋建筑物的整体俯视外轮廓线进行边线简化处理，且此时不对高层建筑单体的边线以及多层建筑单体与高层建筑单体重合的边线进行简化，再根据简化策略对该栋建筑物的高层建筑单体进行边线简化处理；若该栋建筑物只由多层建筑单体构成或只由高层建筑单体构成，则根据简化策略对该栋建筑物的整体俯视外轮廓线进行边线简化处理即可。
进一步地，简化策略为：将轮廓线中同一侧边的曲折延伸边线简化至一条整齐边线上，将轮廓线中同一弧形延伸边线中的各个凹凸边线简化至一条平滑弧线上。
进一步地，将轮廓线中同一侧边的曲折延伸边线简化至一条整齐边线上时，需要将各个凸出或凹陷的边线合并对齐到基础直线边线，基础直线边线为同一侧边的边线中长度占比最长的平整边线。
进一步地，将轮廓线中同一弧形延伸边线中的各个凹凸边线简化至一条平滑弧线上时，需要将各个凸出或凹陷的边线合并对齐到弧形连续边线上，且合并处与弧形连续边线保持相同的弧形延伸以形成平滑弧形。
进一步地，步骤1中，城市建筑图形数据包括各个建筑物单体简化前的俯视轮廓线尺寸、建筑层高以及建筑层数。
进一步地，步骤2中，在进行等体积简化算法计算之前，需要将各个建筑物单体分为多层建筑单体和高层建筑单体，再利用等体积简化算法将每栋建筑物中的各个多层建筑单体合并计算为一个多层建筑单体，将每栋建筑物中的各个高层建筑单体合并计算为一个高层建筑单体，并获得合并计算获得的多层建筑单体和高层建筑单体的简化后建筑层数。
进一步地，利用等体积简化算法计算各个多层建筑单体和高层建筑单体的简化后建筑层数的计算公式为：
Figure GDA0003893152770000031
其中，i＝1,2,3……n(1)
式(1)中，S为简化后建筑面积，a为简化后建筑层高，b为简化后建筑层数，Si为各个建筑单体的简化前建筑面积，ai为各个建筑单体的简化前建筑层高，bi为各个建筑单体的简化前建筑层数。
进一步地，多层建筑单体的层数小于九层，高层建筑单体的层数大于等于九层。
本发明的有益效果在于：本发明提供的城市建筑能耗模型简化方法能够在城市中心区尺度上提出一套有效的几何简化方法，为实现城市能耗模拟提供建筑几何数据简化依据，在城市层面上对建筑群体简化并进行科学的计算和分析，对于研究城市能源的优化、安全、管理具有重要的基础性意义。
附图说明
图1为本发明的简化方法流程图；
图2为本发明的平面简化前后对比示意图；
图3为本发明的城市中心区的总平面图简化前后的对比图；
图4为本发明的立面简化前后对比示意图；
图5为本发明的城市中心区简化后的三维体块图。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供了一种城市建筑能耗模型的简化方法，包括如下步骤：
步骤1，进行平面简化，导入城市建筑图形数据，对每栋建筑物的俯视轮廓线进行边线简化处理，消除凹凸边线；
步骤2，进行立面简化，在高度方向上利用等体积简化算法计算各个建筑物单体的简化后建筑层数；
步骤3，利用各个建筑物边线简化处理后的俯视轮廓线以及对应的简化后建筑层数建立各个建筑物单体的三维模型。
进一步地，步骤1中，每栋建筑物均由至少一个建筑单体组成，对每栋建筑物的俯视轮廓线进行边线简化处理时，需要根据每栋建筑物的组成进行分别简化：若该栋建筑物由多层建筑单体和高层建筑单体组合构成，则先根据简化策略对该栋建筑物的整体俯视外轮廓线进行边线简化处理，且此时不对高层建筑单体的边线以及多层建筑单体与高层建筑单体重合的边线进行简化，再根据简化策略对该栋建筑物的高层建筑单体进行边线简化处理；若该栋建筑物只由多层建筑单体构成或只由高层建筑单体构成，则根据简化策略对该栋建筑物的整体俯视外轮廓线进行边线简化处理即可。按照建筑物的组成进行分别简化，能够减小简化前后建筑物整体的形变量，使得简化前后建筑能耗差别控制在设定范围内，提高后续能耗计算的精度。
进一步地，简化策略为：将轮廓线中同一侧边的曲折延伸边线简化至一条整齐边线上，即将建筑同一朝向且连续侧面上的凹凸墙面简化到一个平整墙面上；将轮廓线中同一弧形延伸边线中的各个凹凸边线简化至一条平滑弧线上，即将建筑弧形墙面上的各个凹凸墙面简化到与弧形墙面齐平；若单个凹墙面或凸墙面的跨度超过了跨度阈值，则认定与该凹墙面或凸墙面接壤的两侧墙面为不连续的墙面，跨度阈值可取10米、20米、30米、40米或50米，根据简化程度要求进行设定，跨度阈值取值越大简化程度越高，跨度阈值取值越小简化程度越低；该简化策略的目的在于将建筑各个侧面的外墙面按照整体的平面特征或弧面特征进行简化，降低建筑外侧墙面的结构复杂度，便于建筑面积的计算，有效降低面积计算的出错率。如图2所示的简化前与简化后的比较示意图，闭合轮廓线内的数字表示建筑单体的简化前建筑层数。
进一步地，将轮廓线中同一侧边的曲折延伸边线简化至一条整齐边线上时，需要将各个凸出或凹陷的边线合并对齐到基础直线边线，基础直线边线为同一侧边的边线中长度占比最长的平整边线，如图2中的a、d、e、f、g、h以及i处的虚线框中所示。
进一步地，将轮廓线中同一弧形延伸边线中的各个凹凸边线简化至一条平滑弧线上时，需要将各个凸出或凹陷的边线合并对齐到弧形连续边线上，且合并处与弧形连续边线保持相同的弧形延伸以形成平滑弧形边线，如图2中的b和c处的虚线框中所示。
进一步地，步骤1中，城市建筑图形数据包括各个建筑物单体简化前的俯视轮廓线尺寸、建筑层高以及建筑层数。
进一步地，步骤2中，在进行等体积简化算法计算之前，需要将各个建筑物单体分为多层建筑单体和高层建筑单体，再利用等体积简化算法将每栋建筑物中的各个多层建筑单体合并计算为一个多层建筑单体，将每栋建筑物中的各个高层建筑单体合并计算为一个高层建筑单体，并获得合并计算获得的多层建筑单体和高层建筑单体的简化后建筑层数。
进一步地，利用等体积简化算法计算各个多层建筑单体和高层建筑单体的简化后建筑层数的计算公式为：
Figure GDA0003893152770000051
其中，i＝1,2,3……n(1)
式(1)中，S为简化后建筑面积，a为简化后建筑层高，b为简化后建筑层数，Si为各个建筑单体的简化前建筑面积，ai为各个建筑单体的简化前建筑层高，bi为各个建筑单体的简化前建筑层数。
进一步地，多层建筑单体的层数小于九层，高层建筑单体的层数大于等于九层。
具体地，本发明在进行平面简化时，采用AutoCAD软件打开城市中心区的建筑CAD图形，利用多段线(pline)功能，对CAD图形中的建筑俯视轮廓线进行重新绘制。绘制过程中，根据各个俯视轮廓线的层高，将相同层高闭合的俯视轮廓线上同一朝向连续边线中的各个凹凸边线简化至一条整齐边线上，将相同层高闭合的俯视轮廓线上同一弧形延伸边线中的各个凹凸边线简化至一条平滑弧线上，即将复杂的形式简化成简单的几何形式，将复杂的凹凸面简化成平面或圆弧面。在犀牛软件中，导入简化后的*.dwg格式的CAD图形文件，运用工具选项卡中的PythonScript编辑功能来实现城市建筑三维模型的自动化建模。在GIS中，将简化后*.dwg格式的CAD图形文件打开，选中polyline图层拖入内容列表，选中数据并使用导出数据的命令，将数据保存为*.shp格式的GIS数据。再使用GIS工具箱(DataManagement Tools)中要素转面工具，将导入的多段线要素转变成面要素。同时，需要将简化后*.dwg格式的CAD图形文件在GIS的目录中打开，选中annotation图层拖入内容列表，使用GIS工具箱(Data Management Tools)中要素转点工具将text要素转变成点要素。最后，使用GIS中3D Analyst Tools中的空间连接工具，建筑面作为目标要素，建筑层数作为连接要素，将两者连接起来。
如图3和4所示，城市中心区的总平面图简化前与简化后比较可以发现，简化后的城市中心区的建筑数量明显减少，每栋建筑物的建筑单体的复杂度明显降低。在ArcScene中打开连接后的*.shp文件，再使用对话框中的拉伸功能，将层数乘以层高(默认为3米)，就生成了最终简化后的三维体块模型，如图5所示，为城市建筑能耗结果的可视化提供数据的三维载体。
通过GIS平台可以对简化前后城市中心区的建筑数量与面积进行定量的统计分析。简化前城市中心区的建筑数量为12902栋，简化后城市中心区的建筑数量为1538栋。简化前建筑密度为33.48％，简化后建筑密度为37.80％。简化前总建筑面积为13258494.9m2，简化后总建筑面积为14982099.2m2。简化前容积率为2.35，简化后容积率为2.65。简化前建筑信息如表1所示，简化后建筑信息如表2所示。
表1.城市中心区简化前建筑信息汇总表
Figure GDA0003893152770000061
表2.城市中心区简化后建筑信息汇总表
Figure GDA0003893152770000062
在立面简化前，将建筑分为多层建筑(小于9层)和高层建筑(大于等于9层)，并使用Arcmap软件将建筑总平面图与建筑层数进行一一对应，以便于下一步的简化处理。首先，将目录中的CAD建筑轮廓线(polyline)拖入内容列表，将数据保存为*.shp格式，导出建筑轮廓线，使用工具箱(Data Management Tools)中的要素转面，将建筑轮廓线转变成面；然后，将目录中CAD图的Annotation拖入内容列表，使用工具箱中的要素转点，将建筑层数的文本(text)文件转变成点；最后，使用3D Analyst Tools中的空间连接工具，将目录要素建筑与连接要素层数连接在一起。这样就可以方便计算出多层建筑与高层建筑的体积。简化后建筑单体的层数为：
Figure GDA0003893152770000071
其中，i＝1,2,3……n(1)
式(1)中，S为简化后建筑面积，a为简化后建筑层高，b为简化后建筑层数，Si为各个建筑单体的简化前建筑面积，ai为各个建筑单体的简化前建筑层高，bi为各个建筑单体的简化前建筑层数。如图4所示，简化后城市新街口中心区的建筑立面数量明显减少，建筑层数也更为集中。
本发明提供的城市建筑能耗模型简化方法能够在城市中心区尺度上提出一套有效的几何简化方法，为实现城市能耗模拟提供建筑几何数据简化依据，在城市层面上对建筑群体简化并进行科学的计算和分析，对于研究城市能源的优化、安全、管理具有重要的基础性意义。

Claims (8)

1.一种城市建筑能耗模型的简化方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，进行平面简化，导入城市建筑图形数据，对每栋建筑物的俯视轮廓线进行边线简化处理，消除凹凸边线；
步骤2，进行立面简化，在高度方向上利用等体积简化算法计算各个建筑物单体的简化后建筑层数；
步骤3，利用各个建筑物边线简化处理后的俯视轮廓线以及对应的简化后建筑层数建立各个建筑物单体的三维模型；
步骤1中，每栋建筑物均由至少一个建筑单体组成，对每栋建筑物的俯视轮廓线进行边线简化处理时，需要根据每栋建筑物的组成进行分别简化：若该栋建筑物由多层建筑单体和高层建筑单体组合构成，则先根据简化策略对该栋建筑物的整体俯视外轮廓线进行边线简化处理，且此时不对高层建筑单体的边线以及多层建筑单体与高层建筑单体重合的边线进行简化，再根据简化策略对该栋建筑物的高层建筑单体进行边线简化处理；若该栋建筑物只由多层建筑单体构成或只由高层建筑单体构成，则根据简化策略对该栋建筑物的整体俯视外轮廓线进行边线简化处理即可。
2.根据权利要求1所述的城市建筑能耗模型的简化方法，其特征在于，简化策略为：将轮廓线中同一侧边的曲折延伸边线简化至一条整齐边线上，将轮廓线中同一弧形延伸边线中的各个凹凸边线简化至一条平滑弧线上。
3.根据权利要求2所述的城市建筑能耗模型的简化方法，其特征在于，将轮廓线中同一侧边的曲折延伸边线简化至一条整齐边线上时，需要将各个凸出或凹陷的边线合并对齐到基础直线边线，基础直线边线为同一侧边的边线中长度占比最长的平整边线。
4.根据权利要求2所述的城市建筑能耗模型的简化方法，其特征在于，将轮廓线中同一弧形延伸边线中的各个凹凸边线简化至一条平滑弧线上时，需要将各个凸出或凹陷的边线合并对齐到弧形连续边线上，且合并处与弧形连续边线保持相同的弧形延伸以形成平滑弧形。
5.根据权利要求1所述的城市建筑能耗模型的简化方法，其特征在于，步骤1中，城市建筑图形数据包括各个建筑物单体简化前的俯视轮廓线尺寸、建筑层高以及建筑层数。
6.根据权利要求1所述的城市建筑能耗模型的简化方法，其特征在于，步骤2中，在进行等体积简化算法计算之前，需要将各个建筑物单体分为多层建筑单体和高层建筑单体，再利用等体积简化算法将每栋建筑物中的各个多层建筑单体合并计算为一个多层建筑单体，将每栋建筑物中的各个高层建筑单体合并计算为一个高层建筑单体，并获得合并计算获得的多层建筑单体和高层建筑单体的简化后建筑层数。
7.根据权利要求6所述的城市建筑能耗模型的简化方法，其特征在于，利用等体积简化算法计算各个多层建筑单体和高层建筑单体的简化后建筑层数的计算公式为：
Figure FDA0003893152760000021
其中，i＝1,2,3……n(1)式(1)中，S为简化后建筑面积，a为简化后建筑层高，b为简化后建筑层数，Si为各个建筑单体的简化前建筑面积，ai为各个建筑单体的简化前建筑层高，bi为各个建筑单体的简化前建筑层数。
8.根据权利要求1或6所述的城市建筑能耗模型的简化方法，其特征在于，多层建筑单体的层数小于九层，高层建筑单体的层数大于等于九层。
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