CN110633538A - 建筑外遮阳设计优化方法、装置、计算设备及存储介质 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种建筑外遮阳设计优化方法、装置、计算设备及存储介质，其中，一种建筑外遮阳设计优化方法包括：导入建筑物理模型；根据建筑外遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0、UTCI值计算建筑外立面各点的度日数D＝T*(UTCI‑t0)；根据度日数D的值选择遮阳构件的设置位置；对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模，将该模型网格化后与基础建筑模型结合；进行遮阳效果计算分析；选取优化目标，采用遗传算法对建筑外遮阳构件进行优化；根据优化目标判断建筑外遮阳构件是否符合设计要求。本发明创新性地将设置遮阳构件与遮阳构件的优化有机结合，为建筑师较好较快地设计遮阳构件提供了可靠的计算方法，具有评估结果准确、可操作性强等优点。

Description

建筑外遮阳设计优化方法、装置、计算设备及存储介质
技术领域
本发明涉及三维建模及模拟技术领域，尤其涉及一种建筑外遮阳设计优化方法、装置、计算设备及存储介质。
背景技术
随着当今建筑设计思维逐渐由“功能性”建筑转向“绿色、健康”建筑，及近年来绿色建筑的发展，世界各国的绿色建筑评估体系中，光环境的评估已经成为建筑室内环境质量评估的重要分项指标。而不同地区、不同时间段的气候环境条件，包括温度、湿度、风、自然光照度、雨水、太阳辐射等一系列因素均不相同，每一项因素都处于不断变化之中。建筑的室内环境条件往往需要一个较为稳定的环境条件，若要满足变化环境中的建筑节能及舒适性需求，需采用动态设计手段来进行建筑外遮阳设计。
国内外建筑师关于具有动态适应性的建筑外遮阳设计的具体实践较少、分析建筑类型单一，往往由于外观设计要求及设计时间紧凑，无法较好较快地实现建筑外遮阳的优化设计。而参数化设计手段作为近年来兴起的数字化技术之一，以其易上手、轻量化、灵活程度较大、适应性较强等优势被广泛地应用于建筑方案设计过程中的辅助建模、辅助分析领域。
综上所述，如何将参数化设计手段应用到建筑外遮阳设计中以辅助建筑师较好较快地完成设计，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种建筑外遮阳设计优化方案，能够将参数化设计手段应用到建筑外遮阳设计中，以辅助建筑师较好较快地完成设计。
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
根据本申请的一方面，提供了一种建筑外遮阳设计优化方法，包括：
S1、导入建筑物理模型；
S2、根据建筑外遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0、UTCI值计算预设遮阳构件位置的度日数D：
D＝T*(UTCI-t0)；
S3、根据度日数D的值选择建筑外遮阳构件的设置位置；
S4、对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模，将该模型网格化后与基础建筑模型结合；
S5、进行遮阳效果计算分析；
S6、选取优化目标，采用遗传算法对建筑外遮阳构件进行优化；
S7、当建筑外遮阳构件符合设计要求时，设计结束，当建筑外遮阳构件不符合设计要求时，返回步骤S4。
在一些实施例中，所述S2步骤包括：
导入设计建筑对应地点的室外气象参数；
根据舒适温度区间确定平衡温度t0的取值；
计算UTCI的取值；
根据遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0和UTCI值计算得出度日数D。
在一些实施例中，所述S3步骤包括：
判断度日数D的正负；
当D>0时，判定该计算位置适宜设置建筑外遮阳构件；
当D<0时，判定该计算位置不适宜设置建筑外遮阳构件；
通过各个计算位置的度日数D数据，确定建筑外遮阳构件的设置位置。
在一些实施例中，所述S4步骤中的所述对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模包括对遮阳板宽度、旋转角度和遮阳板数量进行控制。
在一些实施例中，所述S4步骤中，当基础建筑模型已为参数化模型且无需修正时，将其网格化；
当基础建筑模型为非参数化模型或需要进行修正时，对基础建筑模型进行参数化建模，再将其网格化。
在一些实施例中，所述S5步骤包括：
对分析网格、天空模式、模拟时间和材料参数进行设置；
对基础建筑模型进行太阳辐射与采光分析。
在一些实施例中，所述S6步骤中的的优化目标选取为采光系数平均值Cav和照度平均值Eav。
根据本申请另一个方面，提供一种建筑外遮阳设计优化装置，包括：
导入单元，用于导入建筑物理模型；
计算单元，用于根据建筑外遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0、UTCI值计算预设遮阳构件位置的度日数D：
D＝T*(UTCI-t0)；
位置单元，用于根据度日数D的值选择建筑外遮阳构件的设置位置；
建模单元，用于对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模，将该模型网格化后与基础建筑模型结合；
分析单元，用于进行遮阳效果计算分析；
优化单元，用于选取优化目标，采用遗传算法对建筑外遮阳构件进行优化；
判断单元，用于当建筑外遮阳构件符合设计要求时，设计结束，当建筑外遮阳构件不符合设计要求时，回到建模单元。
根据本申请另一个方面，提供一种计算设备，包括：
一个或多个处理器、存储器；以及一个或多个程序。程序存储在该存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行本本申请的建筑外遮阳设计优化方法的指令。
根据本申请另一个方面，提供一种存储介质，存储有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行本申请的建筑外遮阳设计优化方法。
本发明实施例的有益效果是：
(1)遮阳构件的确定性设置标准：通过定义度日数D这个定量的指标来判断设置遮阳构件的必要性，并使用遗传算法对构件参数进行优化，引导建筑师合理地设置外遮阳构件，从而实现资源的节约。
(2)应用建筑类型广泛：本方法可适用于各式各样的建筑类型，包含办公建筑、商业建筑、文化建筑、体育建筑、教育建筑等。
(3)评估结果快速准确：本方法基于现代的参数化设计分析手段，合理选取设计优化目标，调用精度较高的计算程序内核，能够快速准确地得出遮阳板的设置宽度、角度及数量。
(4)可操作性强：设计过程可以在单台台式计算机上实现，涉及相关程序方法简单易行，无需物理实验。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1是本发明实施例中的一种建筑外遮阳设计优化方法的流程图；
图2是本发明实施例中根据度日数D判断外遮阳构件结构设置位置的示意图。
图3是图2的另一视角示意图。
图4是本发明实施例中的建筑外遮阳设计优化装置400的示意图；以及
图5示出了一个计算设备的组成结构。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作详细描述。注意，以下结合附图和具体实施例描述的诸方面仅是示例性的，而不应被理解为对本发明的保护范围进行任何限制。
如图1所示，本发明实施例提供了一种建筑外遮阳设计优化方法，该方法具体包括如下步骤：
S1、导入建筑物理模型；
S2、根据建筑外遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0、UTCI值计算各可能位置的度日数D：
D＝T*(UTCI-t0)；
S3、根据度日数D的值选择建筑外遮阳构件的设置位置；
S4、对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模，将该模型网格化后与基础建筑模型结合；
S5、进行遮阳效果计算分析；
S6、选取优化目标，采用遗传算法对建筑外遮阳构件进行优化；
S7、根据优化目标判断建筑外遮阳构件是否符合设计要求，当建筑外遮阳构件符合设计要求时，设计结束，当建筑外遮阳构件不符合设计要求时，返回步骤S4。
本方法通过大量度日数数据，判断遮阳构件的设置位置，评估标准准确；采用遗传算法对采用外遮阳构件的模型进行模拟分析并根据优化目标判断是否取得最优解，从而设计出较为适宜的建筑外遮阳构件，提高了建筑师前期的工作效率，具有评估结果准确，可操作性强等优点。将设置遮阳构件与遮阳构件的优化有机结合，为建筑师较好较快地设计遮阳构件提供了可靠的计算方法，并利用程序手段提高建筑师前期的工作效率，具有评估结果准确，可操作性强等优点。
具体而言，包括如下步骤：
(1)导入采用建模软件建立好的建筑物理模型。
(2)根据遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0、UTCI值计算各可能位置的度日数D；
需要说明的是，预设遮阳构件位置需先由设计师根据经验和设计要求选定，再对这些预设遮阳构件位置上各个点的度日数进行计算。
计算过程具体包括：
(21)基于Rhino+Grasshopper平台及Ladybug+Honeybee工具，导入设计建筑对应地点的室外气象参数；
(22)根据舒适温度区间确定平衡温度t0的取值；此处设置平衡温度即人体感觉正好舒适的温度，在本实施例中取为17.5℃(舒适区9℃～26℃)；
(23)调用“Outdoor Comfort Calculator”计算UTCI的取值；UTCI的计算为现有技术。
(24)根据遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0、UTCI值计算得出度日数D，其函数关系如下：
D＝T*(UTCI-t0)。
需要注意的是，本方法所提出的度日数D实际为UTCI-t0在时间上的累积值，因此也可以用积分形式表示。T的值可根据需要选定，例如为了权衡全年的夏季遮阳和冬季日照，可取T为365天。
(3)图2是本发明实施例中根据度日数D判断外遮阳构件结构设置位置的示意图，图3是其另一视角示意图，如图2和图3所示，根据度日数D的正负值判断是否需要设置遮阳构件，度日数D的取值如果为正值代表计算网格设置遮阳利大于弊，度日数越大说明计算网格越需要设置遮阳；如果为负值代表计算网格不宜设置遮阳，设置遮阳相比夏季遮阳将会阻挡更多冬季有利日照。由此可定义当D>0时，宜在此计算位置的建筑外立面设置遮阳构件，当D＜0时，不宜在此计算位置的建筑外立面设置遮阳构件。如图2和图3所示，D值越高颜色越深，设置遮阳构件的收益越高。通过对大量预设计算位置的度日数进行计算与统计，分析确定设置遮阳构件效果的有利位置。
(4)采用Rhino软件及grasshopper插件对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模，若基础建筑模型已为参数化模型，将其网格化即可；若非参数化模型，需重新建立参数化模型并将其网格化。若基础建筑模型需要修正，也需要先重新建立参数化模型后再网格化。
在此过程中，主要对遮阳板宽度、旋转角度、遮阳板数量参数进行控制；例如在本实施例中，设置遮阳板宽度w(m)，取值范围为0.1≤w≤1.5；遮阳板旋转角度α(°)，遮阳板与墙面相交线为旋转轴，其中东西向遮阳板为垂直遮阳板，遮阳板垂直于墙面时为0°，向南旋转为正，向北旋转为负，取值范围为-90°≤α≤90°；遮阳板数量n(个)，其取值范围50≤w≤200。
形成遮阳板后将其网格化，用立面网格线和网格面与外遮阳形体相结合。
(5)采用ladybug及honeybee插件并调用Radiance内核进行遮阳效果计算分析；在参数化建模即步骤(4)之后，在grasshopper中对分析网格、天空模式、模拟时间、材料等进行设置；调用Radiance内核对模型进行太阳辐射与采光进行分析，包括对无任何构件的建筑模型进行分析和对带有遮阳构件的建筑模型进行分析，从而能够进行对比。
(6)在本实施例中，根据建筑采光设计标准选取适用于目标建筑的采光系数平均值Cav、照度平均值Eav作为优化目标，并采用遗传算法(遗传算法的最优解搜索模式是通过选择、交叉、变异等过程使目标值不断趋向最优解。)对建筑外遮阳构件进行优化，在本实施例中，使用Galapagos运算器进行运算。Galapagos有两个输入端，一端储存自变量的基因值，用gene pool或slider运算器表示，一端连接目标值。通过控制genome的数值产生多组随机的变化，根据运算器内部设定的遗传算法机制，搜索使得采光系数平均值Cav、照度平均值Eav达到标准值的最优解。
(7)根据优化目标判断外遮阳构件是否设计要求，若是，设计结束，否则程序自动修改参数并返回步骤(4)。
图4示出了根据本申请一些实施例的建筑外遮阳设计优化装置400的示意图。如图4所示，装置400可以包括导入单元401、计算单元402、位置单元403、建模单元404、分析单元405、优化单元406和判断单元407。
导入单元401，用于导入建筑物理模型；
计算单元402，用于根据建筑外遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0、UTCI值计算预设遮阳构件位置的度日数D：
D＝T*(UTCI-t0)；
位置单元403，用于根据度日数D的值选择建筑外遮阳构件的设置位置；
建模单元404，用于对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模，将该模型网格化后与基础建筑模型结合；
分析单元405，用于进行遮阳效果计算分析；
优化单元406，用于选取优化目标，采用遗传算法对建筑外遮阳构件进行优化；
判断单元407，用于当建筑外遮阳构件符合设计要求时，设计结束，当建筑外遮阳构件不符合设计要求时，回到建模单元。
图5示出了一个计算设备的组成结构图。如图5所示，该计算设备包括一个或者多个处理器(CPU或GPU)502、通信模块504、存储器506、用户接口510，以及用于互联这些组件的通信总线508。
处理器502可通过通信模块504接收和发送数据以实现网络通信和/或本地通信。
用户接口510包括一个或多个输出设备512，其包括一个或多个扬声器和/或一个或多个可视化显示器。用户接口510也包括一个或多个输入设备514，其包括诸如，键盘，鼠标，声音命令输入单元或扩音器，触屏显示器，触敏输入板，姿势捕获摄像机或其他输入按钮或控件等。
存储器506可以是高速随机存取存储器，诸如DRAM、SRAM、DDR RAM、或其他随机存取固态存储设备；或者非易失性存储器，诸如一个或多个磁盘存储设备、光盘存储设备、闪存设备，或其他非易失性固态存储设备。
存储器506存储处理器502可执行的指令集，包括：
操作系统516，包括用于处理各种基本系统服务和用于执行硬件相关任务的程序；
应用518，包括用于实现上述建筑外遮阳设计优化方法的各种程序，这种程序能够实现上述各实例中的处理流程，比如可以包括根据本申请的建筑外遮阳设计优化装置。建筑外遮阳设计优化装置可以包括图4所示的建筑外遮阳设计优化装置400。
另外，本申请的每一个实例可以通过由数据处理设备如计算机执行的数据处理程序来实现。显然，数据处理程序构成了本申请。此外，通常存储在一个存储介质中的数据处理程序通过直接将程序读取出存储介质或者通过将程序安装或复制到数据处理设备的存储设备(如硬盘和或内存)中执行。因此，这样的存储介质也构成了本发明。存储介质可以使用任何类型的记录方式，例如纸张存储介质(如纸带等)、磁存储介质(如软盘、硬盘、闪存等)、光存储介质(如CD-ROM等)、磁光存储介质(如MO等)等。
因此本申请还公开了一种非易失性存储介质，其中存储有数据处理程序，该数据处理程序用于执行本申请上述视频播放方法的任何一种实例。
另外，本申请所述的方法步骤除了可以用数据处理程序来实现，还可以由硬件来实现，例如，可以由逻辑门、开关、专用集成电路(ASIC)、可编程逻辑控制器和嵌微控制器等来实现。因此这种可以实现本申请所述方法的硬件也可以构成本申请。
综上，本发明创新性地将设置遮阳构件与遮阳构件的优化有机结合，为建筑师较好较快地设计遮阳构件提供了可靠的计算方法，并利用程序手段提高建筑师前期的工作效率，具有评估结果准确、可操作性强等优点。
尽管为使解释简单化将上述方法图示并描述为一系列动作，但是应理解并领会，这些方法不受动作的次序所限，因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。
以上所述仅为本申请的较佳实例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种建筑外遮阳设计优化方法，其特征在于，包括：
S1、导入建筑物理模型；
S2、根据建筑外遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0、UTCI值计算预设遮阳构件位置的度日数D：
D＝T*(UTCI-t0)；
S3、根据度日数D的值选择建筑外遮阳构件的设置位置；
S4、对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模，将该模型网格化后与基础建筑模型结合；
S5、进行遮阳效果计算分析；
S6、选取优化目标，采用遗传算法对建筑外遮阳构件进行优化；
S7、当建筑外遮阳构件符合设计要求时，设计结束，当建筑外遮阳构件不符合设计要求时，返回步骤S4。
2.根据权利要求1所述的建筑外遮阳设计优化方法，其特征在于，所述S2步骤包括：
导入设计建筑对应地点的室外气象参数；
根据舒适温度区间确定平衡温度t0的取值；
计算UTCI的取值；
根据遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0和UTCI值计算得出度日数D。
3.根据权利要求1所述的建筑外遮阳设计优化方法，其特征在于，所述S3步骤包括：
判断度日数D的正负；
当D>0时，判定该计算位置适宜设置建筑外遮阳构件；
当D<0时，判定该计算位置不适宜设置建筑外遮阳构件；
通过各个计算位置的度日数D数据，确定建筑外遮阳构件的设置位置。
4.根据权利要求1所述的建筑外遮阳设计优化方法，其特征在于，S4步骤中的所述对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模包括对遮阳板宽度、旋转角度和遮阳板数量进行控制。
5.根据权利要求1所述的建筑外遮阳设计优化方法，其特征在于，所述S4步骤中，当基础建筑模型已为参数化模型且无需修正时，将其网格化；
当基础建筑模型为非参数化模型或需要进行修正时，对基础建筑模型进行参数化建模，再将其网格化。
6.根据权利要求1所述的建筑外遮阳设计优化方法，其特征在于，所述S5步骤包括：
对分析网格、天空模式、模拟时间和材料参数进行设置；
对基础建筑模型进行太阳辐射与采光分析。
7.根据权利要求1所述的建筑外遮阳设计优化方法，其特征在于，所述S6步骤中的的优化目标选取为采光系数平均值Cav和照度平均值Eav。
8.一种建筑外遮阳设计优化装置，其特征在于，包括：
导入单元，用于导入建筑物理模型；
计算单元，用于根据建筑外遮阳构件挡住日光的时间T、平衡温度t0、UTCI值计算预设遮阳构件位置的度日数D：
D＝T*(UTCI-t0)；
位置单元，用于根据度日数D的值选择建筑外遮阳构件的设置位置；
建模单元，用于对拟采用的建筑外遮阳构件进行参数化建模，将该模型网格化后与基础建筑模型结合；
分析单元，用于进行遮阳效果计算分析；
优化单元，用于选取优化目标，采用遗传算法对建筑外遮阳构件进行优化；
判断单元，用于当建筑外遮阳构件符合设计要求时，设计结束，当建筑外遮阳构件不符合设计要求时，回到建模单元。
9.一种计算设备，其特征在于，包括：
一个或多个处理器；
存储器；以及
一个或多个程序，存储在该存储器中并被配置为由所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行权利要求1-7中任一项所述方法的指令。
10.一种存储介质，存储有一个或多个程序，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1-7中任一项所述的方法。
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