CN111861244A - 一种针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，方法步骤包括：对导入的建筑模型进行分析获得图元构件，再将图元构件放置到对应的图元构件图层上；将对应的图层名称耦合到图元构件中创建为建筑图元构件；针对各性能模拟机制的需求来提取建筑模型的建筑信息，并筛选和创建出用于性能模拟的建筑图元构件，并归置到内置图层上；创建模拟数据输出端口用于将包含建筑信息和内置图层上的建筑图元构件的模拟数据输出至各性能模拟机制的参数输入端。参数化模型构建方法能够建立参数化模型满足多种模拟机制对模型的输入要求，对于建筑设计过程中建筑性能的分析和优化具有重要的基础性意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种参数化模型构建方法，尤其是一种针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法。
背景技术
19世纪工业化时代以来，伴随物质文明的高速发展，人类社会发展与环境之间的矛盾日趋激烈。为了应对日益恶化的地球环境所产生的各种生态危机，全球发展可持续性的议题在20世纪逐渐展开。建筑作为全球能耗将近40％的来源毋庸置疑成为当下应对全球发展问题中的重要研究对象。建筑学界开始重新审视建筑设计过程中对于建筑形式的考量，性能需求作为一项核心议程被引入至建筑设计的环节中，其意义在于从设计本身进行能耗控制。
建筑性能模拟技术则可追溯至20世纪60年代中期针对建筑环境控制系统的动态模拟方法研究。石油危机后，建筑性能模拟受到广泛重视，各国纷纷研发了性能模拟软件，如美国的BLAST、DOE，欧洲的ESP-r，日本的HASP以及我国的DeST。1997年，Marsh基于建筑设计前期需要，研发了建筑性能预测平台——“Conecpt”。Ecotect、Fluent、EnergyPlus、eQUEST等建筑性能仿真工具相继被推出，进一步丰富了设计者展开建筑性能模拟的技术手段。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，这些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。建筑性能模拟技术在广泛推行的同时，一些弊端也逐渐显现。首先是效率问题，模拟精度与模拟时间成正比，高精度模拟往往耗时巨大，而简化模拟过程又会降低模拟精度。其次大部分性能模拟软件只针对风、光、热其中的一项性能指标，性能模拟通常只能针对建筑部分的环境进行讨论，无法形成整体直观的建筑性能表现。
为了解决建筑的多环境性能指标模拟，学界尝试应用基于数据实测与调查的统计学方法来展开建筑环境性能动态模拟的预测和研究，尝试以基于实测数据的线性回归模型来代替传统模拟软件。但是，限于实测过程在时间与财物方面的巨大消耗，实测数据不能完全代替模拟数据。同时，风、光、热环境对建筑能耗水平和室内物理性能的影响是非线性的，线性回归数据处理方法在分析多环境影响下的能耗和环境性能问题时存在局限。面对非线性环境影响下的建筑能耗和环境性能预测问题，既有模拟分析方法亟待优化与改善。
在此背景下，整合多种性能模拟分析过程的研究方法日渐受到关注。不同的性能模拟软件基于不同的模拟机制展开，对于模型的输入具有不同的要求。既有研究通常通过构建不同的模型用于性能模拟，再将多种性能指标的模拟结果进行单向叠加，而无法实现高效并行的运算方式，“一模多算”成为解决这一问题的重要突破方式。
发明内容
发明目的：提供一种针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，能够建立参数化模型满足多种模拟机制对模型的输入要求，对于建筑设计过程中建筑性能的分析和优化具有重要的基础性意义。
技术方案：本发明所述的一种针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，包括如下步骤：
步骤1，导入建筑模型，并对导入的建筑模型进行分析，获得该建筑模型的每一个图元构件，再将各个图元构件放置到对应的图元构件图层上；
步骤2，对建筑模型的每一个图元构件进行重新定义，将对应的图层名称耦合到图元构件中创建为建筑图元构件；
步骤3，针对各个性能模拟机制的需求来对应提取建筑模型的建筑信息，并筛选和创建出用于性能模拟的建筑图元构件，并将这些建筑图元构件归置到内置图层上；
步骤4，创建用于与各性能模拟机制的参数输入端相对接的模拟数据输出端口，用于将包含建筑信息和内置图层上各个建筑图元构件的模拟数据输出至各性能模拟机制的参数输入端。
进一步的，步骤1中，图元构件图层根据不同的性能模拟机制的模型参数需要确定，且每个图元构件图层均同时满足各个性能模拟机制的模型参数需要；将各个图元构件放置到对应的图元构件图层上时，每个图元构件只能放置到一个图元构件图层，且所有图元构件必须全部放置完成；未放置图元构件的图元构件图层允许为空；各个图元构件均为封闭的实体构件；图元构件包括楼层外墙、窗、立面遮阳、楼层地面、建筑屋顶、天井外墙、天井顶部窗、天井顶面、天井地面以及周边环境，对应的图元构件图层包括楼层外墙图层、窗图层、立面遮阳图层、楼层地面图层、建筑屋顶图层、天井外墙图层、天井顶部窗图层、天井顶面图层、天井地面图层以及周边环境图层；周边环境图层用于涵盖建筑周边的所有环境物体构件。
进一步的，步骤3中，在针对各性能模拟机制的需求提取建筑模型的建筑信息时，分别针对建筑太阳辐射模拟、建筑操作温度模拟、建筑相对湿度模拟、建筑室内照度模拟以及建筑室内风度模拟这五项性能模拟指标进行建筑信息提取。
进一步的，在针对建筑太阳辐射模拟的建筑信息提取时，选中楼层外墙图层、窗图层、立面遮阳图层、楼层地面图层、建筑屋顶图层、天井外墙图层、天井顶部窗图层、天井顶面图层以及天井地面图层上放置的各个图元构件作为性能模拟的参数输入。
进一步的，在针对建筑操作温度模拟、建筑相对湿度模拟以及建筑室内照度模拟的建筑信息提取时，是以热区为单位作为性能模拟的参数输入；若建筑不含有天井，则输入的热区包括各个楼层的热区；若建筑含有天井，则输入的热区包括各个楼层的热区以及天井贯穿空间的热区。
进一步的，若建筑不含有天井，则各个楼层的热区由该楼层的楼层外墙、窗、楼层地面以及天花板构成，若建筑含有天井，则各个楼层的热区由该楼层的楼层外墙、窗、楼层地面、天花板以及楼层与天井交界处的空气墙构成；楼层外墙、窗以及楼层地面根据对应的图元构件图层以及对应的楼层筛选获得；顶层的天花板通过复制建筑屋顶获得，其他楼层的天花板通过复制上一楼层的楼层地面获得；楼层与天井交界处的空气墙由交界处的天花板边缘向下延伸至楼层地面边缘创建获得；
天井贯穿空间的热区由天井地面、建筑与天井交界的空气墙、天井外墙、天井顶面以及天井顶部窗构成；天井地面、天井外墙、天井顶面以及天井顶部窗根据对应的图元构件图层筛选获得；建筑与天井交界处的空气墙由交界处的建筑屋顶边缘向下延伸至天井地面边缘创建获得。
进一步的，各个楼层的热区在构成时需要通过楼层来判断图元构件图层上的各个图元构件分别属于哪一个楼层的热区：首先需要读取楼层地面图层和建筑屋顶图层上的各个图元构件；再获取各个图元构件的Z轴坐标值，并对各个图元构件的Z轴坐标值按照从大到小进行排序获得楼层高序列[z1,z2,z3，…，zn]；再获取待定位图元构件中各个顶点位置处的Z轴坐标值集合A＝{a1,a2,a3，…，an}，若集合A中的任意元素ai均满足zj≤ai≤zj+1，则待定位图元构件属于第j楼层。
进一步的，在针对建筑室内风速模拟的建筑信息提取时，需要建筑屋顶、天井顶面、楼层外墙、楼层地面、天花板、天井外墙、天井地面、进风窗口以及出风窗口作为性能模拟的参数输入；建筑屋顶、天井顶面以及天井地面根据对应的图元构件图层筛选获得；楼层外墙、楼层地面以及天井外墙首先通过图元构件图层筛选获得，顶层的天花板通过复制建筑屋顶获得，其他楼层的天花板通过复制上一楼层的楼层地面获得，再根据建筑室内风速模拟的建模要求对获得的楼层外墙、楼层地面、天花板以及天井外墙进行重新创建作为性能模拟的参数输入；进风窗口和出风窗口是根据天气文件中的风向信息来对窗构件筛选获得。
进一步的，在根据建筑室内风速模拟的建模要求对得的楼层外墙、楼层地面、天花板以及天井外墙进行重新创建时：对于顶层的楼层外墙，需要将获得的顶层的楼层外墙构件平面的下边缘上移楼板厚度一半的距离；对于中间楼层的楼层外墙，需要将获得的各个中间楼层的楼层外墙构件平面的下边缘上移楼板厚度一半的距离，同时需要将筛选获得的各个中间楼层的楼层外墙构件平面的上边缘下移楼板厚度一半的距离；对于底层的楼层外墙，需要将筛选获得的底层的楼层外墙构件平面的上边缘下移楼板厚度一半的距离；对于底层的楼层地面，直接采用筛选获得的底层的楼层地面构件平面；对于非底层的楼层地面，需要将筛选出的各个非底层的楼层地面构件平面整体上移楼板厚度一半的距离获得；对于顶层的天花板，直接采用筛选获得的顶层的建筑屋顶构件平面；对于非顶层的天花板，需要将筛选出的各个楼层地面构件平面整体下移楼板厚度一半的距离作为下一楼层的天花板；对于天井外墙，由筛选出的天井外墙构件平面以及楼层与楼层之间的天井外墙平面组合构成，楼层与楼层之间的天井外墙由按照建模要求调整后的天花板平面在天井处的边缘向上延伸至上一楼层的楼层地面平面在天井处的边缘创建获得。
进一步的，对进风窗口和出风窗口根据天气文件对窗构件进行筛选获得：首先对天气文件全年的风向向量进行求平均得到二维平面的全年主导风向向量V；再对每一个窗构件获取其指向建筑外部的法向量Wi，再计算V到Wi顺时针方向夹角x；最后设定风向阈值a，若(180°-a)≤x≤(180°+a)，则该窗为进风窗口，若x≥(360°-a)或者x≤a，则该窗为出风窗口。
本发明与现有技术相比，其有益效果是：本发明提供的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，提出了一套通过参数化手段进行模型规范化操作流程的设计方法，使得输入的基础建筑模型可同时根据多种性能模拟机制(太阳辐射模拟、操作温度模拟、相对湿度模拟、室内照度模拟、室内风速模拟)的需要生成对应的模拟模型，提供模拟所需的所有模拟参数，真正实现“一模多算”，简化了建筑多环境性能指标模拟的步骤，使得多种性能模拟可以整合在一个流程内，更好地对参数化平台(Rhino+Grasshopper)下的建筑性能模拟机制进行了封装，使得建筑师在建筑设计过程中，可以通过更加简单的模拟步骤直观地了解当前建筑设计方案完整的风、光、热维度的性能表现，对于建筑设计过程中建筑性能的分析和优化具有重要的基础性意义。
附图说明
图1为本发明的参数化模型构建方法流程图；
图2为本发明的初始模型图层设置示意图；
图3为本发明的与天井接触的空气墙示意图；
图4为本发明的热区的划分结果示意图；
图5为本发明的室内风速模拟模型示意图；
图6为本发明的初始建筑模型至整合多性能指标模拟模型的数值信息传递过程；
图7为本发明的多天井实例的参数化模型生成的热区模拟模型；
图8为本发明的多天井实例的参数化模型生成的风模拟模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
如图1所示，本发明公开的一种针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，包括如下步骤：
步骤1，导入建筑模型，并对导入的建筑模型进行分析，获得该建筑模型的每一个图元构件，再将各个图元构件放置到对应的图元构件图层上；
步骤2，对建筑模型的每一个图元构件进行重新定义，将对应的图层名称耦合到图元构件中创建为建筑图元构件，每个建筑图元构件均包含图层名称(字符串)和图元构件(几何体)两个属性；
步骤3，针对各个性能模拟机制的需求来对应提取建筑模型的建筑信息，并筛选和创建出用于性能模拟的建筑图元构件，并将这些建筑图元构件归置到内置图层上；
步骤4，创建用于与各性能模拟机制的参数输入端相对接的模拟数据输出端口，用于将包含建筑信息和内置图层上各个建筑图元构件的模拟数据输出至各性能模拟机制的参数输入端。
进一步的，步骤1中，图元构件图层根据不同的性能模拟机制的模型参数需要确定，且每个图元构件图层均同时满足各个性能模拟机制的模型参数需要；将各个图元构件放置到对应的图元构件图层上时，每个图元构件只能放置到一个图元构件图层，且所有图元构件必须全部放置完成；未放置图元构件的图元构件图层允许为空；各个图元构件均为封闭的实体构件；图层的设定主要针对的建筑类型是大型公共建筑，该类建筑最显著的特征是可能有一个或多个天井，用以调节建筑内部环境；图元构件包括楼层外墙、窗、立面遮阳、楼层地面、建筑屋顶、天井外墙、天井顶部窗、天井顶面、天井地面以及周边环境，对应的图元构件图层包括楼层外墙图层、窗图层、立面遮阳图层、楼层地面图层、建筑屋顶图层、天井外墙图层、天井顶部窗图层、天井顶面图层、天井地面图层以及周边环境图层；周边环境图层用于涵盖建筑周边的所有环境物体构件，包括周边建筑、构筑物和植物等。
进一步的，步骤3中，在针对各性能模拟机制的需求提取建筑模型的建筑信息时，分别针对建筑太阳辐射模拟、建筑操作温度模拟、建筑相对湿度模拟、建筑室内照度模拟以及建筑室内风度模拟这五项性能模拟指标进行建筑信息提取。
进一步的，在针对建筑太阳辐射模拟的建筑信息提取时，选中楼层外墙图层、窗图层、立面遮阳图层、楼层地面图层、建筑屋顶图层、天井外墙图层、天井顶部窗图层、天井顶面图层以及天井地面图层上放置的各个图元构件作为性能模拟的参数输入，不需要另外设置“内置图层”存储图元构件用于性能模拟的参数输入。
进一步的，在针对建筑操作温度模拟、建筑相对湿度模拟以及建筑室内照度模拟的建筑信息提取时，是以热区为单位作为性能模拟的参数输入；若建筑不含有天井，则输入的热区包括各个楼层的热区；若建筑含有天井，则输入的热区包括各个楼层的热区以及天井贯穿空间的热区。
进一步的，若建筑不含有天井，则各个楼层的热区由该楼层的楼层外墙、窗、楼层地面以及天花板构成，若建筑含有天井，则各个楼层的热区由该楼层的楼层外墙、窗、楼层地面、天花板以及楼层与天井交界处的空气墙构成；楼层外墙、窗以及楼层地面根据对应的图元构件图层以及对应的楼层筛选获得；顶层的天花板通过复制建筑屋顶获得，其他楼层的天花板通过复制上一楼层的楼层地面获得；楼层与天井交界处的空气墙由交界处的天花板边缘向下延伸至楼层地面边缘创建获得，在向下延伸构面时遵循的是四点构面的方法，即在上方选择两个转折点，在下方对应位置处选择两个转折点，且在选择两个转折点时为相邻点，通过这四个点来创建面；
天井贯穿空间的热区由天井地面、建筑与天井交界的空气墙、天井外墙、天井顶面以及天井顶部窗构成；天井地面、天井外墙、天井顶面以及天井顶部窗根据对应的图元构件图层筛选获得；建筑与天井交界处的空气墙由交界处的建筑屋顶边缘向下延伸至天井地面边缘创建获得，在向下延伸构面时遵循的是四点构面的方法，即在上方选择两个转折点，在下方对应位置处选择两个转折点，且在选择两个转折点时为相邻点，通过这四个点来创建面。
进一步的，各个楼层的热区在构成时需要通过楼层来判断图元构件图层上的各个图元构件分别属于哪一个楼层的热区：首先需要读取楼层地面图层和建筑屋顶图层上的各个图元构件；再获取各个图元构件的Z轴坐标值，并对各个图元构件的Z轴坐标值按照从大到小进行排序获得楼层高序列[z1,z2,z3，…，zn]；再获取待定位图元构件中各个顶点位置处的Z轴坐标值集合A＝{a1,a2,a3，…，an}，若集合A中的任意元素ai均满足zj≤ai≤zj+1，则待定位图元构件属于第j楼层。
进一步的，在针对建筑室内风速模拟的建筑信息提取时，需要建筑屋顶、天井顶面、楼层外墙、楼层地面、天花板、天井外墙、天井地面、进风窗口以及出风窗口作为性能模拟的参数输入；建筑屋顶、天井顶面以及天井地面根据对应的图元构件图层筛选获得；楼层外墙、楼层地面以及天井外墙首先通过图元构件图层筛选获得，顶层的天花板通过复制建筑屋顶获得，其他楼层的天花板通过复制上一楼层的楼层地面获得，再根据建筑室内风速模拟的建模要求对获得的楼层外墙、楼层地面、天花板以及天井外墙进行重新创建作为性能模拟的参数输入；进风窗口和出风窗口是根据天气文件中的风向信息来对窗构件筛选获得。
进一步的，在根据建筑室内风速模拟的建模要求对得的楼层外墙、楼层地面、天花板以及天井外墙进行重新创建时：对于顶层的楼层外墙，需要将获得的顶层的楼层外墙构件平面的下边缘上移楼板厚度一半的距离；对于中间楼层的楼层外墙，需要将获得的各个中间楼层的楼层外墙构件平面的下边缘上移楼板厚度一半的距离，同时需要将筛选获得的各个中间楼层的楼层外墙构件平面的上边缘下移楼板厚度一半的距离；对于底层的楼层外墙，需要将筛选获得的底层的楼层外墙构件平面的上边缘下移楼板厚度一半的距离；对于底层的楼层地面，直接采用筛选获得的底层的楼层地面构件平面；对于非底层的楼层地面，需要将筛选出的各个非底层的楼层地面构件平面整体上移楼板厚度一半的距离获得；对于顶层的天花板，直接采用筛选获得的顶层的建筑屋顶构件平面；对于非顶层的天花板，需要将筛选出的各个楼层地面构件平面整体下移楼板厚度一半的距离作为下一楼层的天花板；对于天井外墙，由筛选出的天井外墙构件平面以及楼层与楼层之间的天井外墙平面组合构成，楼层与楼层之间的天井外墙由按照建模要求调整后的天花板平面在天井处的边缘向上延伸至上一楼层的楼层地面平面在天井处的边缘创建获得，在向上延伸构面时遵循的是四点构面的方法，即在上方选择两个转折点，在下方对应位置处选择两个转折点，且在选择两个转折点时为相邻点，通过这四个点来创建面。
进一步的，对进风窗口和出风窗口根据天气文件对窗构件进行筛选获得：首先对天气文件全年的风向向量进行求平均得到二维平面的全年主导风向向量V；再对每一个窗构件获取其指向建筑外部的法向量Wi，再计算V到Wi顺时针方向夹角x；最后设定风向阈值a，若(180°-a)≤x≤(180°+a)，则该窗为进风窗口，若x≥(360°-a)或者x≤a，则该窗为出风窗口。
在具体实施时：
首先采用Rhino软件打开建筑三维模型(.3dm格式)。如图1所示，本实例模型为一个带有天井的三层公共建筑，平面呈现为常见的“L型”，具有高大空间建筑的代表性意义。根据图层设定的要求，对模型文件进行处理，使每一个构件都归置到对应的图元构件图层。图元构件图层包含楼层外墙、窗、天井外墙、立面遮阳、楼层地面、屋顶、天井顶部窗、天井顶面、天井地面以及周边环境。
如图2所示，为初始模型图层设置。在这一步骤中，应该确保建筑体块为封闭实体，同时所有图元构件均需出现且仅一次出现在某一图元构件图层上。各个图元构件图层的信息如表1所示。根据后续对图元操作方式的差异，图元构件的类型有所不同，“周边环境”的图元，仅需要以体块“封闭实体”式输入，其他则根据模拟机制的要求以面的形式输入，根据不同模拟机制的差异分别以“未切割的平面”和“切割的平面”的形式输入，表征完整平面和已经挖去部分区域的平面。
表1各个图层图元构件信息
| 图层编号 | 图层名 | 构件类型 | 数量(个) |
| 1 | 周边环境 | 封闭实体 | 6 |
| 2 | 外墙 | 未切割的平面 | 18 |
| 3 | 天井地面 | 未切割的平面 | 1 |
| 4 | 窗 | 未切割的平面 | 12 |
| 5 | 天井外墙 | 未切割的平面 | 4 |
| 6 | 楼层地面 | 切割的平面 | 3 |
| 7 | 屋顶 | 切割的平面 | 1 |
| 8 | 天井顶面 | 未切割的平面 | 1 |
| 9 | 天井顶部窗 | 未切割的平面 | 1 |
| 10 | 立面遮阳 | 未切割的平面 | 12 |
然后再借助Rhino的Grasshopper可视化编程插件，通过编写电池(一种Grasshopper平台特定的程序单元)程序，以图层名作为输入参数来获取图元构件，通过RhinoDoc程序包的函数调用获得所有图层brep属性的图元构件。通过自定义类MySiBrep，将所有brep和其所在的图层名进行封装，创建新的带有图层名称的brep对象。至此，模型的所有图元均带有图层名称，可方便后续模拟机制获取参数时对于图元的筛选和创建。
本实施例进行的五项模拟包括建筑太阳辐射模拟、建筑操作温度模拟、建筑相对湿度模拟、建筑室内照度模拟以及建筑室内风度模拟。这五项模拟均在Grasshopper平台下借助Ladybug和Honeybee、Butterfly插件展开。
太阳辐射模拟主要通过调用Ladybug插件实现，借助“Ladybug_RadiationAnalysis”电池，将要模拟的建筑体块以及周边环境分别输入它的“_geometry”和“context”端口，其中“_geometry”端口要求输入的对象必须为Brep或者Mesh格式的图形对象，无需对图元构件进行分化处理，因此直接将表1中图层2-9的所有图元进行Merge操作合并为一组Brep输入即可，可跳过建筑信息处理环节。
建筑操作温度模拟和建筑相对湿度模拟通过调用Ladybug+Honeybee插件实现，以Honeybee基于的EnergyPlus热模拟为基础。EnergyPlus的热模拟要求模型以热区的形式输入，即模型的所有体块以热区的形式呈现。根据热区的定义和划分的原则，建筑每一层的空间为一个热区(以下简称为“楼层热区”)同时天井的贯通空间为独立热区(以下简称为“天井热区”)。对于“楼层热区”由屋顶、天花顶面、楼层地面、外墙、窗、与天井接触的空气墙构成，因此根据初始的图层设定需要进一步分化产生对应图层。其中外墙以整面的形式存在，通过墙面单元与窗的布尔求差法得到带开孔的墙面。
其中与天井接触的空气墙的创建通过定位该层的楼层地面和天花板来实现，如图3所示，楼层地面上的天井开口为四边形ABCD，天花板上的四边形开口为四边形A1B1C1D1，于是该楼层对应的空气墙可分别创建四边形AA1B1B、BB1C1C、CC1D1D、DD1A1构件。得到所有“楼层热区”的构件后，进一步创建每一层的热区需要对构件进一步定位，需要判断每一个构件所在的楼层即属于哪一个楼层热区，这里通过高度定位的方法实现。先对“楼层地面”和“屋顶”图层的图元构件一一读取，由于该层构件均为水平平面，各端点Z坐标相同，记录该图元构件的Z坐标数值即为该楼层的高度。
通过排序得到从小到大的楼层高序列[z1,z2,z3，…，zn]。对任意构件进行楼层定位时，该构件各个顶点的Z坐标数值集合A＝{a1,a2,a3，…，an}，假如对A中任意元素ai均满足zj≤ai≤zj+1，则可认为该构件位于第j楼层。将属于第j楼层的所有构件进行组合即可得到属于第j楼层的“楼层热区”。对于“天井热区”由天井地面、与天井接触的空气墙、天井外墙、天井顶面、天井顶面窗构成。其中天井顶面以整面的形式存在，后续通过天井顶面单元与天井顶面窗的布尔求差法得到带开孔的天井顶面。
建筑室内照度的模拟同样通过Ladybug+Honeybee插件实现，以Honeybee基于的EnergyPlus热模拟为基础。同样模型的所有体块以热区的形式呈现，分为“楼层热区”和“天井热区”。室内照度模拟的“楼层热区”和“天井热区”的构建方法和前述的操作温度和相对湿度模拟中的方法类似，唯一区别的是在对于“楼层热区”的墙面和“天井热区”的天井顶面要求的图元为已经挖去孔洞后的面。因此对此两类对象需要加以区分，而其他的对象可以共用。本例中的热区的划分结果如图4所示。
建筑室内风速的模拟通过Ladybug+Butterfly插件实现。Butterfly主要基于CFD(Computational Fluid Dynamics)软件的流体力学性能模拟机制。Butterfly需要对各个构件进行分化输入，分别包含“建筑屋顶”、“天井顶面”、“墙”、“楼层地面”、“天花板”、“天井外墙”、“天井地面”、“进风窗”、“出风窗”这些属性构件。
特殊的是，Butterfly的模拟需要扣除建筑的楼板厚度对剩余的纯建筑空间进行整体的内部风环境计算，因此对应的墙面、楼层地面和天花顶面都需要根据实际情况重新创建。对于顶层的“墙”构件需要将从“墙”图层筛选得到的图元平面下边缘上移楼板高度的一半，中间楼层的“墙”构件需要将从“墙”图层筛选得到的图元平面下边缘上移楼板高度的一半同时上边缘下移楼板高度的一半，底层的“墙”构件需要将从“墙”图层筛选得到的图元平面上边缘下移楼板高度的一半。“楼层地面”构件除了底层可直接从“楼层地面”筛选获得，其他层需要将从“楼层地面”图层筛选的到的图元平面整体上移楼板高度的一半。除顶层以外的每一层的“天花板”构件需要将从“楼层地面”图层筛选得到的上面一层的地面图元整体下移楼板高度的一半获得。顶层的“天花板”构件可直接读取“屋顶”图层的图元构件获得。对于“天井外墙”构件，除了读取“天井外墙”图层的图元以外，同时还要增加层与层之间的天井外墙，可通过定位偏移完成后的“天花板”构件平面和上面一层偏移完成后的“楼层地面”平面，通过其对应天井的顶点连接可获得。
紧接着，来求取“进风窗”和“出风窗”需要借助天气文件对“窗”图层的构件进行筛选获得。首先，需要采用“Ladybug_Import epw”电池输出端的“wind Direction”项里代表全年不同时间的风向数据，通过求取平均获得该地的全年主导风向向量V，然后对每一个“窗”图层的图元获取其指向建筑外部的法向量Wi，再计算V到Wi顺时针方向夹角x；最后设定风向阈值a，若(180°-a)≤x≤(180°+a)，则该窗为“进风窗”，若x≥(360°-a)或者x≤a，则该窗为“出风窗”，于是最终建立的室内风速模拟模型如图5所示。
上述对建筑模型信息进行处理获取模拟机制需要的参数的过程，通过在Grasshopper平台下编写基于Python语言的程序电池块实现，包含建筑信息获取和归置“内置图层”的过程。建筑信息的获取主要包含楼层信息的获取，主要用于构件的分化判断。
步骤3中，将所有用于性能模拟机制所提取的图元信息归置到“内置图层”，从而实现参数的有效定位，可直接用于性能模拟机制中参数的输入，最终确定了包含“用户_环境”、“用户_底层地面”、“用户_天井地面”、“用户_天井空气地面”、“用户_用于热模拟和光模拟的天花板”、“用户_屋顶”、“用户_进风窗”、“用户_出风窗”、“用户_其他窗”、“用户_天井外墙”、“用户_天井屋顶窗”、“用户_用于热模拟的天井屋顶”、“用户_用于光模拟和风模拟的天井屋顶”、“用户_用于热模拟的有窗的外墙”、“用户_用于热模拟和光模拟的其他外墙”、“用户_用于光模拟的有窗的外墙”、“用户_用于风模拟的墙”、“用户_天井空气墙”、“用户_用于风模拟的天井空气楼层地面”、“用户_用于风模拟的楼层地面”、“用户_用于风模拟的天花板”、“用户_中间层天井外墙”、“用户_遮阳”这23个“内置图层”。对于“内置图层”的操作包含“创建”和“归置”两个步骤，“创建”即根据初始图层进行筛选和新建用于模拟机制所需的图元，“归置”则是进一步根据模拟机制的需要，将图元进行组合封装的过程。“创建”和“归置”程序的输入、输出端参数如表2所示。
表2建筑图元信息处理程序-信息统计
初始建筑模型至整合多性能指标模拟模型的数值信息传递过程如图6所示，至此一种针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建完成。
另外，测试另一带有多个天井的复杂平面的多层建筑实例，经过本参数化模型构建方法产生的用于多指标模拟的模型如图7和图8所示，进一步验证了该方法的普适性和实用性。
如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。
Claims (10)
1.一种针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，导入建筑模型，并对导入的建筑模型进行分析，获得该建筑模型的每一个图元构件，再将各个图元构件放置到对应的图元构件图层上；
步骤2，对建筑模型的每一个图元构件进行重新定义，将对应的图层名称耦合到图元构件中创建为建筑图元构件；
步骤3，针对各个性能模拟机制的需求来对应提取建筑模型的建筑信息，并筛选和创建出用于性能模拟的建筑图元构件，并将这些建筑图元构件归置到内置图层上；
步骤4，创建用于与各性能模拟机制的参数输入端相对接的模拟数据输出端口，用于将包含建筑信息和内置图层上各个建筑图元构件的模拟数据输出至各性能模拟机制的参数输入端。
2.根据权利要求1所述的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，步骤1中，图元构件图层根据不同的性能模拟机制的模型参数需要确定，且每个图元构件图层均同时满足各个性能模拟机制的模型参数需要；将各个图元构件放置到对应的图元构件图层上时，每个图元构件只能放置到一个图元构件图层，且所有图元构件必须全部放置完成；未放置图元构件的图元构件图层允许为空；各个图元构件均为封闭的实体构件；图元构件包括楼层外墙、窗、立面遮阳、楼层地面、建筑屋顶、天井外墙、天井顶部窗、天井顶面、天井地面以及周边环境，对应的图元构件图层包括楼层外墙图层、窗图层、立面遮阳图层、楼层地面图层、建筑屋顶图层、天井外墙图层、天井顶部窗图层、天井顶面图层、天井地面图层以及周边环境图层；周边环境图层用于涵盖建筑周边的所有环境物体构件。
3.根据权利要求2所述的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，步骤3中，在针对各性能模拟机制的需求提取建筑模型的建筑信息时，分别针对建筑太阳辐射模拟、建筑操作温度模拟、建筑相对湿度模拟、建筑室内照度模拟以及建筑室内风度模拟这五项性能模拟指标进行建筑信息提取。
4.根据权利要求3所述的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，在针对建筑太阳辐射模拟的建筑信息提取时，选中楼层外墙图层、窗图层、立面遮阳图层、楼层地面图层、建筑屋顶图层、天井外墙图层、天井顶部窗图层、天井顶面图层以及天井地面图层上放置的各个图元构件作为性能模拟的参数输入。
5.根据权利要求3所述的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，在针对建筑操作温度模拟、建筑相对湿度模拟以及建筑室内照度模拟的建筑信息提取时，是以热区为单位作为性能模拟的参数输入；若建筑不含有天井，则输入的热区包括各个楼层的热区；若建筑含有天井，则输入的热区包括各个楼层的热区以及天井贯穿空间的热区。
6.根据权利要求5所述的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，若建筑不含有天井，则各个楼层的热区由该楼层的楼层外墙、窗、楼层地面以及天花板构成，若建筑含有天井，则各个楼层的热区由该楼层的楼层外墙、窗、楼层地面、天花板以及楼层与天井交界处的空气墙构成；楼层外墙、窗以及楼层地面根据对应的图元构件图层以及对应的楼层筛选获得；顶层的天花板通过复制建筑屋顶获得，其他楼层的天花板通过复制上一楼层的楼层地面获得；楼层与天井交界处的空气墙由交界处的天花板边缘向下延伸至楼层地面边缘创建获得；
天井贯穿空间的热区由天井地面、建筑与天井交界的空气墙、天井外墙、天井顶面以及天井顶部窗构成；天井地面、天井外墙、天井顶面以及天井顶部窗根据对应的图元构件图层筛选获得；建筑与天井交界处的空气墙由交界处的建筑屋顶边缘向下延伸至天井地面边缘创建获得。
7.根据权利要求6所述的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，各个楼层的热区在构成时需要通过楼层来判断图元构件图层上的各个图元构件分别属于哪一个楼层的热区：首先需要读取楼层地面图层和建筑屋顶图层上的各个图元构件；再获取各个图元构件的Z轴坐标值，并对各个图元构件的Z轴坐标值按照从大到小进行排序获得楼层高序列[z1,z2,z3，…，zn]；再获取待定位图元构件中各个顶点位置处的Z轴坐标值集合A＝{a1,a2,a3，…，an}，若集合A中的任意元素ai均满足zj≤ai≤zj+1，则待定位图元构件属于第j楼层。
8.根据权利要求3所述的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，在针对建筑室内风速模拟的建筑信息提取时，需要建筑屋顶、天井顶面、楼层外墙、楼层地面、天花板、天井外墙、天井地面、进风窗口以及出风窗口作为性能模拟的参数输入；建筑屋顶、天井顶面以及天井地面根据对应的图元构件图层筛选获得；楼层外墙、楼层地面以及天井外墙首先通过图元构件图层筛选获得，顶层的天花板通过复制建筑屋顶获得，其他楼层的天花板通过复制上一楼层的楼层地面获得，再根据建筑室内风速模拟的建模要求对获得的楼层外墙、楼层地面、天花板以及天井外墙进行重新创建作为性能模拟的参数输入；进风窗口和出风窗口是根据天气文件中的风向信息来对窗构件筛选获得。
9.根据权利要求8所述的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，在根据建筑室内风速模拟的建模要求对得的楼层外墙、楼层地面、天花板以及天井外墙进行重新创建时：对于顶层的楼层外墙，需要将获得的顶层的楼层外墙构件平面的下边缘上移楼板厚度一半的距离；对于中间楼层的楼层外墙，需要将获得的各个中间楼层的楼层外墙构件平面的下边缘上移楼板厚度一半的距离，同时需要将筛选获得的各个中间楼层的楼层外墙构件平面的上边缘下移楼板厚度一半的距离；对于底层的楼层外墙，需要将筛选获得的底层的楼层外墙构件平面的上边缘下移楼板厚度一半的距离；对于底层的楼层地面，直接采用筛选获得的底层的楼层地面构件平面；对于非底层的楼层地面，需要将筛选出的各个非底层的楼层地面构件平面整体上移楼板厚度一半的距离获得；对于顶层的天花板，直接采用筛选获得的顶层的建筑屋顶构件平面；对于非顶层的天花板，需要将筛选出的各个楼层地面构件平面整体下移楼板厚度一半的距离作为下一楼层的天花板；对于天井外墙，由筛选出的天井外墙构件平面以及楼层与楼层之间的天井外墙平面组合构成，楼层与楼层之间的天井外墙由按照建模要求调整后的天花板平面在天井处的边缘向上延伸至上一楼层的楼层地面平面在天井处的边缘创建获得。
10.根据权利要求8所述的针对建筑多环境性能指标模拟的参数化模型构建方法，其特征在于，对进风窗口和出风窗口根据天气文件对窗构件进行筛选获得：首先对天气文件全年的风向向量进行求平均得到二维平面的全年主导风向向量V；再对每一个窗构件获取其指向建筑外部的法向量Wi，再计算V到Wi顺时针方向夹角x；最后设定风向阈值a，若(180°-a)≤x≤(180°+a)，则该窗为进风窗口，若x≥(360°-a)或者x≤a，则该窗为出风窗口。
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