CN113591180A - 采光遮阳设施生成方法、装置、电子设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采光遮阳设施生成方法、装置、电子设备及存储介质，该方法包括：构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。本发明提供的采光遮阳设施生成方法、装置、电子设备及存储介质，通过选取合适的、考虑到建筑空间内时空均匀性的评价指标，并通过模拟计算得到在该评价指标下最优的构建参数，能够高效地生成时空均匀的采光遮阳设施。
Description
技术领域
本发明涉及采光照明和家具设计技术领域，尤其涉及一种采光遮阳设施生成方法、装置、电子设备及存储介质。
背景技术
照明用电占整个是建筑能耗的一个重要部分，而自然采光在特定的情况下可以节省大量的照明用电，大大节约了能源。此外，相关研究还表明自然采光的工作照度水平对人体精神状态有着重要影响。人在自然光条件下，可以增加满意度和提高工作效率。利用自然光达到室内采光舒适度的要求，当前室内环境视觉舒适度控制的一个重要领域。
现有技术中有通过安装可反射自然光的百叶窗体系来实现采光，比如德国的Helmut Koster应用辐射计量法进行测量，从而设计出可反射的百叶窗体系“RETROlux”，可一定程度上提升采光均匀度，同时兼顾遮阳和视线遮挡问题。
然而，这类现有构件是基于人工计算得出的形式，并不是提升采光均匀度的最优解，而且由于天空光气候、各地纬度和太阳高度角等的不同，主要是各个时间光线角度的不同，定量的、精准的进行采光设计较难。采用动态采光模拟可以求解既定工况的全年采光特性，但想要得到最优解只能通过穷举法或大量的预设工况进行重复运算，工作量巨大。
发明内容
本发明的目的是提供一种采光遮阳设施生成方法、装置、电子设备及存储介质，用以解决现有技术中存在的问题。
第一方面，本发明提供一种采光遮阳设施生成方法，包括：
构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；
选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；
选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。
进一步地，所述评价指标包括所有预设的模拟点同时达到合适照度的一整年内的有效采光百分比。
进一步地，所述预设的模拟点在所述建筑空间模型内具有代表性的进深方向上。
进一步地，所述评价指标根据与所述建筑空间模型对应的照明设计标准来选取。
进一步地，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值包括：
对在预设范围内所述构件参数的所有组合进行模拟计算，统计其在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值。
进一步地，所述采光遮阳设施为百叶窗，所述构件参数包括叶片数量、叶片宽度、叶片旋转角度以及叶片曲率。
进一步地，对于所述叶片曲率，设定两个控制点，每个所述控制点在预设范围内上下左右移动，从而改变所述叶片曲率。
第二方面，本发明提供一种采光遮阳设施生成装置，包括：
模型构建模块，用于构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；
指标选取模块，用于选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；
设施生成模块，用于选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。
第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现根据第一方面所述采光遮阳设施生成方法的步骤。
第四方面，本发明提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现根据第一方面所述采光遮阳设施生成方法的步骤。
由上面技术方案可知，本发明提供的采光遮阳设施生成方法、装置、电子设备及存储介质，通过选取合适的、考虑到建筑空间内时空均匀性的评价指标，并通过模拟计算得到在该评价指标下最优的构建参数，能够高效地生成时空均匀的采光遮阳设施。
附图说明
图1是根据本发明实施例的采光遮阳设施生成方法的流程图；
图2是根据本发明实施例的典型教室的平面和剖面的示意图；
图3是根据本发明实施例的示出典型教室的平面中7个模拟点的示意图；
图4是根据本发明实施例的选取反光构件参数进行参数化模拟的模拟流程图；
图5是根据本发明实施例的叶片曲率的两个曲率控制点变化范围图；
图6是根据本发明实施例的生成的最优解的百叶窗叶片节点图；
图7是根据本发明实施例的生成的最优解的百叶窗整体样式图；
图8是根据本发明实施例的采光遮阳设施生成装置的结构示意图；
图9是根据本发明实施例的电子设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明尝试通过遗传算法，设定一种可自动循环的、求解最优状态的动态采光参数化模拟流程，开展以典型教室空间为例，侧窗采光构件的最优解的模拟研究，以UDI评价指标为基本的评价指标求得最优解，能够实现该典型教室下侧窗采光时空均匀的窗口构件形态最优解，最终得到关于制作最优构件的制作方法。
本发明根据采光评价指标体系，使用计算机模拟的方式生成最优的采光遮阳设施的形状和安置位置，其中采光评价指标多种多样，只有找到适合的评价指标，才能具体的对比选择反光构件，恰当的提出优化策略。本发明提出了室内空间，特别是教室的采光均匀性的主要评价方法，比较既有动态采光指标的适用性，提出并验证时空均匀性为主导的评价指标体系；使用较为成熟的动态采光模拟手段Daysim(利用Radiance蒙特卡罗反向光线跟踪算法为内核)，在Grasshopper里三维建模，并且加入采光模拟模块Ladybug、Honeybee。然后利用Grasshopper里参数化组件进行计算，得出最优反光构件。
图1是根据本发明实施例的采光遮阳设施生成方法的流程图，参考图1，本发明实施例提供的采光遮阳设施生成方法包括：
步骤110：构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；
步骤120：选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；
步骤130：选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。
在本发明实施例中，需要说明的是，本发明针对特定地区光环境要求较高场所，探索出侧窗反光构件的生成方法。本发明提供的采光遮阳设施生成方法的流程为：1.构建光环境要求较高的典型模型；2.使用光环境模拟软件，模拟典型模型里光环境情况；3.选取并改良光环境评价指标；4.选取反光构件参数进行参数化模拟。
1.构建光环境要求较高的典型模型。特定地区的典型模型建立为了找到适合该地区的侧窗反光构件，本发明以北京地区的对光环境要求较高的中小学南侧教室为例，依据《中小学校设计规范GB50099-2011》和实际建造情况，设计一个典型的朝南教室作为日光设计的基础案例：面积为64㎡，通高为3.1m，窗墙比为0.54。教室的布置如图2所示，室内材料的反射率如表1所示。窗户采用单扇双玻铝窗，6mm普通玻璃，透射率为53.5％。辐射模拟参数设置如下：ab＝3、aa＝0.25、ar＝16、ad＝512、as＝128。
表1教室内表面材料的反射率值
| 表面 | 反射率(％) |
| 教室前墙 | 0.5 |
| 教室其它部分墙 | 0.7 |
| 地板 | 0.2 |
| 百叶 | 0.86 |
| 黑板 | 0.1 |
2.使用光环境模拟软件，利用模拟软件模拟典型教室里光环境情况。本发明在Grasshopper for Rhino中调用连接Radiance和Daysim的Ladybug、Honeybee模拟平台。日光模拟是使用Radiance和Daysim进行的，与其它软件相比，该软件可为日光分析提供更准确的结果，在国际上得到广泛的使用。Radiance软件是采用蒙特卡洛算法优化的反向光线追踪引擎。Daysim软件是基于动态辐射的日光模拟工具，能够计算年度照度水平。
3.选取并改良光环境评价指标。采光优化设计过程中，选取准确的评价指标来评估日光性能至关重要。Nabil A等在2005年提出了一种动态日光性能指标：有效采光百分比(UDI)，低于100lx的日光照度被认为照度不足，高于2000lx的日光照度会导致视觉或热不适,当进深方向的测试点同时达到100～2000lx才会被判定为合适工况，UDI既规定了照度有效范围不能过高、过低，又能在进深方向达到总的采光工作面的均匀度，同时UDI是动态采光量，在全年范围内也能提供评价，所以本文选择UDI指标。我国的照明设计标准规定了教室的照度标准值300lx，为了更适合国内照明要求，取UDI的合适值为300～2000lx。UDI是每个点在合适值照度所占时间与所有工作时间的百分比，是一个范围值，因为该种工况过于复杂，难以计算，后续诸多研究只能将UDI简化为单点单数据(平均值)来看齐时间范围内是否合适，而不能将截面所有测试点同时处理。本发明中以某个代表性进深方向七个点(图3)同时达标的时间数量为依据，其中代表性的进深方向可以指在背向窗户的方向，数量越多说明可以完全利用天然光进行室内光环境塑造的时间越长。模拟过程中会得出大量的数据进行对比，为了避免大量的繁冗工作和有效的得到结果，本次模拟引入遗传算法这种优化算法，自动得出最优解即达标时间数量的最高值。
4.选取反光构件参数进行参数化模拟。针对侧窗设置反光构件，通过反光板将自然光导入到室内进深的天花板上，通过二次反射达到采光均匀和提高采光量的目的，相关研究表明反光板的宽度、数量、角度、旋转角度和曲率是影响其采光、反光性能的重要参数，所以我们将上述内容提取到参数化模拟软件中成为自变量(表2)，在一定预值范围内进行步径的变化，进行穷举的排列组合，验证其工况下最后采光结果的UDI达标时间占比是否为最高，达到最高即求出最优解(模拟流程如图4所示)。因变量为7个点在全年工作时间同时在300～2000lx的总小时数(表2)，在一个工况中，当系统自动设定完一组百叶窗参数组合之后需要进行3285组(365天*9个工作小时)的模拟计算，在所有基数当中UDI控制点均在300～2000lx范围内的情况下记1，统计这种情况下有多少小时，然后进行迭代，求出最高值为最优解。经过遗传算法组件算出得分最高情况下的构件称为最优构件。
表2关键数据
5.最优结果的形态：通过大约1000次的迭代，求得遗传算法下最优解时百叶窗构件参数为表3所示，样式为图6和图7。工作面上7个点都在区间的总数值为153，即在全年365*9的时长内有153个小时内完全达标。
表3最优解百叶参数
在侧窗处设置反光构件(如反光板、百叶遮光系统)，通过室内屋顶反射形成天然光的二次反射，能够增加房间深处的采光量，有效改善空间的采光质量，兼具遮阳功能，相比顶部采光和设置导光管等方式更具有普适性和经济性；相比普通的反光百叶窗更具有针对性和高效性，尤其是既有教室采光改造中直接有效的方式之一。
图8是根据本发明实施例的采光遮阳设施生成装置的结构示意图，参考图8，本发明实施例提供的采光遮阳设施生成装置包括：
模型构建模块810，用于构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；
指标选取模块820，用于选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；
设施生成模块830，用于选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。
由于本发明实施例提供的采光遮阳设施生成装置，可以用于执行上述实施例所述的采光遮阳设施生成方法，其工作原理和有益效果类似，故此处不再详述，具体内容可参见上述实施例的介绍。
在本实施例中，需要说明的是，本发明实施例的装置中的各个模块可以集成于一体，也可以分离部署。上述模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块。
图9示例了一种电子设备的实体结构示意图，如图9所示，该电子设备可以包括：处理器(processor)910、通信接口(Communications Interface)920、存储器(memory)930和通信总线940，其中，处理器910，通信接口920，存储器930通过通信总线940完成相互间的通信。处理器910可以调用存储器930中的逻辑指令，以执行采光遮阳设施生成方法，该方法包括构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。
此外，上述的存储器930中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法所提供的采光遮阳设施生成方法，该方法包括：构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。
又一方面，本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各提供的采光遮阳设施生成方法，该方法包括：构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种采光遮阳设施生成方法，其特征在于，包括：
构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；
选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；
选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。
2.根据权利要求1所述的采光遮阳设施生成方法，其特征在于，所述评价指标包括所有预设的模拟点同时达到合适照度的一整年内的有效采光百分比。
3.根据权利要求2所述的采光遮阳设施生成方法，其特征在于，所述预设的模拟点在所述建筑空间模型内具有代表性的进深方向上。
4.根据权利要求1至3任一项所述的采光遮阳设施生成方法，其特征在于，所述评价指标根据与所述建筑空间模型对应的照明设计标准来选取。
5.根据权利要求1所述的采光遮阳设施生成方法，其特征在于，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值包括：
对在预设范围内所述构件参数的所有组合进行模拟计算，统计其在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值。
6.根据权利要求5所述的采光遮阳设施生成方法，其特征在于，所述采光遮阳设施为百叶窗，所述构件参数包括叶片数量、叶片宽度、叶片旋转角度以及叶片曲率。
7.根据权利要求6所述的采光遮阳设施生成方法，其特征在于，对于所述叶片曲率，设定两个控制点，每个所述控制点在预设范围内上下左右移动，从而改变所述叶片曲率。
8.一种采光遮阳设施生成装置，其特征在于，包括：
模型构建模块，用于构建需要安装采光遮阳设施的建筑空间模型，并模拟所述建筑空间模型的自然光环境；
指标选取模块，用于选取以有效采光百分比作为单位的评价指标，所述评价指标包括预设的模拟点处的有效采光百分比；
设施生成模块，用于选取所述采光遮阳设施的构件参数，模拟计算在预设范围内所述构件参数在所述建筑空间模型和自然光环境下的评价指标数值，并使用遗传算法获得评价指标数值最高的构件参数。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现根据权利要求1至7任一项所述采光遮阳设施生成方法的步骤。
10.一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现根据权利要求1至7任一项所述采光遮阳设施生成方法的步骤。
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2021
- 2021-07-14 CN CN202110796252.XA patent/CN113591180A/zh active Pending
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