CN116432285B - 一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，分析拟建或现有建筑的建筑形态对微气候与舒适度的影响，能在建筑设计阶段和建筑改造阶段，基于局部微气候与舒适度优化，从建筑形态评价设计角度提供指导。相较于考虑建筑群空间布局对微气候与舒适度的影响，从更微观的角度剖析建筑对微气候与舒适度的影响关系，提出更具有实际应用意义的方法优化局部微气候与舒适度。本发明采用上述的一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，分析拟建或现有建筑的建筑形态对微气候与舒适度的影响，能在建筑设计阶段和建筑改造阶段，基于局部微气候与舒适度优化，从建筑形态评价设计角度提供指导。
Description
技术领域
本发明涉及建筑评价设计技术领域，尤其是涉及一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法。
背景技术
在全球气候变化的大背景下，地区局部微气候与人群舒适度受到越来越多的关注。快速的城市化导致了土地利用模式的深刻变化，这影响了区域尺度上的微气候和舒适度。建筑是建成环境的重要组成部分，在城市微气候调节中起着重要的作用，并显著影响人群舒适度。
目前众多研究探讨了影响微气候与舒适度的建成环境因素，包括建筑、土地利用、绿化、水体等。但在建筑对微气候与舒适度的影响研究中，大多只关注建筑的空间布局要素，指标包括街道峡谷高宽比(H/W)、建筑密度等，缺少对更多建筑形态属性的研究。由于城市建成环境已经客观存在，考虑建筑群空间布局对微气候与舒适度的影响，优化调整难度较大，在实际应用中局限性较大。如何从更微观的角度剖析建筑对微气候与舒适度的影响关系，提出更具有实际应用意义的方法优化局部微气候与舒适度，已成为该领域亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，分析拟建或现有建筑的建筑形态对微气候与舒适度的影响，能在建筑设计阶段和建筑改造阶段，基于局部微气候与舒适度优化，从建筑形态评价设计角度提供指导。
为实现上述目的，本发明提供了一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法,包括以下步骤：
步骤S1：基于具体现实研究区域，采用历史气象数据分析与实际气象指标观测相结合方法，获取研究区域气象数据；
步骤S2：获取研究区域建筑矢量数据，结合区域建筑形态特点，建立建筑模型，运用地理信息技术和建筑模型构建手段，开展建筑形态指标分析；
步骤S3：基于实际气候数据与研究区模型，运用微气候与舒适度数值模拟技术开展微气候与舒适度模拟，得出PMV和MRT舒适度评价指标；
步骤S4：建筑形态指标对微气候与舒适度的影响分析，得出建筑形态与微气候和舒适度之间的定量关系；
步骤S5：从建筑形态角度，基于建筑形态指标和关系分析，提出改善微气候与舒适度的建筑形态优化设计方法。
优选的，步骤S1具体包括：
气象数据主要包括当地空气温度、相对湿度、风速以及风向等；历史气象数据通过Rhino和Grosshopper处理CSWD(Chinese Standard Weather Data)典型气象文件(.epw)获得。实际气象指标观测运用温湿度检测仪和风向风速监测记录仪检测记录研究区温度、湿度、风速以及风向等，数据记录点间隔为1小时。
优选的，步骤S2具体为：
根据实际需求选取研究区域，运用BIGEMAP软件获取研究区域建筑矢量数据，结合地理信息技术(ArcGIS)和模型构建软件(Rhino、Sketchup)进行三维模型构建。
根据建筑形态学以及微气候与舒适度相关研究，选取三维形状指数(3DSI)、三维分形尺寸(3Df)、形状系数(SC)、加权平均高度(WAH)和建筑表面覆盖率(BSCR)等建筑形态指标，并运用地理信息技术，在研究区域模型构建的基础上进行指标量化。
以下为所选取的各建筑形态指标的计算公式：
①三维形状指数建筑表面积除以最大紧凑球体的最小表面积：
式中，Sbuilding为网格上的建筑物表面；Ssphere为等效体积球体表面；BSi为建筑投影面积；n为建筑数量；BHi为建筑高度；Li为建筑屋顶周长；v为网格上的建筑物体积；
②三维分形尺寸城市紧凑型形态的测量：
logN(r)＝-Dlogr+c (2)
式中，N(r)代表非空箱数量；r代表比例；D代表3D分形维数；c代表常数；
③形状系数建筑外表面与内体积之比：
式中，Se代表建筑总外表面；V代表建筑总体积；
④加权平均高度建筑高度集中趋势的测量：
式中，Ai和hi代表占地面积和建筑高度i；
⑤建筑表面覆盖率建筑的外表皮表面积与地面表面积之比：
式中，Se代表建筑总外表面；S代表研究区域面积；
⑥天空视域因子表面形态开放性的定量描述。
优选的，步骤S3具体方法如下：
步骤S31：运用ENVI-met开展数值模拟，剖析建筑形态—微气候与舒适度之间的关系；
步骤S32：在ENVI-met软件中完成建模、参数设置、运算和结果分析，得到研究区域空气温度、相对湿度以及风向风速的分布；
步骤S33：结合MRT(平均辐射温度)客观舒适度指标来综合评价人群热舒适度；
步骤S34：通过输入微气候模拟结果，使用ENVI-met中的“BIO-met”模块计算PMV和MRT。
优选的，步骤S4具体如下：
采用线性回归方法检测建筑形态指标与微气候和舒适度模拟数据之间的关系，确定建筑形态指标与空气温度、相对湿度、风速和舒适度(PMV和MRT)的定量关系，并以此评价区域微气候与舒适度，关系式为：
T＝f1(3DF,SC,3DSI,WAH,SVF,BSCR) (6)
U＝f2(3DF,SC,3DSI,WAH,SVF,BSCR) (7)
V＝f3(3DF,SC,3DSI,WAH,SVF,BSCR) (8)
其中，T为空气温度，T0为模型初始温度，U为相对湿度，V为风速，V0为初始风速，a,b,c,d,x,y为权重系数，a,b,c,d和为1，x,y和为1。
优选的，步骤S5具体为：
基于步骤S4评价计算方法，根据建筑形态与评价指标之间的关系，通过调整研究区域建筑，改变建筑形态指标，综合评价计算指标的变化，计算得出最小结果Q即为最优结果；
从建筑形态角度，基于指标和关系分析，提出改善微气候与舒适度的建筑形态优化设计方法。
优选的，步骤S3中的微气候包括空气温度、相对湿度、太阳辐射、黑球温度以及风速。
因此，本发明采用上述的一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，具有以下有益效果：
(1)分析拟建或现有建筑的建筑形态对微气候与舒适度的影响，能在建筑设计阶段和建筑改造阶段，基于局部微气候与舒适度优化，从建筑形态评价设计角度提供指导；
(2)相较于考虑建筑群空间布局对微气候与舒适度的影响，从更微观的角度剖析建筑对微气候与舒适度的影响关系，提出更具有实际应用意义的方法优化局部微气候与舒适度。本发明的更具有实际应用意义，适用范围更广，在建成环境客观存在较难大规模改变的前提下，也能发挥相当优良的技术效果。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法的整体流程图；
图2为建筑形态指标计算与数值模拟三维模型；
图3为基于ENVI-met和BIO-met的微气候与舒适度模拟步骤。
具体实施方式
实施例
如图1，一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，包括以下步骤：
步骤一：基于具体现实研究区域，采用历史气象数据分析与实际气象指标观测相结合方法，获取研究区域气象数据，数据主要包括当地空气温度、相对湿度、风速以及风向等。历史气象数据通过Rhino和Grosshopper处理CSWD(Chinese Standard Weather Data)典型气象文件(.epw)获得。实际气象指标观测运用温湿度检测仪和风向风速监测记录仪检测记录研究区温度、湿度、风速以及风向等，数据记录点间隔为1小时。
步骤二：根据实际需求选取研究区域，运用BIGEMAP软件获取研究区域建筑矢量数据，结合地理信息技术(ArcGIS)和模型构建软件(Rhino、Sketchup)进行三维模型构建，如图2。根据建筑形态学以及微气候与舒适度相关研究，选取三维形状指数(3DSI)、三维分形尺寸(3Df)、形状系数(SC)、加权平均高度(WAH)和建筑表面覆盖率(BSCR)等建筑形态指标，并运用地理信息技术，在研究区域模型构建的基础上进行指标量化。
①三维形状指数(3DSI)建筑表面积除以最大紧凑球体的最小表面积：
式中，Sbuilding：网格上的建筑物表面；Ssphere：等效体积球体表面；BSi：建筑投影面积；n：建筑数量；BHi：建筑高度；Li：建筑屋顶周长；v：网格上的建筑物体积。
②三维分形尺寸(3Df)城市紧凑型形态的测量：
logN(r)＝-Dlogr+c (2)
式中，N(r)：非空箱数量；r：比例；D：3D分形维数；c：常数。
③形状系数(SC)建筑外表面与内体积之比：
式中，Se：建筑总外表面；V：建筑总体积。
④加权平均高度(WAH)建筑高度集中趋势的测量：
式中，Ai和hi：占地面积和建筑高度i。
⑤建筑表面覆盖率(BSCR)建筑的外表皮表面积与地面表面积之比：
式中，Se：建筑总外表面；S：研究区域面积。
⑥天空视域因子(SVF)表面形态开放性的定量描述。
步骤三：本发明主要运用ENVI-met开展数值模拟，剖析建筑形态—微气候与舒适度之间的关系。ENVI-met的典型空间分辨率为0.5-10m。如图3，在ENVI-met软件中完成建模、参数设置、运算和结果分析，得到研究区域空气温度、相对湿度以及风向风速的分布。
PMV为预测评价指标可以大致判定一个环境的热舒适度，但是每个人都会存在一定的个体差异性，因此PMV指标并不能代表所有人热舒适感觉。MRT是人体从周围表面和自由大气吸收的所有短波和长波辐射通量的总和，其值受空气温度、风速和地表温度等客观因素影响。为此，本发明结合MRT(平均辐射温度)客观舒适度指标来综合评价人群热舒适度。本发明通过输入微气候模拟结果，使用ENVI-met中的“BIO-met”模块计算了PMV和MRT。
PMV的范围通常在-4(非常冷)和+4(非常热)之间，见表1。
表1PMV热舒适度划分
步骤四：本发明采用线性回归方法来检测建筑形态指标与微气候和舒适度模拟数据之间的关系，确定建筑形态指标与空气温度、相对湿度、风速和舒适度(PMV和MRT)的定量关系，并以此评价区域微气候与舒适度，关系式为：
T＝f1(3DF,SC,3DSI,WAH,SVF,BSCR) (6)
U＝f2(3DF,SC,3DSI,WAH,SVF,BSCR) (7)
V＝f3(3DF,SC,3DSI,WAH,SVF,BSCR) (8)
其中，T为空气温度，T0为模型初始温度，U为相对湿度，V为风速，V0为初始风速，a,b,c,d,x,y为权重系数，a,b,c,d和为1，x,y和为1，它们的具体数值大小根据重要性来确定。
步骤五：基于步骤四评价计算方法，根据建筑形态与评价指标之间的关系，通过调整研究区域建筑，改变建筑形态指标，综合评价计算指标随之变化，计算得出最小结果Q即为最优结果。从建筑形态角度，基于指标和关系分析，提出改善微气候与舒适度的建筑形态优化设计方法。
因此，本发明采用上述一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，分析拟建或现有建筑的建筑形态对微气候与舒适度的影响，能在建筑设计阶段和建筑改造阶段，基于局部微气候与舒适度优化，从建筑形态评价设计角度提供指导。
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进行限制，尽管参照较佳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：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S1：基于具体现实研究区域，采用历史气象数据分析与实际气象指标观测相结合方法，获取研究区域气象数据；
步骤S2：获取研究区域建筑矢量数据，结合区域建筑形态特点，建立建筑模型，运用地理信息技术和建筑模型构建手段，开展建筑形态指标分析；
具体为：
(1)根据实际需求选取研究区域，运用BIGEMAP软件获取研究区域建筑矢量数据，结合地理信息技术和模型构建软件进行三维模型构建；
(2)根据建筑形态学以及微气候与舒适度相关研究，选取三维形状指数、三维分形尺寸、形状系数、加权平均高度和建筑表面覆盖率建筑形态指标，并运用地理信息技术，在研究区域模型构建的基础上进行指标量化；
以下为所选取的各建筑形态指标的计算公式：
①三维形状指数建筑表面积除以最大紧凑球体的最小表面积：
式中，Sbuilding为网格上的建筑物表面；Ssphere为等效体积球体表面；BSi为建筑投影面积；n为建筑数量；BHi为建筑高度；Li为建筑屋顶周长；v为网格上的建筑物体积；
②三维分形尺寸城市紧凑型形态的测量：
logN(r)＝-Dlogr+c (2)
式中，N(r)代表非空箱数量；r代表比例；D代表3D分形维数；c代表常数；
③形状系数建筑外表面与内体积之比：
式中，Se代表建筑总外表面；V代表建筑总体积；
④加权平均高度建筑高度集中趋势的测量：
式中，Ai和hi代表占地面积和建筑高度i；
⑤建筑表面覆盖率建筑的外表皮表面积与地面表面积之比：
式中，Se代表建筑总外表面；S代表研究区域面积；
⑥天空视域因子表面形态开放性的定量描述；
步骤S3：基于实际气候数据与研究区模型，运用微气候与舒适度数值模拟技术开展微气候与舒适度模拟，得出PMV和MRT舒适度评价指标；
步骤S4：建筑形态指标对微气候与舒适度的影响分析，得出建筑形态与微气候和舒适度之间的定量关系；
步骤S5：从建筑形态角度，基于建筑形态指标和关系分析，提出改善微气候与舒适度的建筑形态优化设计方法。
2.根据权利要求1所述的一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，其特征在于，步骤S1具体包括：
历史气象数据通过Rhino和Grosshopper处理CSWD典型气象文件获得，实际气象指标观测运用温湿度检测仪和风向风速监测记录仪检测记录研究区温度、湿度、风速以及风向。
3.根据权利要求1所述的一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，其特征在于，步骤S3具体如下：
步骤S31：运用ENVI-met开展数值模拟，剖析建筑形态—微气候与舒适度之间的关系；
步骤S32：在ENVI-met软件中完成建模、参数设置、运算和结果分析，得到研究区域空气温度、相对湿度以及风向风速的分布；
步骤S33：结合MRT客观舒适度指标来综合评价人群热舒适度；
步骤S34：输入微气候模拟结果，使用ENVI-met中的“BIO-met”模块计算PMV和MRT。
4.根据权利要求1所述的一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，其特征在于，步骤S4具体如下：
采用线性回归方法检测建筑形态指标与微气候和舒适度模拟数据之间的关系，确定建筑形态指标与空气温度、相对湿度、风速和舒适度的定量关系，关系式为：
T＝f1(3DF,SC,3DSI,WAH,SVF,BSCR) (6)
U＝f2(3DF,SC,3DSI,WAH,SVF,BSCR) (7)
V＝f3(3DF,SC,3DSI,WAH,SVF,BSCR) (8)
其中，T为空气温度，T0为模型初始温度，U为相对湿度，V为风速，V0为初始风速，a,b,c,d,x,y为权重系数，a,b,c,d和为1，x,y和为1。
5.根据权利要求4所述的一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，其特征在于，步骤S5具体为：
基于步骤S4评价计算方法，根据建筑形态与评价指标之间的关系，通过调整研究区域建筑，改变建筑形态指标，综合评价计算指标的变化，计算得出最小结果Q；
从建筑形态角度，基于指标和关系分析，提出改善微气候与舒适度的建筑形态优化设计方法。
6.根据权利要求1所述的一种局部微气候与舒适度优化的建筑形态评价方法，其特征在于：步骤S3中的微气候包括空气温度、相对湿度、太阳辐射、黑球温度以及风速。
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Non-Patent Citations (1)
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|---|
| 城市景观三维扩展及其大气环境效应综述;宫继萍;胡远满;刘淼;常禹;布仁仓;熊在平;李春林;;生态学杂志(02);全文 * |
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