CN103778286B - 一种风压图可视化的建筑设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种风压图可视化的建筑设计方法，对于优化建筑设计，建设节能环保型校园有显著的指导作用。风速和风向不可预测，但是通过一些科学的手段，技术的更新，可以使其跃然于眼前观察研究。而通过一些计算机的智能操作，就可以得出风压在不同高度的压力云图，以此来得出风压图可视化的建筑设计方法。通过这些得到的压力云图，可以直观的观察其分布情况，是一种非常好的风压图可视化的建筑设计方法。本文以我国南方地区的一所中学为例，通过探究其校区改造后的风环境情况，对改造方案做出评价。以此来对风压进行最大限度得调查和研究，更好的了解风压在建筑设计中的重要作用，以便捷于建筑设计，推进人类与自然的和谐共处。

Description

一种风压图可视化的建筑设计方法

技术领域

本发明涉及计算机技术应用领域，具体涉及一种风压图可视化的建筑设计方法，可以轻松准确的观察建筑内部的风压图分布，从而找出使其稳定性的控制方法。风对建筑物的影响分为两方面考虑：对于有建筑物壁面的湍流流动，可将流动划分为核心区和近壁区。核心区的流动为完全湍流区，而在近壁面区湍流变化剧烈，流体流动受壁面流动条件的影响明显，可再分为粘性底层、过渡层和对数律层。k-ε模型和RSM模型都是高雷诺数模型，适用于核心区的风速模拟；壁面函数法和低Reynolds数k-ε模型法，适用于近壁区的风速模拟。

背景技术

当前的自然通风的研究着重于采用传统的经验进行自然通风的设计，大部分都是定性的设计，缺少节能方面定量的分析结果。当前使用定量分析的有风洞试验和计算流动动力学（CFD）两种方式，随着计算机技术的发展，CFD以其廉价、便利的方式得到越来越广泛的应用。风压图可视化的建筑设计方法可以准确地模拟通风***的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题。空气速度可视化的设计方法的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本。虽然风速和风向不可预测，但是自然通风是调节室内小气候优先使用的方法。而通过一些计算机的智能操作，就可以得出风压图在不同高度的分布图，以此来得出风压图可视化的建筑设计方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种风压图可视化的建筑设计方法；

本发明的另一目的是提供一种快速有效的了解自然环境产生的风压在不同高度的情况；

本发明的另一目的是提供一种能够利用计算机信息技术来观察自然环境产生的风压的方法。

一种风压图可视化的建筑设计方法，该方法包括以下步骤：

1、将整个建筑物视为一个大的空间网格，所述大的空间网格的内部由无数个相同的小空间网格组成，小空间网格的大小根据计算精度来确定，每个小空间网格对应一个房间，且还可进行另外的空间重组；

2、确立分析计算时所需要的一切风信息和环境信息，将这些信息输入计算机中进行风环境及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的风压图分布数据；

3、在采光模拟软件平台上，利用插件导入风环境以及湿度环境模拟所得出的压力云图分布数据进行二层模拟；

4、再根据已获知的数据信息对每一个建筑空间网格进行计算，所求得的数据就作为将来房间布局的参考；

5、在计算机中进行房间数量和属性的设置，那么空间布局中的风压图分布情况就可以被肉眼观察和研究了；

6、最后根据要求，对建筑进行功能布置的分析，在分析中将属性相同的功能区尽可能的集中于一体；

7、通过计算机技术的应用，可视化方法的使用，使风压图分布变成图像显示，可直观的观察风压在不同高度的分布，便于我们调查、研究。

所述的建筑信息包括建筑材料和结构；所述的环境信息包括太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度、周边的风压和周边的风向。

通常情况下风压是看不见、摸不着的，所以无法通过人为来改变它。而通过一些计算机的智能操作，就可以得出风压图在不同高度的分布图，以此来得出风压图可视化的建筑设计方法。

有益效果

具体地说，本发明的优点如下：图1是模拟冬季建筑表面和地面风压图，从图中可以看出，建筑群的迎风面主要为正压区，侧面也会有正压区出现，而建筑的背风面基本上都是负压区。图2、3分别是夏季和冬季5米和15米高度校园建筑群周边的压力云图，其模拟结果与图1一致，随着高度的上升，建筑物对风压的影响越小，建筑正背面的压差逐渐降低，通风性有所下降。但是总体上教学区通风顺畅，有利于教室空气流通。夏季，由于校园南部的教学楼体积较小，几乎不会对中心广场北侧的一排教学楼进行遮挡，保证了中心广场和教学楼的通风，为学生的学习和室外活动营造了良好的条件。而冬季，由于中心广场北侧的教学楼群呈“L”型，因此阻挡了寒冷的东北风，使得中心广场和南侧教学楼处于风影区，有利于建筑节能和学生户外活动。

附图说明

图1为冬季建筑物及地面承受的风压图；

图2为夏季5米和15米的压力云图；

图3为冬季5米和15米的压力云图；

图4为风压图可视化实施步骤示意图；

图5为风压图可视化的建筑设计方法的过程示意图；

图6为标准层户型风压图；

图7为建筑不同平面高度的风压系数及风压值示意图；

图8为CFD的方法预测风压的步骤示意图。

图中标号：1.风压图，2.建筑墙体。

具体实施方式

风压图可视化的建筑设计方法确实有利于校园风环境的改善和舒适度的提高。建筑的生态节能改造就充分利用风压图可视化的建筑设计方法。风压图可视化的建筑设计方法，对于优化建筑设计，建设节能环保型校园有显著的指导作用。

风压就是垂直于气流方向的平面所受到的风的压力。根据伯努利方程得出风-压关系，风的动压为

wp=0.5*p*v2 （1）

其中wp为风压[kN/m2],p为空气密度[kg/m3],v为风速[m/s].

通过一系列换算可以得出常规粗略计算方法。

风压公式为：

普遍应用的风压关系公式

为了求得W与V的关系，设气流每点的物理量不变，略去微小的位势差影响，取流线中任一小段dl，设W₁为作用于小段左端的压力，则作用小段右端近高压气幕的压力为W₁+dW₁。

以顺流向的压力为正，作用于小段dl上的合力为：

W₁dA-（W₁+dW₁）dA=-dW₁dA 它等于小段dl

-dW₁dA=Ma(x)=pdAdl

∴-dW₁=pdl

式中p为空气质量密度，它等于，y为空气重力密度（容量）。g为重力加速度

∵dl=v(x)dt

代入上式得：dW₁=-pv(x)dv(x)

∴W₁=pv²(x)+c

式中c为常数，这个方程式为伯努利方程。可以看出，气流在运动过程中，它的压力随流速变化而变化，流速加快，则压力减少；流速减缓，则压力增大。这就是伯努利方程的一个特性。

当v(x)=0, W₁=W_常数代入上式得：

C-W_m

当v(x)=v，W₁=W₂，则上式变成;

W_b=-pv²+W_m

∴W= W_m- W_b=pv²= v²

如说明书附图所示，通过风压图可视化的建筑设计方法，可以准确无误的观察风压图在不同的高度的改变情况。经过考虑周边环境，便捷于设计建筑。

可以轻松使风压图得到可视化的设计方法。此外也可以根据需要确定建筑功能的布置，将建筑所需要的功能空间进行合理利用。此专利技术的实现先要融合三种技术***来实现，第一是建筑受光分析***，这是一种能够通过太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度，来判断建筑受光情况；第二种是周边风压和风向对建筑的散热情况，如冬季的北方会加速建筑温度的流失；第三种是计算机的智能化分析，就是根据前面两步得到的风压图的数据，来妥善将同一属性的功能空间进行集中，这个属性的设置可以以采光为重点考虑，也可以由风压图情况来重点考虑。有了这三种技术，通过一个软件平台进行融合，就可以计算出所需要的建筑体量关系。借此在这个体量关系上做到进一步的节能设计，本专利致力于发展可持续发展战略进入建筑领域的必要技术。作为体量计算必不可少的环节，计算机的运用是通过精确的公式换算，编入本发明需要的验收标准。

将整个建筑物视为一个大的空间网格，所述大的空间网格的内部由无数个相同的小空间网格组成，小空间网格的大小根据计算精度来确定，每个小空间网格对应一个房间，且还可进行另外的空间重组；确立分析计算时所需要的一切风信息和环境信息，将这些信息输入计算机中进行风环境及湿度环境的模拟，得出整个建筑物的风压图数据；在采光模拟软件平台上，利用插件导入风环境以及湿度环境模拟所得出的风压图分布数据进行二层模拟；再根据已获知的数据信息对每一个建筑空间网格进行计算，所求得的数据就作为将来房间布局的参考；在计算机中进行房间数量和属性的设置，那么空间布局中的风压图分布情况就可以被肉眼观察和研究了；最后根据要求，对建筑进行功能布置的分析，在分析中将属性相同的功能区尽可能的集中于一体。所述的建筑信息包括建筑材料和结构；所述的环境信息包括太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度、周边的风压和周边的风向。

本专利所要解决的关键问题是如何同时引用采光数据和受气压影响的温度数据。就当前的分析软件，模拟采光和模拟流体环境的软件是分离的，然而在本专利的分析中，采光软件所要分析的主要是建筑受采光以及阳光热辐射对建筑温度的影响，而风压图可视化的建筑设计方法就是用来观察风压图分布的情况，而这个风压图可视化的方法主要是以风压图分布为主要数据的，从这里可以得出，其实我们所共同需要运用到的是风压图分布的数据。这样就可以以采光软件为基础平台，在此基础上布设插件，它可以自动将建筑环境模拟过的风压图在不同高度的分布数据放进来进行第二层模拟，就找到了两者的兼容方法。

此外，智能化分析方式也是本专利需要解决的问题，这里所需要解决的数据问题其实是建立在已经得出的完整风压图分布数据基础上。有了这个风压图在不同高度的分布数据，抓住了这两点就可以快速的实现智能分析，把方案展现在设计师的面前。

本专利的优势：

1.可以轻松使观察建筑内的风压图分布。

2.建筑内部的风压图通过计算机技术的运用实现了可视化的操作。

3.将建筑内部的风压图达到最科学合理的分析，建筑内部的功能空间都被合理的利用。

4.此设计方法的大力推行，将对于优化建筑设计，建设节能环保型校园有显著的指导作用。

具体实施步骤：确立所需要的一切风信息和环境信息，将这些信息输入计算机进行风环境及湿度环境的模拟，得出风压分布信息。在采光模拟软件平台上，利用插件导入风环境模拟的风压图在不同高度的分布数据进行二层模拟。根据已获知的数据信息对每一个建筑空间网格进行计算，这些数据就作为将来房间布局的参考。在计算机中进行房间数量和属性的设置，根据要求对建筑进行功能布置的分析，在智能分析中会属性相同的的功能区尽可能的集中于一体。

得出合理的建筑风压图的数据，为建筑师确立方案提供依据。本发明要解决的问题是对于各种功能房间的数据参数和属性要求的优先选取，在真实布局时，可能会存在两种环境的矛盾，一面要求用于准确的数据，一面要求损耗小，通风舒畅，当两种要求不能同事具备时，就要选取一个优先条件。然后根据喜好可以编辑优先选择顺序，重新进行运算选取。

二次计算是本专利的创新之处，成功运用了风压图可视化的建筑设计方法提供的数据信息，模拟施加在建筑表面的风压和降温参数，以这些参数为参考再对室内进行二次计算，最后得出一套自动的建筑方案，大大提高了建筑设计节能的智能化程度。

当前的自然通风的研究着重于采用传统的经验进行自然通风的设计，大部分都是定性的设计，缺少节能方面定量的分析结果。当前使用定量分析的有风洞试验和计算流动动力学（CFD）两种方式，随着计算机技术的发展，CFD以其廉价、便利的方式得到越来越广泛的应用。风压图可视化的建筑设计方法可以准确地模拟通风***的空气流动、空气品质、传热、污染和舒适度等问题。风压图可视化的建筑设计方法的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的一个可行性实施例的具体说明，但是该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施例或变更，例如，等变化的等效性实施例，均应包含于本案的专利范围之内。

风压图可视化的建筑设计方法确实有利于校园风环境的改善和舒适度的提高。建筑的生态节能改造就充分利用风压图可视化的建筑设计方法。风压图可视化的建筑设计方法，对于优化建筑设计，建设节能环保型校园有显著的指导作用。

环境中风的状况直接影响着人们的生活，而风环境状况不仅仅与当地气候有关，还与建筑物的布局、朝向、密度、高度等因素有关。学校作为一个学生聚集的场所，其风环境的舒适与否直接影响着学生的日常学习和户外运动。本文使用CFD软件，对建筑进行的风环境模拟，并分析了在不同高度下风压图的动态变化情况，得出以下结论：

（1）案例中主要通道的风速均低于4.7m/s，满足行人室外活动的舒适度要求；

（2）建筑物周围没有产生明显的不利于污染物扩散的涡旋，保障了校园的空气品质；

（3）建筑的迎风面和背风面存在一定的压差，有利于建筑自然通风和建筑节能；

由此可见，新的规划布局确实在一定程度上改善了校园的风环境，提高了人的舒适度，具有一定的合理性。在以后的设计中我们可以利用风压图可视化的建筑设计方法以优化设计，使其达到理想的功效。通过此方法的大力使用及推广，可以使设计更加便捷，创造出更加符合人体工程学的设计。风压图可视化的建筑设计方法的使用能够提高设计手段、减少设计风险、降低成本。风压图可视化的建筑设计方法，对于优化建筑设计，建设节能环保型校园有显著的指导作用。

Claims (2)

1.一种风压图可视化的建筑设计方法，其特征在于具体步骤如下：

(1)、将所测建筑物视为一个大的空间网格，所述大的空间网格的内部由无数个相同的小空间网格组成，小空间网格的大小根据计算精度来确定，每个小空间网格对应一个房间，或将若干个小空间网格根据需要进行空间重组；

(2)、确立分析计算时所需要的建筑信息和环境信息，将所述建筑信息和环境信息输入计算机中进行风环境及湿度环境的模拟，得出整个空间的风压图分布数据；

风-压关系根据伯努利方程得出，风的动压为

wp＝0.5·ρ·v² (1)

其中wp为风压，kN/m²，ρ为空气质量密度，kg/m³,v为风速，m/s；

通过换算得出用风速估计风压的公式为：

p＝v·v/1600，kpa或p＝v·v/1.6,pa (2)

为求得风压w与风速v的关系，设气流每点的物理量不变，略去微小的位势差影响，取流线中任一小段dl，设w₁为作用于小段左端的压力，则作用小段右端近高压气幕的压力为w₁+dw₁；

以顺流向的压力为正，作用于小段dl上的合力为：

w₁dA-(w₁+dw₁)dA＝-dw₁dA (3)

作用于小段dl的合力应等于小段的气流质量M与顺流向加速度a(x)的乘积；

$-{\mathrm{dw}}_{1}dA=Ma\left(x\right)=\mathrm{\ρ}dAdl\frac{dv\left(x\right)}{dt}---\left(4\right)$

$\stackrel{\·}{\·\·}-{\mathrm{dw}}_1=\mathrm{\ρ}dl\frac{dv\left(x\right)}{dt}---\left(5\right)$

式中ρ为空气质量密度，它等于γ为空气单位体积的重力；g为重力加速度；

∵ dl＝v(x)dt (6)

代入上式得：dw₁＝-ρv(x)dv(x) (7)

$\∴w_1=-\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^2\left(x\right)+c---\left(8\right)$

式中c为常数，根据伯努利方程，气流在运动过程中，它的压力随流速变化而变化，流速加快，则压力减少；流速减缓，则压力增大；

当v(x)＝0,则w₁＝w_m，代入上式得：

c＝w_m (9)

当风速v(x)＝v，w₁＝w_b，则式(8)变成：

$w_b=w_m=-\frac{1}{2}{\mathrm{\ρv}}^2---\left(10\right)$

$\∴w=w_m-w_b=\frac{1}{2}\mathrm{\ρ}{v}^2=\frac{1}{2}\frac{\mathrm{\γ}}{g}{v}^2---\left(11\right)$

(3)、在采光模拟软件平台上，利用插件导入步骤(2)所得和风环境以及湿度环境模拟所得出的压力云图分布数据进行二层模拟；

(4)、再根据步骤(3)所获得的数据信息对每一个小空间网格进行计算，所求得的数据就作为将来建筑风压图的参考；

(5)、在计算机中软件进行房间数量和属性的设置，通过软件分析模拟，得出风压模拟数值，那么空间布局中的风压图在不同高度分布情况就可以被肉眼观察和研究了；

(6)、最后根据要求，对建筑进行功能布置的分析，在分析中将属性相同的功能区尽可能的集中于一体；

(7)、通过计算机技术的应用，可视化方法的使用，使风压图分布变成图像显示，可直观的观察风压在不同高度的分布，便于我们调查、研究。

2.根据权利要求1中的一种风压图可视化的建筑设计方法，其特征在于：所述的建筑信息包括建筑材料和结构；所述的环境信息包括太阳辐射对建筑表面形成的太阳辐射程度、周边的风压和周边的风向。