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非线性建筑屋面排水参数化模拟系统.rar

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    编号:20181101170525107    类型:共享资源    大小:102.91MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    非线性 建筑 屋面 排水 参数 模拟 系统
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    非线性建筑屋面排水参数化模拟系统孙一富,吕翰林内蒙古工业大学,华侨大学1259950721@qq.com,514248050@qq.com摘要:非线性建筑的造型流动飘逸,极具设计感,但与此同时起伏变幻的建筑表面如何进行雨水排放将成为难以解决的问题,如果屋面积水没有预先解决好,久而久之雨水和湿气就会侵入到建筑内部,损伤建筑结构。所以在设计过程中要不断的对建筑三维模型进行雨水分析以得到最优化的建筑造型。以此为出发点,我们设计了一套利用参数化软件进行雨水径流模拟和分析的方法,可以供建筑前期设计使用,后期我们将用更专业的流体力学软件进行细致准确的评估,从而确保异形建筑不会再遭受雨水的侵袭。关键词:雨水模拟;算法优化;参数化模型;实时模拟Nonlinear Parametric simulation of building roof drainage systemFirst author’s sun yifu,Second author’s lv hanlinChina Inner Mongolia University of Technology of the first author,China huaqiao University of the second authorAbstract. Nonlinear flow modeling elegant building, great design sense, but at the same ups and downs of changing how the building surface drainage will be difficult to solve the problem, if the roof water not previously resolved, over time it will rain and moisture intrusion the building interior, damage the building structure. So in the design process to keep the three-dimensional model of the building rainwater analyzed to obtain optimal architectural style. As a starting point, we have designed a set of parametric software use rainwater runoff simulation and analysis, preliminary design can be used for building use, the latter will carry out a more detailed and accurate assessment of professional fluid dynamics software, ensuring shaped building It will not be subjected to the invasion of rain.Keywords. Rain simulation;Optimization Algorithm;Parametric model;Real-time simulation一.概述1.研究背景非线性建筑造型起伏飘逸富有韵律感,给人带来艺术的享受,如图 1、2 所示;但是其不规则的建筑造型往往不能按照传统的排水方法进行设计,所面对的是没有可参照可借鉴的案例,所以在设计的时候只能摸着石头过河,如果工期紧急没有时间做大量的实验,最后建成的建筑很有可能会受到屋面漏水的威胁(参考案例:深圳宝安国际机场,其最吸引眼球的是屋顶的不规则设计,不过也正因为不同寻常的结构使得机场深受雨水渗漏的困扰,如图 3 所示)。图 1 蓬皮杜梅斯中心 图 2 内蒙古鄂尔多斯博物馆 图 3 深圳宝安国际机场2.研究目的非线性建筑起伏变换的造型容易受到雨水的侵袭,如果没有进行雨水的模拟实验,建筑会因积水而损伤构件和结构,对建筑的结构强度造成影响,因此需要有一个可以进行雨水流动实验的参数化模型系统对其进行模拟分析以解决建筑排水的问题。二.研究方法1.模拟软件的横向比较市场上常用的商业软件有:① Fluent( http://www.ansys.com/)该软件是目前国际上比较流行的商用 CFD 软件包,在美国的市场占有率为60%,凡是和流体、热传递和化学反应等有关的工业项目均可使用,如图 4所示。② Star-CCM+(http://www.cd-adapco.com/)该软件是由 CD-adapco Group 公司开发的新一代通用计算流体力学(CFD)分析软件,如图 5 所示。③ OpenFOAM 这是一个跟 Fluent CFX 类似的 CFD 软件,但其为开源的,可以看做是一个在 Linux 下运行的计算流体力学(CFD)类库。图 4 Fluent 软件界面 图 5 Star-CCM+软件界面以上这些软件都是以独立的软件形式存在的,使用的方法一般需要把预先建好的模型导入到软件中进行细致的参数调试才可以进行模拟,如果之前没有接触过这类软件则需要花费比较长的时间进行学习,然后才能完成工作,但其优势是数据模拟精度高,实际的可实施性强;这些软件可以在建筑形态基本确定后,进行高精度的优化模拟,而在方案的前期我们则需要一套可以快速输出运算结果的数据分析工具。2.软件平台选择在这里我们选用做曲面建筑较为常用的 Rhino 平台,运用该平台设计的建筑如图 6、7 所示,利用该平台下的参数化软件 Grasshopper 中的插件程序“Sonic”(一套用于模拟雨水流动的流体力学运算程序)进行端口配置后,就可以做到对建筑模型的实时雨水径流模拟,省去在不同的软件之间转换数据的时间,加快了工作效率;其效果生动直观,操作简便,运算速度快,在建筑方案的前期设计中能发挥非常重要的作用。图 6 阿塞拜疆 heydar aliyev 文化中心 图 7 开罗博览城3.程序的具体操作这套径流模拟运算模型的程序原理是:根据点生成向下投射的向量,如果受到屋面阻挡则会在其倾斜的表面产生径流曲线,如图 8 所示。整套程序由两个模型数据的输入端口和两个数据控制面板组成,由上自下依次需要接入的数据为:a.屋顶表面模型(surface)、b.代表雨水密度的点(point)c.降雨强度的赋值、d.降雨量的赋值,如图 9 所示。图 8:雨水径流示意图 图 9:雨水径流程序面板建筑师可以通过这个模型直观的发现设计的缺陷并及时对其修正,并且可以对降雨强度和降雨量进行数据输入,来模拟不同环境对建筑的影响,如图10、11、12 所示。图 10 大雨:降雨量为 30mm 图 11 大暴雨:降雨量为 100mm 图 12 特大暴雨:降雨量为210mm 从建筑屋顶的雨水分布平面图,我们可以清晰的看出线条密集颜色深的区域为汇水区域,所有的雨水都会沿着屋顶的斜坡集中到这里,所以这些地方在设计的时候就要加强雨水的疏导和排放,使雨水不会在这些地方长期聚集从而影响建筑的结构性能,如图 13、14 所示。图 13 建筑表面雨水流动模拟 图 14 建筑表面雨水流动状态4.实例操作我们以广州亚运城综合体育馆为例,其屋顶为非线性双曲面设计,非常具有代表性,我们将以这座建筑为例,来探讨如何进行屋面优化和解决排水的具体方法,如图 15、16 所示。图 15 广州亚运城综合体育馆平面图 图 16 广州亚运城综合体育馆效果图1.优化前:我们能够看到在箭头所示的位置,雨水径流线呈现出聚合态势,这表明该处屋面有凹陷或坡度趋平缓,这样的形态不利于雨水的排放,容易造成雨水的滞留,加大漏雨的风险,如图 17、18 所示。图 17 雨水径流模拟平面图 图 18 雨水径流模拟透视图2.优化后:我们观察优化后的平面图就能够发现雨水由之前聚合的态势转变为分散的状态,这就表明建筑屋面的坡度满足雨水的流动需求,使雨水能够自然分流,不会产生滞留的风险,如图 19、20 所示。图 19 雨水径流模拟平面图 图 20 雨水径流模拟透视图5. 屋面排水解决方案“虹吸式”屋面雨水排放系统的原理是:借助精确的电脑设计来实现气水分离的特殊雨水斗,利用此设备使雨水管最终能够达到满流状态,届时管中的水就会呈压力流状态,虹吸作用也因此而产生。由于连续不断的虹吸作用,整个虹吸式屋面排水系统会在降雨过程中快速的将屋顶的雨水排放干净。通过屋面的造型,确定出雨水的汇水位置,在汇水区域要检查防水材料的牢固程度,可以增加密封胶的使用量以确保雨水不会渗漏,之后在汇水区域安装“虹吸式”屋面排水系统,以确保屋面雨水能够有组织排放,如图 21、22 所示。图 21 “虹吸式 ”屋面排水系统示意图 图 22 “虹吸式 ”屋面排水系统效果图三.程序的横向拓展根据程序的运算原理,我们也可以进行建筑屋顶绿化率的测算,并根据屋顶绿化率的指标推算出屋顶的最佳形态。1.屋顶绿化的重要性建筑屋面是太阳热辐射的直接受体,如果屋面隔热效果差将会增加整栋建筑的能源消耗。屋顶绿化的植物可以很好的吸收热辐射,降低屋面传热的比率,并且可以设计为屋顶花园增加景观效益,美化城市环境,如图 23、24 所示。图 23 加州科学院 图 24 新加坡南洋理工大学艺术学院2.程序原理介绍屋顶绿化率的运算原理是:两点之间由上至下引出向量线段,当线段遇到设定为不透水材料的平面时,被该平面阻挡,剩余的平面则默认为屋顶绿化,向量将其穿过,如图 25 所示。我们根据向量穿过的数量便能确定屋顶绿化的比率。这套程序由三个模型数据的输入端口、一个数据控制面板和一个柱状图输出面板组成,由上自下依次需要接入的数据为:a.降雨量(point)、b.屋面范围(surface)c.不透水材料面积(surface)d.移动控制(可以调整运算的区域)e.柱状图(用来观察屋顶绿化率),如图 26 所示。图 25 屋顶绿化率模型原理图 图 26 屋顶绿化率程序面板3.实际模拟展示我们对屋顶绿化率进行分析,得出建筑屋面的绿化率柱状图,这些数据可以根据模型的变化而实时更新,这样就方便我们对建筑造型和屋顶绿化率之间的关系进行控制,实现优化设计。如图 27、28、29、30 所示。图 27 0%屋顶绿化 图 28 20%屋顶绿化图 29 40%屋顶绿化 图 30 60%屋顶绿化四.总结通过这套运算方法我们可以实现对异形建筑屋面排水的优化处理,通过不断的测算和优化,就可以避免因为设计漏洞给建筑带来的结构损害,保证了建筑全周期的健康运转,为后续的深入设计打下了坚实的基础。这种模拟方法也可以进行更为广泛的运用拓展,并且易学易用,为相关的问题提供了一套系统的解决方案。参考文献[1]莫嘉明. 浅谈虹吸式雨水排放系统的设计. 中国:商品与质量. 2011.
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