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编织状参数化建筑表皮生态节能潜力的探索性模拟研究.rar

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    编号:20181101170529803    类型:共享资源    大小:76.63MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-02
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    编织 参数 建筑 表皮 生态 节能 潜力 探索 模拟 研究
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    编织状参数化建筑表皮生态节能潜力的探索性模拟研究刘博,郭晋生,闫泽斌北京建筑大学,绿色建筑与节能技术北京市重点实验室http://www.bucea.edu.cn/liubo@bucea.edu.cn, guojinsheng@bucea.edu.cn摘要:本文以具代表性的编织状表皮个案为研究对象,研究其在不同风场、辐射场、温度场环境中的性能情况,及其对建筑围护系统的量化影响情况。通过对编织状表皮模型的生成逻辑参数提取,CFD 风场影响模拟,1:1 实物模型的现场测试实验等研究手段,探讨编织状表皮的建模参数与其生态节能潜力之间的关系,研究分析编织状表皮对自然风场环境的改变情况,对热辐射的吸收效果,对自然光的遮挡情况。通过本文研究,初步提出参数化设计下的复杂表皮生态可持续性的模拟及实验方法,总结了影响编织状表皮个案面密度的建模参数与自然风风速的影响的线性关系,探讨编织状表皮对采光、热辐射的利用潜力。关键词:参数化表皮;节能;现场实验;CFD 模拟Exploratory simulation study on ecological energy-saving potential of weaving shape epidermisLiu Bo, GuoJinsheng, Yan ZebinBeijing University of Architecture and Civil Engineering, Beijing Key Laboratory of Green Building and Ene1rgy Efficient Technologyhttp://www.bucea.edu.cn/liubo@bucea.edu.cn, guojinsheng@bucea.edu.cnAbstract. This article selects a representative weaving shape epidermis case as a research object. Its behaviors under different wind, radiation and temperature situations are studied, so is its quantitative effect on the building palisade system. By the generation of the logic model of weaving shape epidermis parameter extraction, CFD simulation of wind field, field test experiment research on 1:1 physical model, we tried to find out how weaving shape epidermis affect wind field, heat absorption, and natural light shielding. Test methods on complex epidermis’ sustainability are summarized. Some linear relationships between surface density of the epidermis and its influence of natural wind velocity, and the potential of such epidermis in use of natural thermal radiation are also discussed.Keywords. Parametric Surface; Energy Efficiency; Field Experiment; CFD Simulation1 概述1本文中编织状表皮设计概念及实物测试模型由美国双栖弧建筑设计公司 (AmphibianArc)提供,现场测试研究得到绿色建筑与节能技术北京市重点实验室的支持。在此一并表示感谢。复杂建筑表皮是一种特殊的建筑语言,其丰富的机理特征对建筑个性的表达具有很大的意义,参数化设计方法的日趋普及,将复杂建筑表皮的设计过程转化成一系列形态生成方法的逻辑组合。同时,建筑物的被动节能是建筑设计阶段需要考虑的重要因素之一,而建筑外围护是被动节能研究重点。建筑表皮不论是作为围护结构的一部分,或是围护结构外的独立附加层,都会对建筑内外的微气候环境产生影响。参数化表皮复杂的结构特征和虚实关系已经为建筑室外风场、建筑通风、太阳辐射利用、建筑采光等建筑环境研究领域带来新的课题:复杂表皮对建筑环境的改善是否能够做出贡献?参数化设计中的指标体系与表皮对建筑被动环境的影响是否存在关系?在“ 节能” 成为建筑另一个关键词的今天,追求复杂建筑表皮美学意义的同时,探讨其生态节能意义同样重要。参数化表皮形态万千多样,本文为针对个案的探索性研究,对象源自双栖弧建筑设计公司的代表作品中的编织状参数化表皮形态。编织形态是建筑表皮中具有代表性的形式之一,衍生于“运用抗拉性能强的细长材料进行交叉排布组织的编织过程” 。其具备建造材料多样、自重轻、构造方法简洁、预制构件回收率高等特点。同时,非一体成型的构建特征拓展了其利用可再生能源的潜力。本文研究中,分析编织状表皮案例的参数化设计过程及关键参数指标,并构建 1:1 编织状表皮装置,通过室外环境现场持续性测试实验,开展表皮在蓄热能力、采光通透能力、对风场影响特征(加入 CFD 模拟分析)等建筑环境属性的分析研究,探讨编织状表皮生态节能特征的实验研究方法,以及其参数化设计指标与节能特性之间可能存在的关系。2 编织状表皮参数化建模方法分析本文研究对象可描述为编织状表皮中线的无规律形式,利用无序曲线的缠绕来模拟自然界的蚕茧自然生长形成的肌理形态(图 1) 。其来源于美国双栖弧建筑设计公司的优秀参数化表皮设计案例,用 PVC 线状管材通过随机编织方法组合在一起,通过编织面的层层叠加(7 层)增加到合适厚度和虚实呼应的效果。笔者团队通过对此类表皮的结构分析,利用犀牛软件及其插件 Grasshopper为工具,完成了编织表皮形态的参数化建模,建模过程可简述为如下几个环节如图 2-图 8 所示。图 1 模型形态样式 图 2 GH 逻辑图图 3 建立表皮生成的控制面 图 4 由控制面输入特定的密度参数生成随机的点图 5 连点成线,使一条线以一定弧度范围穿过所有点,生成的具有蚕茧形态的线的整体效果图 6 抽取片段,从三维形态投影形成近似二维的平面编织形态图 7 对过短线条进行删除,形成表皮基本脉络图 8 将线条转化为管状杆,经过若干层叠加后,形成最终编织状表皮通过上述流程,总结参数化建模过程中的一些影响表皮的形态构成的参数指标为:点阵的离散程度,表皮总厚度,管径粗细,连线成型方法,线的曲率控制等。通过修改参数值可以得到一系列不同疏密、厚度、管径的表皮形态。同时,更具象化的信息化建模过程中,将深入涉及到表皮管材及连接件的热工性能、透光性能,颜色等内容的信息。3 编织状表皮节能潜力的现场测试及模拟分析研究作为建筑外表面及围护结构的附加部分,建筑表皮的被动节能潜力,主要包括建筑围护保温隔热性能,建筑通风,自然采光利用,太阳辐射的利用,还包括建筑物对室外环境风场的影响等方面。针对上述方面,实验研究方法中主要以现场测试为主,并在风环境现场测试的基础上进行 CFD 模拟。通过数据的对比分析来探讨其节能意义。3.1 现场测试实验实验场地基本介绍:在双栖弧公司的支持下,我们对参数化编织状表皮的模型进行了实物还原仿真,搭建了近 6m 长的 1:1 比例模型装置(图 9) ,形成了我们研究的实验对象平台。平台装置安装于我校屋顶平台,周围开阔无遮挡,形成了能够真实测试采光及风场环境的实验场地。图 9 按照设计方案搭建的 1:1 比例实验平台支撑框架采用了钢结构,将编织表皮装置稳定的支撑起来。选择柔性比较好的 PVC 管材,管径 100mm,管壁厚 10mm。管材搭接处采用可旋转轻钢材质卡扣固定连接。 (图 10)图 10 参数化搭建过程及连接方法示意实验设计及测点布置:本研究针对北京地区过渡季环境风速高、风向多变、昼夜温差大等特点,选择 2014 年 11 月-12 月进行了现场测试。测试中,将温度、照度、风速、风向等若干个不同类型的传感器有序隐藏布置在表皮装置杆件的不同关键位置(布置平面图如图 11) ,形成可以进行数据比较的对比观测组,如 E1 和 E2 对比能够反映采光通透率,W1 和 W2 的南北风数据对比能够反映风场通过实验体的情况,W2、W3 、W4 的东西风数据比较能够反映编织表皮对风的粘滞效果,T1、T2、T3 模拟杆件内外及表面的温度变化。传感器连接室外环境自计系统(图 12) ,每 6 秒自动采集一次数据。图 11 测量内容及布点位置示意照度传感器 风向传感器 风速传感器 温度传感器 环境自计测试系统图 12 传感器及测试设备数据分析:通过传感器连续监测,在实验进行近一月时间内总采集数据约20 万组左右,屏蔽无风、阴天及具有明显偏差数据,得到有效数据近 2 万组,大量的数据集确保了分析结果对本实验对象表皮形态的准确性和科学性。1. 风通透性测试分析从测试记录中选择风向为垂直于编织表皮装置的数据,比较 W1、W2 两个对称测点风速差值,分析编织表皮对风场通透性的影响,如图示例一段时间内两测点在风场为垂直方向(南风或北风)时上下风风速变化及其两者风速差:图 13 风速值变化分析图(截取代表性风况时段)图 14 测试中某大风天垂直风风速差变化示意垂直方向风场有效测量数据为 1220 组,统计后得出,垂直环境风平均值在3.6m/s 情况下,编织状表皮两侧形成了平均值为 0.35m/s 的风速差,近 1m 厚的编织结构并未对风速形成较大的阻碍;同时发现下风侧风速大于上风侧的少数风场情况,应是由于风经杆件阻碍,产生局部高风压差,形成局部高速气流所致。此部分测试结果有待利用 CFD 方法进行辅助验证。2. 平行风粘滞性测试分析建筑物外形的影响能够改变室外风场的形态,室外风环境应该分布平均,不宜形成风速突然增大的“风谷” 而威胁行人的安全,本部分主要分析镂空形态的表皮是否能对室外风场产生粘滞作用,进而减少高速风谷产生的可能。从测试数据中提取平行于编织表皮表面的平行风(东风或西风)情况下,W2(距离编织表皮约 0.3m) 、W3 (距离编织表皮约 1m) 、W4(距离编织表皮约 3m)三点的有效瞬时风速数据进行对比分析。典型风速分布情况图 15-16 所示图 15 平行风测点风速变化分析图(截取代表性风况时段)图 16 测试中某大风天不同测点平行风速差变化示意平行表皮表面的风场测试数据中有效数据为 1366 组,统计后得出,距离编织表面 3m 远处(W4)风速平均值为 3.4m/s,距 1m 处(W3)风速平均值3.2m/s,距 0.3m 处(W2)风速平均值 2.9m/s。能够明显发现距离编织表皮越近,平行风风速越小,说明表皮镂空杆状形态有效的降低擦射方向的风,对降低环境风速,避免风谷的形成有明显效果。3. 照度影响测试分析照度是监测自然采光的有效光参数之一,通过对比测数据中白天的 E1(南向) 、E2 (北向)两侧点的照度值,能够得出编织结构对自然光的遮挡情况。图 17 某晴天表皮南北侧照度分布图 18 某全云天表皮南北侧照度分布通过分析上述两种天空光气候下照度测试数据,能够看出编织状结构对采光影响很大,对光的透过率仅为 18%(晴天)和 25%(全云天) 。其与 PVC 材质的光学性能和杆件组合的密度有直接关系。4. 温度影响测试分析鉴于实验构件的镂空形态,可知其无法形成有效的保温隔热效果,同时其遮挡自然光的同时,必然对热辐射透过表皮构件进入建筑物室内形成阻挡。本实验测试杆状结构空腔内部的温度变化,旨在探讨其阻碍太阳辐射通过的同时,是否存在杆件吸收热辐射转化利用的可能。为达上述实验目的,实验中对环境温度(T3) 、杆件外表面温度( T1) 、杆件空腔内表面温度(T2)进行测量并对比分析结果。图 19 某全晴天(太阳辐射较高)不同测点温度变化示意从一个全晴天周期(图 19)可以看出,杆件内表面空腔由于参数化设计中设定为封闭曲线路径,其内部受太阳辐射加热,温度(T2)最高比室外环境气温(T3 )高 18 度,存在通过管腔内与建筑室内通过对流换热进行供暖的利用潜力;但其温度变化与气温变化十分同步,表明本实验使用的 PVC 空腔管的蓄热能力较差,无法成为稳定持续的保温来源。3.2 CFD 方法对风场形态的辅助模拟验证本部分以 CFD 模拟方法,分析表皮构件的密度变化对建筑风场的影响,结合现场测试结果对编织状表皮风场影响特性进行进一步研究。通过叠加管线构件建立不同厚度的表皮(如图 20-22) ,将三维模型导入 CFD 分析软件(IES VE) ,以同样的环境风速进行固定朝向的模拟,对比模拟结果。图 20 当给密度控制按钮输入数值 1 时蚕茧表皮的状态图 21 当给密度控制按钮输入数值 6 时蚕茧表皮的状态图 22 当给密度控制按钮输入数值 10 时蚕茧表皮的状态通过分析 GH 设置中密度控制参数从“1” 至“20” 的 20 组 CFD 风场模拟结果(如图 23 为例) ,可以看到,当编织杆件较为稀疏时(比如参数为 3) ,风通透性强,风速衰减小,但由于杆件对风扰动明显,风速分布不均匀,背风区形成高速风涡,当编织杆件较密集时(比如参数为 10 以上) ,风场形态近似实体墙壁,迎风背风两侧风压差明显。参数为 3 时风环境分布情况 参数为 6 时风环境分布情况 参数为 10 时风环境分布情况图 23 不同编织密度下风场变化示意图4 结论4.1 编织状表皮建模信息参数与节能性能的关系分析通过现场测试及模拟分析,对编织状复杂表皮的建筑物理性能进行了一系列的分析研究,结合表皮参数化建模过程中涉及到的主要参数,可基本建立一些建模指标和表皮节能性能的关系:1.建筑通风的影响指标分析除了建筑物朝向和高度之外,建筑通风与窗洞口处的遮挡情况(即编织表皮杆件的密集程度)有最直接的关系。本文研究对象个案为 7 层叠加,参数化建模中点密度控制数为 6,此种情况下表皮结构对垂直入射的风阻碍较小;同时对平行与表皮的风场产生较理想的降速作用,对避免室外风速过高的风谷形成提供帮助。2.天然采光的影响指标分析过密的表皮编织形态会降低采光中直射光的射入,编织材料的透光率,颜色也会影响表皮对采光的遮挡程度,本研究中白色 PVC 管材对采光的削弱达到了 75%以上,在晴天时更为明显。3.热工性能的影响指标分析围护结构的热传递主要包括热辐射、对流及直接导热,同时围护体系的蓄热能力高低也影响建筑内温度的波动大小。通过测试分析,发现上述热工特性主要与参数化表皮线网形态中的线密度、线生成的逻辑(连续线或断线) 、管径有关,同时与线状管材的材料、蓄热性能等材料信息相关;由于本文研究对象表皮的镂空形态,通过气流流动直接在表皮两侧形成冷热桥,所以表皮整体结构的厚度无法对保温隔热起到直接作用。4.2 总结本文研究以个案为主,研究对象的形态、构成及材料较为单一,无法对千差万别的参数化复杂表皮提出通用的量化关系,系统化的比较研究和精细化的计算机模拟为本课题后续亟需跟进的内容;但通过大量的现场数据测量,针对性的提出了编织状表皮相对于实体平滑表皮所具有的对风场、采光、热辐射等方面产生影响的一些特性。希望本文实验研究中的方法和思路能够为参数化表皮节能潜力研究的深入开展提供一定借鉴和参考。参考文献[1] 石永良.数字化: 面向未来的建筑初始状态.建筑学报,2010,(6):109-112[2] 徐卫国.非线性体: 表现复杂性.世界建筑,2006,(12):112[3] 张澄宇.用代码“写”建筑.建筑学报,2009,(1):71[4] 马岩松.中钢国际广场设计.建筑学报,2008,(6):16-19[5] 史永高,材料的 “本性”与“真实性”材料问题的观念性层面探析,建筑师,2009,139(6)[6] 甘立娅,建筑外表皮材料艺术表现研究:[硕士学位论文],重庆;重庆大学,2007[7] 隋浩,生态建筑的表皮空间化设计研究:[ 硕士学位论文],大连;大连理工大学,2009[8] 郭芳,Geco 在参数化建筑节能设计中的应用——以哈萨克斯坦阿斯塔纳国家图书馆窗洞设计为例., 南京大学建筑与城市规划学院[9] 申杰, 基于 Grasshopper 旳绿色建筑技术分析方法应用研究.华南理工大学,2012[10] 游猎,可持续策略下的参数化建筑设计研究,天津大学,2011[11] JamseSteele.Architecture and Computers: action and reaction in the digitaldesignrevolution.London:laurence King Publishing,2001,185[12] Simon Roberts Nicolo,GuarientoBuilding integrated photovoltaics a handbook,2009 [13] Planning and Installing Photovoltaic Systems A guide forinstallers,architects and engineers,2006[14] Design Handbook for Architects and 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