主題報(bào)道Aerodynamic Microclimate空氣動(dòng)力學(xué)和微環(huán)境文/俞金晶馬也旻 Cagla Gurbay Prajish VinayakYU Jinjing MA Yemin Cagla Gurbay Prajish vinaya摘要∶建筑的首要目的之一是給人創(chuàng)造一個(gè)舒適環(huán)境的庇護(hù)所。然而,持續(xù)的自然和人為因素的變化對(duì)人的舒適度產(chǎn)生了互動(dòng)式響應(yīng)的需求。直到今天使用空調(diào)系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)室內(nèi)空間舒適度是比較普遍的方式,但本文根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)和自然通風(fēng)率計(jì)算的引導(dǎo)方式和技術(shù)提出以g風(fēng)引起的自然通風(fēng)作為更好的選擇,在多個(gè)室內(nèi)微環(huán)境中響應(yīng)人的使用流動(dòng)變化。提出的論點(diǎn)是通過(guò)封閉空間的形態(tài)演變和混合形態(tài)的構(gòu)建系統(tǒng)一起實(shí)現(xiàn)一個(gè)整體性能驅(qū)動(dòng)的建筑030關(guān)鍵詞:人的舒適性、多樣的微環(huán)境、遺傳學(xué)找形、空氣動(dòng)力學(xué)、互動(dòng)材料體系A(chǔ)bstract: Architecture 's primary purpose is sheltering while maintaining human comfort withinsurrounding circumstances. In the case of human comfort, continuous change of natural andman- made parameters at different scales creates the necessity of dynamic response. Being3/oesgreodtorgeneratngsouonr,arcondtosysermscontongioatedmnerspaceswere a significant method until today. In light of conducted methods and techniques suchas optimization through computational fluid dynamics, natural ventilation rate calculations,this dissertation suggests wind-induced cross ventilation as better alternative in manipulatinge interior microclimates in response to occupancy fluxes. The argument presented hereinvestigates an envelope generated through evolutionary form-finding and is overlaid with工952an hybrid dynamic component system which together delivers a holistic performance drivenarchitectureKeywords: human comfort, heterogeneous microclimate, evolutionary form-findingaerodynamics, responsive material system991o>s-引言建筑的主要目的之一是給人提供舒適的庇護(hù)所H中國(guó)煤化工境氣候的變化。本研究課8占題主要關(guān)注通過(guò)多孔性的動(dòng)態(tài)表皮系統(tǒng)調(diào)節(jié)筑室CNMH需求。整個(gè)系統(tǒng)整合風(fēng)的影響、人體舒適性和建筑界面響應(yīng)這三個(gè)因素和與之相關(guān)聯(lián)的建筑、環(huán)境和結(jié)構(gòu)的思考。在特定的氣候條件下,占以自然通風(fēng)效率為主要策略,根據(jù)空間中人群占有量導(dǎo)致溫度和濕度的變化作出相應(yīng)的變化。在設(shè)計(jì)階段將建筑室內(nèi)微環(huán)境與周遭大氣環(huán)境的相互關(guān)系納入思考中,而不是在最后階段為了提供人群相對(duì)的舒適環(huán)境而付出巨大的代價(jià)人體舒適度是建筑設(shè)計(jì)性能評(píng)估的基本要素之一。熱舒適度在自然環(huán)境和人為因素影響下的持續(xù)變化為建筑創(chuàng)建動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供了必要性。迄今為止,對(duì)于波動(dòng)的舒適度要求,使用機(jī)械空調(diào)系統(tǒng)控制室內(nèi)的環(huán)境是一種普遍的決方案。據(jù)美國(guó)能源部公布的能源消耗,在熱帶氣候區(qū),建筑用于冷卻能源總量占總能源量的39%。而且,過(guò)多依賴機(jī)械系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)健康造成不良的影響和結(jié)果,這種現(xiàn)象稱為病態(tài)建筑綜合征(SBS)。本方案提議的是一個(gè)低能耗高效率的方案,由材料性質(zhì)變化引起形態(tài)變化而形成的動(dòng)態(tài)表皮系統(tǒng)來(lái)控制自然通風(fēng),調(diào)節(jié)建筑室內(nèi)的微環(huán)境從而實(shí)現(xiàn)人特定的舒適度需求(圖1)。2室內(nèi)細(xì)部湓染照片果逐步優(yōu)化的,其中研究的類型是定量的;有限元結(jié)構(gòu)分析被用于形態(tài)幾何物理分析和受空氣動(dòng)力限制的組件和整體結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的過(guò)程中;計(jì)算控制系統(tǒng)中包括接受濕度、溫度和風(fēng)壓強(qiáng)感應(yīng)器的數(shù)據(jù)和計(jì)算分析數(shù)據(jù)的代碼,控制材料的性質(zhì)從而滿足空間質(zhì)量變化的動(dòng)態(tài)需求。在材料研究中,記憶合金和膠合板的合成方法為整個(gè)系統(tǒng)提供了應(yīng)用可行性(圖2-3)二、設(shè)計(jì)過(guò)程1.自然通風(fēng)在過(guò)去60多年中,自然通風(fēng)已經(jīng)被科學(xué)詳細(xì)地分析,并已被證明是能夠代替機(jī)械來(lái)控制舒適性和維持空氣質(zhì)量的有效方式。內(nèi)部空氣的流動(dòng)主要是根據(jù)風(fēng)速的大小和開口的策略形成的壓力差而形成的,基于這一原則,自然通風(fēng)被分為風(fēng)壓和熱壓通風(fēng)。由于熱壓通風(fēng)在小規(guī)模項(xiàng)目中影響甚微,因此風(fēng)壓通風(fēng)被視為在特定室內(nèi)空間中形成多個(gè)微環(huán)境最有效的通風(fēng)技術(shù)。伯努利原理是依賴于流體的流量和壓力在建筑表面形成不同的流體勢(shì)能從而形成通風(fēng),且在速度大的地方壓力小,束度小的地方壓力大?；陲L(fēng)壓通風(fēng)主要根據(jù)表面的壓力差和開口,特定的數(shù)學(xué)公式被用于制定一項(xiàng)戰(zhàn)略以優(yōu)化建筑形式和開口通風(fēng)性能,從而實(shí)現(xiàn)最大通風(fēng)率。通過(guò)研究和實(shí)驗(yàn)得出,只有當(dāng)空隙率在低于23%的封閉總表面面積下,才可以考慮在表面上的壓強(qiáng)系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)風(fēng)壓通風(fēng)( Karava,2008)。第一個(gè)公式中考慮的換氣1模型照片S單位,它實(shí)質(zhì)上是指在一個(gè)限定的空間內(nèi),空氣替次數(shù)是取決于開口的截面積大小和空間體積的關(guān)系。、設(shè)計(jì)方法整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于自然通風(fēng)能平衡人的舒適度的基礎(chǔ)上展開的。主要ACH=(3600 U*CAo)/Volume()運(yùn)用遺傳算法,有限元結(jié)構(gòu)分析和適應(yīng)性材料測(cè)試等技術(shù),分別解決建筑∪-速度的流體(空氣」中國(guó)煤化工形態(tài)、曲面細(xì)分和動(dòng)態(tài)感應(yīng)。自然通風(fēng)的原理方法及其數(shù)學(xué)公式作為風(fēng)引CA0-開口截面積CNMHG起的對(duì)流通風(fēng)的基本概念被運(yùn)用到設(shè)計(jì)過(guò)程中。流體計(jì)算動(dòng)力學(xué)(CFD) Volume-封閉空間的體積巨更裝是本研究的基礎(chǔ),遺傳算法即形態(tài)計(jì)算演變的過(guò)程是根據(jù)CFD的計(jì)算結(jié)另一個(gè)公式是通過(guò)通風(fēng)流量(Q)(西瓦庫(kù)瑪,2012)密閉空至三主題報(bào)道和氣流在建筑表面上形成的壓力系數(shù),作為一種方法來(lái)優(yōu)化建筑物的封閉形態(tài)及在其表面上開口部分的位置,以更好地實(shí)現(xiàn)通風(fēng)效CpW= PW-Pref/(1/2)*p*(Uref) 2CpL=PL-Pref/(1/2)*p*(Uref) 2(3)CpW-迎風(fēng)面的壓力系數(shù)cpL-背風(fēng)面的壓力系數(shù)Pref-參考?jí)毫-空氣密度Uref-參考速度影響自然通風(fēng)效率的因素有兩個(gè):一,表面上壓強(qiáng)差大的位置通風(fēng)效率會(huì)高;二,低的湍流動(dòng)能通風(fēng)效率會(huì)高。同時(shí)在熱帶氣候區(qū)室內(nèi)空間0.4m/s-2m/s的風(fēng)速,變換空氣里低于32℃的溫度和65%的濕度,是人相對(duì)比較舒適的條件。3模型細(xì)部照片2.建筑形態(tài)進(jìn)化-遺傳算法在自然界中,自下而上的涌現(xiàn)現(xiàn)象通常是形式出現(xiàn)的原始策略。壓力誘導(dǎo)自然通風(fēng)作為遺傳算法的準(zhǔn)則,用于結(jié)合涌現(xiàn)和行為演化,以一個(gè)簡(jiǎn)單的形態(tài)作為開始,根據(jù)預(yù)先確定的信息開始發(fā)育演化。在我們的案例中被定義為三個(gè)不同的空間形態(tài),032根據(jù)壓力的不同、組織空間結(jié)合方式以及形態(tài)的逐步演化的過(guò)程為進(jìn)化過(guò)程。系統(tǒng)的復(fù)雜性不單來(lái)自單個(gè)組件的復(fù)雜性,同時(shí)包括復(fù)雜的規(guī)則設(shè)定。在生物學(xué)中,這種規(guī)則被命名為基因組的行為。在內(nèi)部和外部因素共同作用下,進(jìn)化的基因組是通過(guò)突變和自然選擇以實(shí)現(xiàn)更高的效率和更好的表現(xiàn)(圖4)。今④今Population IPopulation‖lPopulation IlPopulation IVPopulation VH中國(guó)煤化工CNMHGCp/e FITNESS CRITERION TO BE MAXIMIZED: VENTILATION RATE(Cp)/TURBULENT KINETIC ENERGY(Te)4遺傳算法演化過(guò)程及選擇將表面上的控制點(diǎn)視作基因,控制點(diǎn)可以在一定的三維空間內(nèi)移動(dòng)以產(chǎn)生不同的形態(tài)變化。通過(guò)原始基因和突變基因的繁殖,產(chǎn)生了5個(gè)種群,將進(jìn)風(fēng)口毎個(gè)種群通過(guò)計(jì)算機(jī)流體分析(CFD)對(duì)通風(fēng)流速和湍流強(qiáng)度進(jìn)行性能評(píng)估。第一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)單向?yàn)?ms的風(fēng)在表面上形成高壓強(qiáng)差以增強(qiáng)室內(nèi)的通風(fēng)流速和準(zhǔn)確的開口位置的設(shè)置;第二個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)建筑板材(結(jié)構(gòu))形式的外部形態(tài)盡量減少兩側(cè)和背側(cè)湍流動(dòng)能(TKE)來(lái)確保流出的流體不被影響。在場(chǎng)地和功能的定義下,考慮空間體積、基座面積和高度限制的情況下,有三個(gè)高效率的形式作為潛在的最終形態(tài)被選出(圖5)絕緣套管動(dòng)態(tài)部分記憶合金(SMA動(dòng)片(切割膠合板6組件各層材料組合5紐件控制風(fēng)速CFD測(cè)試4.復(fù)合材料的組件特性3.組件系統(tǒng)的風(fēng)性能考慮到在不同環(huán)境條件下作出響應(yīng)的必要性,該材料邏輯被定義為具有動(dòng)通過(guò)組件對(duì)風(fēng)速控制也可以實(shí)現(xiàn)人體舒適度的需求。根據(jù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)態(tài)響應(yīng)功能的復(fù)合材料系統(tǒng)。各向異性特征的膠合板和鎳/鈦合金的熱反實(shí)驗(yàn)設(shè)置和測(cè)試來(lái)確定組件的尺寸范圍。合適的風(fēng)速是從外側(cè)的6m/s減應(yīng)特征為所需的動(dòng)態(tài)響應(yīng)提供了一個(gè)復(fù)合材料系統(tǒng)(圖7)小為2ms。此外,為獲得更高效率的空氣流量計(jì)算,通過(guò)的開口應(yīng)該是單向的。最初對(duì)組件的剖面進(jìn)行了測(cè)試,同時(shí)組件的最大尺寸由于雙向氣組件動(dòng)態(tài)部分的概念來(lái)自有重疊區(qū)域的花瓣,重疊區(qū)域可以減小由風(fēng)引起流在一定程度上的影響也進(jìn)行了最大可能性的測(cè)試。只要保持進(jìn)風(fēng)口面積的振動(dòng)。復(fù)合材料組件動(dòng)態(tài)的“花瓣”為被切割圖案并可彎曲的膠合板,和出風(fēng)口面積在1:3的關(guān)系,就可以將6ms的風(fēng)速減為2ms,同時(shí)構(gòu)和兩組包裹有絕緣套管的記憶合金,分別控制組件開口的打開和關(guān)閉,并件的邊界和深度不受風(fēng)速變化影響。連接到低電壓電源。同時(shí)用絕緣和軟性的薄硅膠來(lái)封住膠合板層的開口圖案,將記憶合金夾在膠合板和硅膠中間。文丘里效應(yīng)進(jìn)一步證明在取得適當(dāng)比例的基礎(chǔ)上,橫截面面積成比例地減少會(huì)增加速度。當(dāng)流量(Q),即體積流速為恒定的速度()的入口的橫截面面積(A1)時(shí),乘法運(yùn)算的速度(v2)的出口的橫截面面積(A2)必須相等。Qm31s)=v(ms)A1(m2)=v2(ms)A2(m2)(4)對(duì)于該項(xiàng)目的特定目標(biāo)是組件的出口面積需要減少空氣速度從=6ms到v2=2ms7組件打開和閉合Ⅵ·A1=v2·A26·A1=2·A215cm的形狀記憶合金在500-800的熱處理下得到具有12圈、34圈3·A1=A2和整圈曲率的初始形態(tài)(圖8)。此外,根據(jù)楊氏模量的物理方程,促使結(jié)論,出風(fēng)口的動(dòng)態(tài)組件的橫截面面積應(yīng)該是進(jìn)風(fēng)口截面面積的三倍。同變形的應(yīng)力與彎中國(guó)煤化工的。同時(shí)截面積的大小時(shí)還研究了在一個(gè)盒子進(jìn)風(fēng)口位置和出風(fēng)口位置不同的情況下,盒子內(nèi)部取決于切割圖CNMHG長(zhǎng)度,通過(guò)進(jìn)行不同的產(chǎn)生不同的風(fēng)速和流體的分布,實(shí)驗(yàn)得出需要在最大壓力差的迎風(fēng)面和背切割模式試驗(yàn),預(yù)凋在現(xiàn)頭情下,想要頭現(xiàn)彎曲形狀,需要直徑約為風(fēng)面有相同的開口面積來(lái)驅(qū)動(dòng)自然通風(fēng)(圖6)0.8mm的4條形狀記憶合金串聯(lián),并與6mm的膠合板結(jié)合。主題報(bào)道Disp DY(mm)百【 Mecrerococeard s【齷w【。圖Cut Density: 0Cut Density: 10Cut Density: 20Cut Density: 25.os4 Young's Modulus: 10.50Gpa Young,s Modulus: 0. 34 Gpa Young's Modulus: 0.08 Gpa Youngs Modulus: 0.04Gpa00121鹽aAmpere: 3AAmpere: 3AAmpere: 3AAmpere: 3AVoltage: 2.7VVoltage: 2.5VVoltage: 2.8VVoltage: 2.6V8楊氏模量應(yīng)用測(cè)試5.表皮細(xì)分和結(jié)構(gòu)優(yōu)化在保證通風(fēng)開口要求的前提下進(jìn)行表皮細(xì)分,并對(duì)組件系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)應(yīng)力測(cè)試從而調(diào)整其深度,以提高材料的利用率并優(yōu)化其結(jié)構(gòu)。比較三邊形、四邊形和六邊形這三種細(xì)分形式,得出在相同的表面面積的情況下,六邊形的材料使用效率是最高的。四邊形和六邊形有相似的打開面積,但是,四邊形的形變程度要小于六邊形,因此決定用四邊形和六邊形組成的混合結(jié)構(gòu)。另一方面,因?yàn)椴牧鲜悄静?而木材的物理強(qiáng)度性質(zhì)受紋理方向的不同而改變。根據(jù)般木材的特性,垂直于木材紋理的承受力是最小的,所以分析了結(jié)構(gòu)片的軸向力,并根據(jù)軸向力的值034來(lái)調(diào)整得到結(jié)構(gòu)的深度(圖9選擇形態(tài)曲率分析通風(fēng)口設(shè)置結(jié)構(gòu)受力分析等分六邊形尺寸調(diào)整-曲率尺寸調(diào)整-通風(fēng)四邊形替換9形態(tài)細(xì)分過(guò)程將以上兩個(gè)初始的研究,運(yùn)用到整個(gè)形態(tài)的一般六邊形細(xì)分中,加入通風(fēng)效率高的位置和曲率這兩個(gè)因素來(lái)調(diào)整表面細(xì)分,同時(shí)通過(guò)結(jié)構(gòu)分析,將受壓力比較大部分替換為四邊形,最后得到的混合結(jié)構(gòu)的形變比之前調(diào)整的毎一步都小。根據(jù)軸冋力分析得到的比例,調(diào)整岀三個(gè)不同深度來(lái)測(cè)試最終的材料厚度和深度的關(guān)系。最后得到,在這樣的建筑尺度下,12mm厚和0.2m-1,m的深度是材料使用率和形變率最合適的尺度。6.計(jì)算控制系統(tǒng)在自然通風(fēng)的物理現(xiàn)象中,計(jì)算控制系統(tǒng)的智能決策體現(xiàn)出了優(yōu)異的適應(yīng)能力。通數(shù)詡輯析的邏輯,提高反動(dòng)態(tài)組件系統(tǒng)的反應(yīng)能力(圖10)。在現(xiàn)實(shí)中有三種不同的感應(yīng)器,分別是溫度、濕度和風(fēng)中國(guó)煤化工應(yīng)室內(nèi)空間人的舒適程度;風(fēng)壓感應(yīng)器感應(yīng)表皮上壓強(qiáng)差最大的位置。然后 Arduino中的代碼可以分析接CNMH電能來(lái)決定多少構(gòu)件需要打開和關(guān)閉,哪些構(gòu)件需要先打開以達(dá)到最高的通風(fēng)效率(圖11)。里h10適應(yīng)性系統(tǒng)所需組件11 Arduino板連接細(xì)部中國(guó)煤化工CNMH主題報(bào)道AJOINTS(PATTERNED CUTSTRUCTURAL PLATESINLET PLATES12CNC切割圖形036系統(tǒng)的中央處理器 Arduino板在5∨的電壓下工作,毎隔5秒便會(huì)接收數(shù)據(jù),若數(shù)據(jù)不同便會(huì)作岀相應(yīng)的調(diào)整,使室內(nèi)的微環(huán)境保持平衡般情況下,所需要的驅(qū)動(dòng)電流為3-4A,驅(qū)動(dòng)時(shí)間約10-15s。對(duì)于每個(gè)組件,6片在同一時(shí)間被驅(qū)動(dòng)需要1Ω的電壓。因此,在整個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)驅(qū)動(dòng)將消耗約60000J能量(圖12)。7.數(shù)字建造整個(gè)建筑的建造是可通過(guò)電腦數(shù)字控制完成的,毎一個(gè)木片的尺寸和節(jié)點(diǎn)的角度都不同,因此在電腦中對(duì)木片進(jìn)行分類和數(shù)據(jù)編輯,通過(guò)CNC精確的切割后,可按照編號(hào)迅速地進(jìn)行裝配。最終選取建筑的—部分按照1:2的比例來(lái)建造,總共16個(gè)組件,包括238片不同尺寸的木片和415個(gè)不同角度的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行CNC切割?？傆?jì)2天CNC切割,2天裝配,以及2天記憶合金裝配幸中國(guó)煤化工CNMHG13建逵過(guò)程結(jié)語(yǔ)開發(fā)的技術(shù)被應(yīng)用到一個(gè)特定的形式,通過(guò)遺傳算法找形,有限元結(jié)構(gòu)分析表皮細(xì)分和材料的測(cè)試性應(yīng)用,將實(shí)現(xiàn)室內(nèi)與人占有量相聯(lián)系的微環(huán)境和動(dòng)態(tài)的自然通風(fēng)建筑的互動(dòng)關(guān)系。最后,對(duì)整個(gè)選定的形式的三個(gè)空間——前臺(tái)、展廳和辦公室進(jìn)行通風(fēng)效率可能性測(cè)試;通過(guò)計(jì)算控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M了現(xiàn)實(shí)中建造并實(shí)現(xiàn)的可行性;同時(shí)物理模型很好地證明了結(jié)構(gòu)上的合理性(圖13-15)。14整體模型渲染圖片15剖面及CFD測(cè)試中國(guó)煤化工CNMHG作者簡(jiǎn)介俞金晶,馬也旻, Cagla Gurbay( Turkey), Prajish Vinayak( India)/英國(guó)建筑聯(lián)盟學(xué)院, Architectural Association, EmTech