數字化設計與建,實整探俞金晶2014年獲英國建筑聯(lián)盟學院建筑學碩士學位,20千年獲寧波大學城市規(guī)劃工學學士學位。曾工作于北京 MAD Archited建筑事務所和上海A建筑設計公司KAERODYNAMIC MICROCLIMATE空氣動力學和微環(huán)境關鍵詞:人體舒適性多樣微環(huán)境建筑形態(tài)進化遺傳算法空氣動力學互動材料系統(tǒng)參數化數來源課題: Architectural AssociatiEmergent Techonolgies Design, Thesis研究團隊:俞金晶,馬也昱, Cagla Gurbay, Prajish Vinayak建筑的首要目的之一是給人提供一個舒適環(huán)境的庇護所,但持續(xù)的自然和人為因素的變化對人的舒適度的維持會產生互動式響應的需求。直到今天,人們還是使用空調系統(tǒng)來調節(jié)室內空間的舒適度,那是否還有其他方式呢?我們根據流體動力學和自然通風率計算的引導方式和技術,提出以風引起的自然通風作為調節(jié)舒適度的手段,選擇在多個室內微環(huán)境中來響應人的使用,并做出互動式的流動變化,其途徑是3通過封閉空間的形態(tài)演變和混合形態(tài)的構建系統(tǒng)來共同實現(xiàn)一個整體性能驅動的建筑。整個系統(tǒng)的設計是基于自然通風能平衡人的舒適度展開的。主要運用遺傳算法、有限元結構分析和適應性材料測試等技術,分別解決建筑形態(tài)、曲面細分和動態(tài)感應。自然通風的原理方法及其數學公式作為風引起的對流通風的基本概念被運用到設計過程中。流體計算動力學(CFD)是本研究的基礎,遺傳算法即形態(tài)計算演變的過程,是根據CFD的計算結果逐步優(yōu)化的,其中研究的類型是定量的;有限元結構分析被用于形態(tài)幾何物理分析和受空氣動力限制組件和整體結構性能設計的過程中;計算控制系統(tǒng)中包括接受濕度、溫度和風壓強感應器的數據Y中國煤化工析數據的代碼,并通過控制材料的性質從而滿足空間質量變化的動態(tài)需求。在材料研究中,記憶CNMHG材的合成方法為整個系統(tǒng)提供了應用可行性Y中國煤化工CNMHP7:202e energy. 5.7JkgTurbulence energy: 6.42J/kgTurbulence energy. 4.92J/kg- P1612l12611611l1611716i81t861916201Fitness Graph形態(tài)演化筑形態(tài)演化-遺傳算法/ Evolutionary Architecture影響自然通風效率的因素有兩個:一是表面上壓強差大的位置其通風效率會高;二是低的湍流動能其通風效率會高。在熱帶氣候區(qū),0.4~2ms的室內空間風速,變換空氣里低于32℃的溫度和65%的濕度是人感覺相對比較舒適的條件。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。壓力誘導自然通風作為遺傳算法的準則,用于結合涌現(xiàn)和行為演化。以一個簡單的形態(tài)作為開始,根據預先確定的信息開始發(fā)育演化。在我們的案例中,定義了三個不同的空間形態(tài),根據壓力的不同,組織空問結合方式,以形態(tài)逐步演化的過程為進化過程。系統(tǒng)的復雜性不僅是來自單個組件的復雜性,還包括復雜的規(guī)則設定。在生物學中,這種規(guī)則被命名為基因組的行為,在內部和外部因素共同作用下,進化的基因組通過突變和自然選擇來實現(xiàn)更高的效率和更好的表現(xiàn)將表面上的控制點視作基因,控制點可以在一定的三維空間內移動從而產生不同的形態(tài)變化。通過原始基因和突變基因的繁殖,產生了7個種群,將每個種群通過計算機流體分析對通風流速和湍流強度進行性能評估。第一個衡量標準是根據單向為6m/s的風在表面上形成高壓強差,以增強室內的通風流速和設定準確的開口位置;第二個衡量標準是建筑的外部形態(tài)的選擇要盡量減少兩側和背側湍流動能(TKE)從而確保流岀的流體不被影響。在場地和功能的定義下,同時考慮空間體積、基座面積和高度限制,最終有三個高效率的形式作為潛在的形態(tài)被選定出來。根據木材的特性,其物理強度會隨紋理方向的不同而變化,垂直于木材紋理的承受力是最小的。因此,我們分析了結構片的軸向力,根據軸向力的值來調整結構體的深度和厚度,以降低材料的使用量和更好地發(fā)揮材料的極限性能lowest depthMax Axial Force Bucking LoadWind Pressure3L:-832KN 48KNSell-weightCell differentiation7L:4016KN216KNhighest depth3-7LayAxial Force Depth Range 0.62-152mMax Dis: 16.72cm7-11 Layerslowest depth中國煤化工Axial Force Depth Range: 0.62-153mCNMHGLOOP表皮細分及結構優(yōu)化LLILLLIY【"C【3·131LELLLBSLILIP6中國煤化工CNMHG210OUTLET SVELOCITY( A2DYNAMIC COMPONENT INLET SIZE RANGE3.A=A月++STRUCTURE PART組成部分示意組件系統(tǒng)的剖面和風性能CFD測試自適應材料系統(tǒng)/ Adaptive Material System整個構件分為固態(tài)部分和動態(tài)部分,固態(tài)部分為進風口和結構,動態(tài)部分為出風口,包括硅膠、絕套管、記憶合金和有切割紋理的木材。動態(tài)部分的合成過程是將木材按照一定的紋理切割后使其變軟再將包有絕緣套管的記憶合金夾在軟性的硅膠和木材中間。試驗結果顯示:1)隨著供應電流的提高,變形速度會加快;2)當和木頭結合后,記憶合金會丟失掉將近一半的曲率。另一個試驗是預測需要多少根記憶合金來驅動這些有不同切割紋理、不同尺度和厚度的木板。試驗結果顯示,厚的木板與低的切割密度將需要更多的記憶合金來驅動動態(tài)部分所需達到的曲率。組件系統(tǒng)的風性能我們希望通過組件對風速的控制來實現(xiàn)人體舒適度的需求,要實現(xiàn)這一目的,可根據計算流體動力學實驗設置和測試來確定組件的尺寸范圍。合適的風速條件是從外部的6m/s減小至內部的2m/s。為獲得高效率的空氣流量計算,通過的開口應該是單向的。我們首先對組件的剖面進行了測試,同時考慮到組件的最大尺寸在一定程度上會受到雙向氣流的影響,因此這種影響的最大可能性也被同時考慮進來。試驗后得知,只要保持進風口面積和出風口面積在1:3的關系,就可以將6m/s的風速減為2m/s,而構件的邊界和深度不受風速變化的影響。計算控制系統(tǒng)在自然通風的物理現(xiàn)象中,計算控制系統(tǒng)的智能決策體現(xiàn)出了優(yōu)異的適應性能。通過多種感應器和數據邏輯的分析,可提高反動態(tài)組件系統(tǒng)的反應能力。在現(xiàn)實中有三種不同的感應器,分別是溫度、濕度和風壓感應器。溫度和濕度感應器可感應室內空間內人的舒適度;風壓感應器中國煤化工皮上壓強差最大的位置,然后用 Arduino中的代碼可分析接收到的數據,并控制輸出多種CNMHGEPEPGY能,從而決定有多少構件需要被打開和關閉,哪些構件需要先打開以達到最高的通風效率。系統(tǒng)的中央處理器 Arguing板在5V的電壓下工作,每隔5s便會接收一次數據,若數據不同便會做出相應的調整,使室內的微環(huán)境保持平衡。一般情況下,所需要的驅動電流為3~4A,驅動時間約10~15s。對于每個組件,6片在同一時間被驅動需要12Ω的電壓。因此,在整個系統(tǒng)中每個驅動將消耗約60000J的熱能中國煤化工CNMH組件的內部構成設計實踐應用在對人體舒適度需求以及材料進行研究之后,我們選擇了巴西的彼得羅利納進行了不同建筑尺度設計的應用測試,即亭子尺度和中高層尺度。現(xiàn)以中高層尺度為例,80m高的建筑中包含辦公、居住、商業(yè)和娛樂等功能,通過有效的內部空間組織,根據不同的功能將不同的組件形態(tài)選擇性地運用到整個建筑表皮的不同位置,通過自然通風實現(xiàn)不同功能空間對微環(huán)境的差異性需求整個建筑的建造方式可以通過先進的電腦數字控制完成,每一個木片的尺寸和節(jié)點的角度都不同,因此在電腦中對木片進行分類和數據編輯,通過數控加工( CNC Milling)和機器人( Robot)精確的切割后,可按照編號進行迅速的裝配。最終我們選取了建筑的一部分按照1:5的比例來建造,包括238片不同尺寸的木片和415個不同角度的節(jié)點進行CNC切割?？傆嫽ㄙM了2天CNC切割+2天裝配+2天記憶合金裝配。按照這種建造方式,預計整個建筑可在一年內建造完畢。緣人月我的9輸翁物的的費考他中國煤化工CNMHG