本發(fā)明涉及建筑物理模型研究分析領域，特別是涉及一種建筑物理復雜形體的簡化研究分析方法。
背景技術：
：建筑物理環(huán)境分析往往受建筑形體的變化很難較，特別是對于定性研究，往往受制于個案上，在模擬分析上只能進行個案仿真模擬，然后量化統(tǒng)計的方式，這樣帶來了大量的繁復性工作和數(shù)據(jù)源的局限性，如何做到既簡單準確又具有科學性的研究方法需要進一步探索。比如對某個區(qū)域及氣候區(qū)的多層居住建筑進行物理環(huán)境系統(tǒng)分析，大多研究者僅對某個或少數(shù)同類型的建筑進行建模分析，造成了研究局限性，往往準確性受到質(zhì)疑，研究者也處于受到由于量化分析不充分導致不完結(jié)性和模糊不清問題困擾。為了尋求建筑物理典型模型，并能夠幫助后續(xù)清晰明了的進行理論分析和基礎性研究奠定基礎，對所選的實際樣本建筑需要進行相似性簡化設計與重構(gòu)，該過程需要一種科學的理論與方法協(xié)助完成。所以選擇了科學研究方法中相似理論的模型法，將其引入建筑物理實驗模型的重構(gòu)與簡化設計上，幫助研究工作的理論研究分析構(gòu)建和驗證，建立與原模型相似簡化關系的典型建筑物理環(huán)境分析模型，從而幫助完成研究理論體系的構(gòu)架和成果的實現(xiàn)。通過該項研究目的是想找到解決建筑物理環(huán)境系統(tǒng)中，從實踐到理論分析層面的基本模型的建立方法，幫助解決為了在繁復的個案求解過程中，而導致的不可完結(jié)性及模糊不清性問題。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明主要解決的技術問題是提供一種建筑物理模型構(gòu)建方法，能夠解決研究者對建筑物理典型模型構(gòu)建時由于復雜性問題導致選擇個案研究，缺少量化研究，在研究時在此方面普遍面臨的缺少科學分析方法的問題。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的一個技術方案是：提供一種樣本特征值數(shù)理統(tǒng)計與分析、各類型典型樣本模型的建立、相似特征值與相似元構(gòu)建、簡化模型的優(yōu)選、相似簡化典型模型構(gòu)建。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明操作簡便、量化數(shù)據(jù)充分、研究具有可拓性、科學性強。附圖說明圖1是本發(fā)明一種建筑物理典型研究模型構(gòu)建過程的示意圖；圖2是一種相似系統(tǒng)計算分析示意圖；圖3綜合評價優(yōu)化分析圖；圖4相似度/相異度分析矩陣公式；圖5對應對比元素較小者與較大者比值關系公式；圖6簡化矩陣關系公式；圖7各幾何參數(shù)數(shù)據(jù)與典型值相似度分析圖；圖8各傳熱系數(shù)數(shù)據(jù)與典型值相似度分析圖；圖9圍護結(jié)構(gòu)邊長變化與面積變化關系示意圖；圖10建筑平面及簡化示意圖仿真模型原型；圖11相似比趨勢圖；圖12簡化基準模型平面圖。具體實施方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。本發(fā)明將相似理論引入建筑物理簡化模型的構(gòu)建過程，采用統(tǒng)計分析、相似理論結(jié)合綜合層次評價方法，找到實際樣本中具有典型特征模型，并對其進行模型簡化的相似模型的優(yōu)選，選擇的簡化相似模型進行能耗模擬分析。建筑是一個復雜的系統(tǒng)，一些系統(tǒng)間的特性定量分析，也帶有模糊性，普通的簡化模型系統(tǒng)與原型不能完全滿足精確的數(shù)學描述，故建立相似模型需要采用模糊相似方法處理問題，這樣可以對所研究系統(tǒng)間的多個相似特征有效處理，凡是精確度量的相似度盡可能精確化，不能精確的，借助模糊數(shù)學原理來獲得特征值，達到相對精確的相似度，并進行對各方案的權衡評價。1相似分析與優(yōu)化設計數(shù)學模型：1）選擇建筑物理討論目標、建立相似元素和特征值選擇要研究的目標M，N找出相似元素及特征值。2）建立系統(tǒng)間的相似元數(shù)量與參數(shù)統(tǒng)計與分析首先，構(gòu)建系統(tǒng)M=｛m1,m2,...,mk｝，N=｛n1,n2,...,nl｝這mK為系統(tǒng)M中的組成要素；nl為系統(tǒng)N中的組成要素。3）相似度/相異度分析根據(jù)模糊數(shù)學理論，從廣義角度各系統(tǒng)間并非存在精確的相似對應關系，各要素之間普遍存在著模糊對應關系，該關系可以通過矩陣來描述出來，這里記為A=(aij)kxl，如圖4所示。這里0≤aij≤1，aij為相似元特征值，即為相似度。當對應要素之間完全不相似是aij=0，相同時aij=1。這里圖5即為對應對比元素數(shù)值之間較小者與較大者之間的比值關系，這里的特征值Mj(mi)，Nj(ni)取值根據(jù)具體情況而定，可根據(jù)隸屬度或模糊性，評判確定后，運用二元相對法決定具體數(shù)值。將系統(tǒng)間具有相似特征要素篩選出來，建立簡化矩陣關系如圖6所示，這里0≤aij≤1。4）相似優(yōu)選與評價建立評價因素集，建立評判矩陣，利用客觀數(shù)據(jù)采用熵權評價法，主觀與客觀數(shù)據(jù)混合灰色關聯(lián)多層次綜合評價對各方案進行優(yōu)選，從而得到與原型最佳的相似簡化模型。案例分析戶型模型的建立首先需要對戶型平面進行統(tǒng)計與分析，住宅戶型統(tǒng)計對于建筑物理環(huán)境模型的建立，需要考量符合相似原理的因素，對于總體物理環(huán)境模型邊界條件的相似元論域基本包括：建筑類型、層數(shù)、節(jié)能要求、氣候區(qū)域、位置，朝向、戶型、幾何形狀、面積、年耗能量等。當然，建筑所涉及的專業(yè)和學科是多目標問題，根據(jù)所研究的具體角度不同還可以繼續(xù)細分，本文著重對建筑設計的物理模型進行討論，目的是為設計過程建立能耗簡化分析模型提供一種較為準確的相似模型的建立方法。對所研究相似簡化模型設計邊界條件論域的闡述，如表1所示。表1建筑物理環(huán)境模型基本邊界條件表編號項目內(nèi)容理由1建筑類型住宅普適性，占居住建筑類型比例最大2層數(shù)多層（低層、中高層）具有普適性3節(jié)能要求2003年至今國家三步節(jié)能要求的已建成建筑該階段為當前主要分布已建的新建筑，具有代表性4氣候區(qū)域寒冷地區(qū)具有一定的研究條件和基礎5建筑位置京津城市為主城市居住人口密集區(qū)域，具有普適性。6建筑朝向南北主向有利于太陽能的充分利用7樓型與戶型板式、一梯兩戶該類型比較其他類型的組合模式，具備理想的居住環(huán)境特點，良好的通風、采光條件，便于用能平均分配，更適合于零能耗建筑運行模式，也是較為理想的人居戶型8幾何形狀規(guī)則、線性大多住宅以此幾何形狀為主，具有普遍性9面積套面積為主，將交通空間并入考慮與現(xiàn)階段地產(chǎn)市場經(jīng)營模式相吻合10年耗能量制熱、制冷綜合耗能量建筑耗能量對于研究建筑能源系統(tǒng)是一個重要考慮指標，是研究必要條件2.1戶型幾何參數(shù)的統(tǒng)計與分析筆者經(jīng)對建筑市場的住宅戶型發(fā)現(xiàn)，目前市場較為受歡迎的為中小戶型，為此針對多層住宅的中小戶型為例進行了案例統(tǒng)計調(diào)研，目的是通過對該類型戶型的統(tǒng)計分析，選取其中具有代表性的典型戶型一梯兩戶式，對其四十個樣本的面積、進深、面闊進行統(tǒng)計。經(jīng)統(tǒng)計分析結(jié)果表明：面積的95%置信區(qū)間為88.38-94.79m2，均值為91.57m2。在面積分布較為集中的區(qū)間內(nèi)抽取樣本，再進行相應的進深與面寬的統(tǒng)計分析。分析結(jié)果，進深95%置信區(qū)間為11.77-12.98m，均值為12.38m。面寬95%置信區(qū)間7.68-8.15m，均值為7.91m。為此可以在模型范圍中面積為91.6m2、進深為12.38m，面寬7.91m附近類型選取具有一定的典型性。經(jīng)相似度分析后，發(fā)現(xiàn)22號樣本三項相似度均好于其它類型，故選22號戶型模式為典型戶型為參考模型。分析數(shù)據(jù)如附圖7所示。典型戶型圍護結(jié)構(gòu)的選取圍護結(jié)構(gòu)傳熱耗能量約占建筑總熱耗75%，圍護結(jié)構(gòu)節(jié)能工作一直是寒冷地區(qū)節(jié)能工作的重要部分，筆者通過實地調(diào)研詢證，發(fā)現(xiàn)目前住宅圍護結(jié)構(gòu)多為框剪結(jié)構(gòu)居多，外保溫體系為主要墻體節(jié)能體系，如圖8所示。筆者對目前2014年竣工的52個典型項目樣本進行了數(shù)據(jù)調(diào)研，并進行統(tǒng)計分析整理，目的是建立較為典型的參考圍護結(jié)構(gòu)體系，為后續(xù)的分析提供科學有力的依據(jù)。從統(tǒng)計分析結(jié)果來看，墻體的置信區(qū)域：0.53-0.63W/(m2?k），屋面的置信區(qū)域：0.39-0.43W/(m2?k），門的置信區(qū)域：1.47-1.51W/(m2?k），外窗的置信區(qū)域：2.47-2.70W/(m2?k）。從各分布圖可以發(fā)現(xiàn)，墻體和屋面可選擇其各分析后的均值為典型參考模型的圍護結(jié)構(gòu)傳熱指標。而門、窗及地面分布圖分析發(fā)現(xiàn)其中的因子1.5、2.7和0.5比其均值偏好性較強的眾數(shù)具一定的代表性，故應選取眾數(shù)作為分析數(shù)據(jù)。經(jīng)過對各個構(gòu)造做法的傳熱系數(shù)與選定值進行相似度分析，從而確定參考模型構(gòu)造做法，計算分析如附圖8所示。從分析的結(jié)果可以得出，墻體可選編號6、7、8模式，屋面可選編號3、5、9模式，門除編號9外都可，窗可選編號2、4-10模式，地面可選編號5、6、8-10。分析結(jié)果詳見表2。表2各圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)選取表2.3典型相似模型建立建筑而言，將不規(guī)則圖形簡化成規(guī)則圖形，需要一個較為系統(tǒng)的簡化過程，居住建筑平面設計由于需考慮節(jié)能性、經(jīng)濟性及工業(yè)模數(shù)化等因素，從而設計出的平面形式多為近規(guī)矩圖形，為了增加靈活性，往往增設一些棱角。為此可以將戶型幾何特征及相關特性元素轉(zhuǎn)化為相似元，建立相似論域，求出相似矩形。這樣可以便于更為清晰明了的研究問題及減少繁復的計算，從而以相似簡化模型來權衡原型及其它同類型的特性，這樣可以達到較好的分析研究問題方面的功效。建筑各向外墻傳熱界面的各邊總長，如圖9所示，應為每邊多余部分加上兩端水平距離的總和，南（北）總邊長L=A+A1，東（西）總邊長H=B+B1+B3。研究建筑物理特征，需要相似元論域包括：建筑類型、層數(shù)、節(jié)能要求、氣候區(qū)域、位置，朝向、戶型、幾何形狀、面積、年耗能量等。在同條件下，前7項可以視為相似度為1（即視為完全等同），而通常幾何形狀、面積、能耗是相似度不為1的值，這樣就存在與原型總體相似的差異度之分。從上述圖形特點，如果取邊長相似度，兩個圖形的相似度為1，而對于兩圖形的面積和能耗的相異度就會很大。為此需要對不同方案的值域進行評價和優(yōu)選，方可得到相似性較好的方案模型。2.4物理邊界條件的建立本研究對象的基本能耗工況邊界條件：地點為天津；緯度為39.1°；層高為2.8m；建筑面積為91m2；冬季燃煤鍋爐集中供熱模式，戶型居住人數(shù)3人，采暖鍋爐效率取規(guī)范值0.7，冬季采暖溫度18℃（參考JGJ26-2010），內(nèi)走廊冬季溫度設置為12℃。制冷期時間為92天，設置為6月15日至9月15日，每天開啟設置為11：00-24：00點；采暖期時間為118天，設置為11月15日至第二年3月15日，上述參考《天津市居住建筑節(jié)能設計標準》（DB29-1-2013）。夏季空調(diào)制冷的普通供能系統(tǒng)模式，夏季空調(diào)制冷室內(nèi)實際溫度25℃，空調(diào)系統(tǒng)COP取3.3（參考GB12021.3-2010）。其它系統(tǒng)設定，機械通風模型關閉，輔助系統(tǒng)能耗關閉，生活熱水模型關閉，自然通風模型開啟。該建筑平面圖示及Designbuilder原型如附圖10所示，能耗參數(shù)詳見表3所示。各項能耗參數(shù)選取上一節(jié)討論中的各組合選項，其中墻體采用調(diào)研結(jié)果中的7號組合模式，屋面采用9號組合模式，門和窗采用統(tǒng)計中常用的組合模式。具體情況如表3所示。表3圍護結(jié)構(gòu)熱工計算參數(shù)表2.5模型方案優(yōu)化（1）各系統(tǒng)相似元的建立設系統(tǒng)戶型相似元素的論域U=｛圍護結(jié)構(gòu)南/北向總長(面闊)(m)，圍護結(jié)構(gòu)東/西向總長(進深)(m)，建筑面積(m2)，年單位總耗熱量kwh｝。經(jīng)核算與仿真實驗模擬結(jié)果如下：原型的相似要素集合A=(7.9,12.3,91,7606.16)方案一相似要素集合B=(7.9,12.3,97,8203.35)方案二相似要素集合C=(7.9,11.5,91,7675.03)方案三相似要素集合D=(7.4,12.3,91,7748.72)方案四相似要素集合E=(7.7,11.8,91,7712.61)（2）相似度分析為尋求與A的相似程度對各方案與其進行相似特征值求解得：S(A-B)=(1,1,0.936,0.927),S(A-C)=(1,0.935,1,0.991),S(A-D)=(0.937,1,1,0.981),S(A-E)=(0.975,0.967,1,0.986)（3）方案綜合評價利用綜合層次評價法進行個方案綜合評價分析，由于主要評價為客觀數(shù)據(jù)進行評價，故采用熵權評價法對其評價優(yōu)選，經(jīng)過綜合評價的計算過程數(shù)據(jù)整理如表4所示。表4綜合評價計算參數(shù)表從評價模型的評價結(jié)果來看，參評的幾項指標綜合評價結(jié)果，方案2<方案4<方案3<方案1；故對于該建筑采用方案2的簡化模型相似度效果最好，能夠更好代表該原建筑的總體特征。（4）不同體型特征的相似型與原型的校驗為了能夠進一步驗證該方法求得的相似型的可靠性，進行不同層數(shù)與單元組合數(shù)的年建筑制熱、制冷能耗對比分析，相似比趨勢附圖如11所示。從分析結(jié)果可以得出以下結(jié)論：基于相似分析理論的綜合評價分析優(yōu)化建立的戶型單元模型可以有效的反應原型的特性，且對于組成單元隨著建筑的層數(shù)增加與原型的相異性會更小。從數(shù)據(jù)結(jié)果分析上，相似度在0.95以上，為此可以精確反應原型的各種情況的特征，能夠達到科學、準確地得出相似模型的目的。（5）基于相似簡化模型的戶型空間重構(gòu)經(jīng)過相似分析與優(yōu)化選取，并進行簡化模型的空間合理化設計，最終得出進深11.5m×7.9m簡化典型基本戶型模型，模型分為兩種工況模式，一種情況是首層模式，一種為標準層模式，為了便于分析問題這里將頂層歸并于標準層類型考慮。具體平面圖如附圖12所示。由于建筑能耗主要取決于外圍護結(jié)構(gòu)與建筑空間形態(tài)兩個主要影響因素，故本文所建立的簡化基準模型主要針對上述兩項展開研究，對于建筑內(nèi)部空間如何布置、內(nèi)墻性能等因素的影響情況，由于其對建筑總體能耗影響小，故不為本文重點研究對象。以上所述僅為本發(fā)明的實施例，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的
技術領域：
，均同理包括在本發(fā)明的專利保護范圍內(nèi)。當前第1頁1 2 3