空氣動(dòng)力學(xué)和微環(huán)境

數字化設計與建,實(shí)整探俞金晶2014年獲英國建筑聯(lián)盟學(xué)院建筑學(xué)碩士學(xué)位,20千年獲寧波大學(xué)城市規劃工學(xué)學(xué)士學(xué)位。曾工作于北京 MAD Archited建筑事務(wù)所和上海A建筑設計公司KAERODYNAMIC MICROCLIMATE空氣動(dòng)力學(xué)和微環(huán)境關(guān)鍵詞:人體舒適性多樣微環(huán)境建筑形態(tài)進(jìn)化遺傳算法空氣動(dòng)力學(xué)互動(dòng)材料系統參數化數來(lái)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(gè)舒適環(huán)境的庇護所,但持續的自然和人為因素的變化對人的舒適度的維持會(huì )產(chǎn)生互動(dòng)式響應的需求。直到今天,人們還是使用空調系統來(lái)調節室內空間的舒適度,那是否還有其他方式呢?我們根據流體動(dòng)力學(xué)和自然通風(fēng)率計算的引導方式和技術(shù),提出以風(fēng)引起的自然通風(fēng)作為調節舒適度的手段,選擇在多個(gè)室內微環(huán)境中來(lái)響應人的使用,并做出互動(dòng)式的流動(dòng)變化,其途徑是3通過(guò)封閉空間的形態(tài)演變和混合形態(tài)的構建系統來(lái)共同實(shí)現一個(gè)整體性能驅動(dòng)的建筑。整個(gè)系統的設計是基于自然通風(fēng)能平衡人的舒適度展開(kāi)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(shù),分別解決建筑形態(tài)、曲面細分和動(dòng)態(tài)感應。自然通風(fēng)的原理方法及其數學(xué)公式作為風(fēng)引起的對流通風(fēng)的基本概念被運用到設計過(guò)程中。流體計算動(dòng)力學(xué)(CFD)是本研究的基礎,遺傳算法即形態(tài)計算演變的過(guò)程,是根據CFD的計算結果逐步優(yōu)化的,其中研究的類(lèi)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(dòng)力限制組件和整體結構性能設計的過(guò)程中;計算控制系統中包括接受濕度、溫度和風(fēng)壓強感應器的數據Y中國煤化工析數據的代碼,并通過(guò)控制材料的性質(zhì)從而滿(mǎn)足空間質(zhì)量變化的動(dòng)態(tài)需求。在材料研究中,記憶CNMHG材的合成方法為整個(gè)系統提供了應用可行性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(fēng)效率的因素有兩個(gè):一是表面上壓強差大的位置其通風(fēng)效率會(huì )高;二是低的湍流動(dòng)能其通風(fēng)效率會(huì )高。在熱帶氣候區,0.4~2ms的室內空間風(fēng)速,變換空氣里低于32℃的溫度和65%的濕度是人感覺(jué)相對比較舒適的條件。在自然界中,自下而上的涌現現象通常是形式出現的原始策略。壓力誘導自然通風(fēng)作為遺傳算法的準則,用于結合涌現和行為演化。以一個(gè)簡(jiǎn)單的形態(tài)作為開(kāi)始,根據預先確定的信息開(kāi)始發(fā)育演化。在我們的案例中,定義了三個(gè)不同的空間形態(tài),根據壓力的不同,組織空問(wèn)結合方式,以形態(tài)逐步演化的過(guò)程為進(jìn)化過(guò)程。系統的復雜性不僅是來(lái)自單個(gè)組件的復雜性,還包括復雜的規則設定。在生物學(xué)中,這種規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(jìn)化的基因組通過(guò)突變和自然選擇來(lái)實(shí)現更高的效率和更好的表現將表面上的控制點(diǎn)視作基因,控制點(diǎn)可以在一定的三維空間內移動(dòng)從而產(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7個(gè)種群,將每個(gè)種群通過(guò)計算機流體分析對通風(fēng)流速和湍流強度進(jìn)行性能評估。第一個(gè)衡量標準是根據單向為6m/s的風(fēng)在表面上形成高壓強差,以增強室內的通風(fēng)流速和設定準確的開(kāi)口位置;第二個(gè)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(dòng)能(TKE)從而確保流岀的流體不被影響。在場(chǎng)地和功能的定義下,同時(shí)考慮空間體積、基座面積和高度限制,最終有三個(gè)高效率的形式作為潛在的形態(tài)被選定出來(lái)。根據木材的特性,其物理強度會(huì )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(lái)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的剖面和風(fēng)性能CFD測試自適應材料系統/ Adaptive Material System整個(gè)構件分為固態(tài)部分和動(dòng)態(tài)部分,固態(tài)部分為進(jìn)風(fēng)口和結構,動(dòng)態(tài)部分為出風(fēng)口,包括硅膠、絕套管、記憶合金和有切割紋理的木材。動(dòng)態(tài)部分的合成過(guò)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(zhù)供應電流的提高,變形速度會(huì )加快;2)當和木頭結合后,記憶合金會(huì )丟失掉將近一半的曲率。另一個(gè)試驗是預測需要多少根記憶合金來(lái)驅動(dòng)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(lái)驅動(dòng)動(dòng)態(tài)部分所需達到的曲率。組件系統的風(fēng)性能我們希望通過(guò)組件對風(fēng)速的控制來(lái)實(shí)現人體舒適度的需求,要實(shí)現這一目的,可根據計算流體動(dòng)力學(xué)實(shí)驗設置和測試來(lái)確定組件的尺寸范圍。合適的風(fēng)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(guò)的開(kāi)口應該是單向的。我們首先對組件的剖面進(jìn)行了測試,同時(shí)考慮到組件的最大尺寸在一定程度上會(huì )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(shí)考慮進(jìn)來(lái)。試驗后得知,只要保持進(jìn)風(fēng)口面積和出風(fēng)口面積在1:3的關(guān)系,就可以將6m/s的風(fēng)速減為2m/s,而構件的邊界和深度不受風(fēng)速變化的影響。計算控制系統在自然通風(fēng)的物理現象中,計算控制系統的智能決策體現出了優(yōu)異的適應性能。通過(guò)多種感應器和數據邏輯的分析,可提高反動(dòng)態(tài)組件系統的反應能力。在現實(shí)中有三種不同的感應器,分別是溫度、濕度和風(fēng)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(fēng)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(kāi)和關(guān)閉,哪些構件需要先打開(kāi)以達到最高的通風(fēng)效率。系統的中央處理器 Arguing板在5V的電壓下工作,每隔5s便會(huì )接收一次數據,若數據不同便會(huì )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(dòng)電流為3~4A,驅動(dòng)時(shí)間約10~15s。對于每個(gè)組件,6片在同一時(shí)間被驅動(dòng)需要12Ω的電壓。因此,在整個(gè)系統中每個(gè)驅動(dòng)將消耗約60000J的熱能中國煤化工CNMH組件的內部構成設計實(shí)踐應用在對人體舒適度需求以及材料進(jìn)行研究之后,我們選擇了巴西的彼得羅利納進(jìn)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?，F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(lè )等功能,通過(guò)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(gè)建筑表皮的不同位置,通過(guò)自然通風(fēng)實(shí)現不同功能空間對微環(huán)境的差異性需求整個(gè)建筑的建造方式可以通過(guò)先進(jìn)的電腦數字控制完成,每一個(gè)木片的尺寸和節點(diǎn)的角度都不同,因此在電腦中對木片進(jìn)行分類(lèi)和數據編輯,通過(guò)數控加工( CNC Milling)和機器人( Robot)精確的切割后,可按照編號進(jìn)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(lái)建造,包括238片不同尺寸的木片和415個(gè)不同角度的節點(diǎn)進(jìn)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(gè)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