空气动力学和微环境

数字化设计与建,实整探俞金晶2014年获英国建筑联盟学院建筑学硕士学位,20千年获宁波大学城市规划工学学士学位。曾工作于北京 MAD Archited建筑事务所和上海A建筑设计公司KAERODYNAMIC MICROCLIMATE空气动力学和微环境关键词:人体舒适性多样微环境建筑形态进化遗传算法空气动力学互动材料系统参数化数来源课题: Architectural AssociatiEmergent Techonolgies Design, Thesis研究团队:俞金晶,马也昱, Cagla Gurbay, Prajish Vinayak建筑的首要目的之一是给人提供一个舒适环境的庇护所,但持续的自然和人为因素的变化对人的舒适度的维持会产生互动式响应的需求。直到今天,人们还是使用空调系统来调节室内空间的舒适度,那是否还有其他方式呢?我们根据流体动力学和自然通风率计算的引导方式和技术,提出以风引起的自然通风作为调节舒适度的手段,选择在多个室内微环境中来响应人的使用,并做出互动式的流动变化,其途径是3通过封闭空间的形态演变和混合形态的构建系统来共同实现一个整体性能驱动的建筑。整个系统的设计是基于自然通风能平衡人的舒适度展开的。主要运用遗传算法、有限元结构分析和适应性材料测试等技术,分别解决建筑形态、曲面细分和动态感应。自然通风的原理方法及其数学公式作为风引起的对流通风的基本概念被运用到设计过程中。流体计算动力学(CFD)是本研究的基础,遗传算法即形态计算演变的过程,是根据CFD的计算结果逐步优化的,其中研究的类型是定量的;有限元结构分析被用于形态几何物理分析和受空气动力限制组件和整体结构性能设计的过程中;计算控制系统中包括接受湿度、温度和风压强感应器的数据Y中国煤化工析数据的代码,并通过控制材料的性质从而满足空间质量变化的动态需求。在材料研究中,记忆CNMHG材的合成方法为整个系统提供了应用可行性Y中国煤化工CNMHP7:202e energy. 5.7JkgTurbulence energy: 6.42J/kgTurbulence energy. 4.92J/kg- P1612l12611611l1611716i81t861916201Fitness Graph形态演化筑形态演化-遗传算法/ Evolutionary Architecture影响自然通风效率的因素有两个:一是表面上压强差大的位置其通风效率会高;二是低的湍流动能其通风效率会高。在热带气候区,0.4~2ms的室内空间风速,变换空气里低于32℃的温度和65%的湿度是人感觉相对比较舒适的条件。在自然界中,自下而上的涌现现象通常是形式出现的原始策略。压力诱导自然通风作为遗传算法的准则,用于结合涌现和行为演化。以一个简单的形态作为开始,根据预先确定的信息开始发育演化。在我们的案例中,定义了三个不同的空间形态,根据压力的不同,组织空问结合方式,以形态逐步演化的过程为进化过程。系统的复杂性不仅是来自单个组件的复杂性,还包括复杂的规则设定。在生物学中,这种规则被命名为基因组的行为,在内部和外部因素共同作用下,进化的基因组通过突变和自然选择来实现更高的效率和更好的表现将表面上的控制点视作基因,控制点可以在一定的三维空间内移动从而产生不同的形态变化。通过原始基因和突变基因的繁殖,产生了7个种群,将每个种群通过计算机流体分析对通风流速和湍流强度进行性能评估。第一个衡量标准是根据单向为6m/s的风在表面上形成高压强差,以增强室内的通风流速和设定准确的开口位置;第二个衡量标准是建筑的外部形态的选择要尽量减少两侧和背侧湍流动能(TKE)从而确保流岀的流体不被影响。在场地和功能的定义下,同时考虑空间体积、基座面积和高度限制,最终有三个高效率的形式作为潜在的形态被选定出来。根据木材的特性,其物理强度会随纹理方向的不同而变化,垂直于木材纹理的承受力是最小的。因此,我们分析了结构片的轴向力,根据轴向力的值来调整结构体的深度和厚度,以降低材料的使用量和更好地发挥材料的极限性能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中国煤化工Axial Force Depth Range: 0.62-153mCNMHGLOOP表皮细分及结构优化LLILLLIY【"C【3·131LELLLBSLILIP6中国煤化工CNMHG210OUTLET SVELOCITY( A2DYNAMIC COMPONENT INLET SIZE RANGE3.A=A月++STRUCTURE PART组成部分示意组件系统的剖面和风性能CFD测试自适应材料系统/ Adaptive Material System整个构件分为固态部分和动态部分,固态部分为进风口和结构,动态部分为出风口,包括硅胶、绝套管、记忆合金和有切割纹理的木材。动态部分的合成过程是将木材按照一定的纹理切割后使其变软再将包有绝缘套管的记忆合金夹在软性的硅胶和木材中间。试验结果显示:1)随着供应电流的提高,变形速度会加快;2)当和木头结合后,记忆合金会丢失掉将近一半的曲率。另一个试验是预测需要多少根记忆合金来驱动这些有不同切割纹理、不同尺度和厚度的木板。试验结果显示,厚的木板与低的切割密度将需要更多的记忆合金来驱动动态部分所需达到的曲率。组件系统的风性能我们希望通过组件对风速的控制来实现人体舒适度的需求,要实现这一目的,可根据计算流体动力学实验设置和测试来确定组件的尺寸范围。合适的风速条件是从外部的6m/s减小至内部的2m/s。为获得高效率的空气流量计算,通过的开口应该是单向的。我们首先对组件的剖面进行了测试,同时考虑到组件的最大尺寸在一定程度上会受到双向气流的影响,因此这种影响的最大可能性也被同时考虑进来。试验后得知,只要保持进风口面积和出风口面积在1:3的关系,就可以将6m/s的风速减为2m/s,而构件的边界和深度不受风速变化的影响。计算控制系统在自然通风的物理现象中,计算控制系统的智能决策体现出了优异的适应性能。通过多种感应器和数据逻辑的分析,可提高反动态组件系统的反应能力。在现实中有三种不同的感应器,分别是温度、湿度和风压感应器。温度和湿度感应器可感应室内空间内人的舒适度;风压感应器中国煤化工皮上压强差最大的位置,然后用 Arduino中的代码可分析接收到的数据,并控制输出多种CNMHGEPEPGY能,从而决定有多少构件需要被打开和关闭,哪些构件需要先打开以达到最高的通风效率。系统的中央处理器 Arguing板在5V的电压下工作,每隔5s便会接收一次数据,若数据不同便会做出相应的调整,使室内的微环境保持平衡。一般情况下,所需要的驱动电流为3~4A,驱动时间约10~15s。对于每个组件,6片在同一时间被驱动需要12Ω的电压。因此,在整个系统中每个驱动将消耗约60000J的热能中国煤化工CNMH组件的内部构成设计实践应用在对人体舒适度需求以及材料进行研究之后,我们选择了巴西的彼得罗利纳进行了不同建筑尺度设计的应用测试,即亭子尺度和中高层尺度。现以中高层尺度为例,80m高的建筑中包含办公、居住、商业和娱乐等功能,通过有效的内部空间组织,根据不同的功能将不同的组件形态选择性地运用到整个建筑表皮的不同位置,通过自然通风实现不同功能空间对微环境的差异性需求整个建筑的建造方式可以通过先进的电脑数字控制完成,每一个木片的尺寸和节点的角度都不同,因此在电脑中对木片进行分类和数据编辑,通过数控加工( CNC Milling)和机器人( Robot)精确的切割后,可按照编号进行迅速的装配。最终我们选取了建筑的一部分按照1:5的比例来建造,包括238片不同尺寸的木片和415个不同角度的节点进行CNC切割。总计花费了2天CNC切割+2天装配+2天记忆合金装配。按照这种建造方式,预计整个建筑可在一年内建造完毕。緣人月我的9输翁物的的费考他中国煤化工CNMHG