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建筑節(jié)能并行的設(shè)計(jì)研究

2014-09-01 08:38  建設(shè)工程教育網(wǎng)整理  【  【打印】【我要糾錯(cuò)】

  【學(xué)員問題】建筑節(jié)能并行的設(shè)計(jì)研究?

  【解答】有關(guān)研究表明:全球的能源消耗中,45%用于滿足建筑物的取暖、制冷和采光等要求,5%用于建筑物的建造過程。建筑設(shè)計(jì)方案是否滿足節(jié)能設(shè)計(jì)要求在很大程度上決定了其整個(gè)壽命周期內(nèi)是否達(dá)到建筑節(jié)能的目的,通過設(shè)計(jì)降低建筑的能耗,可減少全球的能耗,有利于保持整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)密不可分,節(jié)能評(píng)價(jià)是實(shí)現(xiàn)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的必要手段,節(jié)能建筑的設(shè)計(jì)要求建筑設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)階段對所設(shè)計(jì)的建筑進(jìn)行建筑能耗分析,以評(píng)價(jià)建筑方案是否節(jié)能。

  1、建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法現(xiàn)狀

  目前常用的建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法有兩種:按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)和按性能性指標(biāo)設(shè)計(jì)。按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)是指建筑物體形特征和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等均按有關(guān)建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。性能性指標(biāo)由建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)兩部分組成,按性能性指標(biāo)設(shè)計(jì)是指在同時(shí)滿足建筑熱環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)的前提下,設(shè)計(jì)人員可自行確定建筑物體形特征和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等的具體技術(shù)參數(shù)。

  按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)使設(shè)計(jì)人員擺脫了復(fù)雜的計(jì)算分析,在保證工程設(shè)計(jì)的合理性和成功方面有重大作用,但由于確定規(guī)定性指標(biāo)主要考慮普遍情況,而每一個(gè)工程都有其不同于普遍情況的特殊性,因此規(guī)定性指標(biāo)對適用范圍內(nèi)的一個(gè)具體工程往往不是最佳的,即按規(guī)定性指標(biāo)很難進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),同時(shí)按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計(jì)容易阻礙新技術(shù)的應(yīng)用和壓抑設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)造性。按性能性指標(biāo)設(shè)計(jì)使建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)具有充分的靈活性,為新技術(shù)的采用和具體工程項(xiàng)目的最優(yōu)化創(chuàng)造了條件。其信息流如圖1所示,圖中各個(gè)設(shè)計(jì)信息對應(yīng)于建筑物體形特征設(shè)計(jì)、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等設(shè)計(jì)內(nèi)容。

  按性能性指標(biāo)設(shè)計(jì)需要對所設(shè)計(jì)建筑進(jìn)行能耗分析,進(jìn)而評(píng)價(jià)所設(shè)計(jì)的建筑是否節(jié)能,建筑能耗計(jì)算方法和節(jié)能評(píng)價(jià)方法的選擇成為這種設(shè)計(jì)方法的重要內(nèi)容。國內(nèi)對建筑節(jié)能評(píng)價(jià)的研究相對缺乏,目前建筑節(jié)能評(píng)價(jià)通常采用比較建筑能耗計(jì)算值和相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值的方法,建筑能耗計(jì)算值則通過相應(yīng)的能耗分析軟件獲得,若評(píng)價(jià)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的建筑并不節(jié)能,則需要設(shè)計(jì)人員憑借個(gè)人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行反復(fù)修改。國外已基本解決建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)靈活性和建筑節(jié)能評(píng)價(jià)方法問題,初步實(shí)現(xiàn)了建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能平衡分析,但設(shè)計(jì)信息與評(píng)價(jià)信息之間缺乏溝通,尚未實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)過程的動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)和建筑設(shè)計(jì)的全局優(yōu)化。

  可見,按性能性指標(biāo)進(jìn)行建筑節(jié)能設(shè)計(jì)存在如下缺點(diǎn):(1)過于依賴能耗分析軟件。(2)過于依賴設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。實(shí)際上,目前得到權(quán)威結(jié)構(gòu)確認(rèn)的能耗分析軟件數(shù)量不多且推廣程度不大,就能耗分析軟件本身而言,仍存在提高運(yùn)行速度、改進(jìn)人機(jī)界面等問題;而設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)需要長期積累。鑒于現(xiàn)有建筑節(jié)能設(shè)計(jì)方法的局限性,探索新的設(shè)計(jì)方法成為必然,本文擬采用并行設(shè)計(jì)思想,提出建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)過程和評(píng)價(jià)過程的交叉、并行及協(xié)調(diào)。

  2、建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)

  2.1建筑節(jié)能設(shè)計(jì)信息模型

  信息科學(xué)是以信息為研究對象、信息的運(yùn)動(dòng)規(guī)律為研究內(nèi)容,把擴(kuò)展人的信息功能作為研究目標(biāo)的科學(xué)[1,2].依據(jù)性質(zhì)來分類,信息可分為語法信息、語義信息和語用信息。語法信息指事物運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)和方式;語義信息指事物運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的含義;語用信息指事物狀態(tài)及狀態(tài)改變方式的效用。

  設(shè)計(jì)是為實(shí)現(xiàn)一定目標(biāo)而尋求和選擇滿意的備選方案的活動(dòng),它反映出設(shè)計(jì)對象的狀態(tài),因此建筑節(jié)能設(shè)計(jì)可看成一種語法信息,節(jié)能設(shè)計(jì)的過程就是信息的運(yùn)動(dòng)過程,信息運(yùn)動(dòng)規(guī)律可應(yīng)用于設(shè)計(jì)過程中。信息科學(xué)研究的信息運(yùn)動(dòng)規(guī)律包括信息產(chǎn)生、信息提取、信息再生、信息施效等四類。

  在建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)中,設(shè)計(jì)對象是指節(jié)能設(shè)計(jì)的對象,即建筑平臺(tái);設(shè)計(jì)主體為設(shè)計(jì)人員和計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng);設(shè)計(jì)對象本身所包含的設(shè)計(jì)信息即為產(chǎn)生信息;信息提取過程是指設(shè)計(jì)主體從設(shè)計(jì)對象提取試探性設(shè)計(jì)所需信息的過程;信息處理過程是設(shè)計(jì)主體根據(jù)試探性設(shè)計(jì)信息進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)的過程;設(shè)計(jì)主體根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)和信息處理結(jié)果產(chǎn)生決策信息,這一過程即為信息再生過程;設(shè)計(jì)主體根據(jù)決策信息進(jìn)行確定性設(shè)計(jì)的過程就是信息的施用過程;作用于設(shè)計(jì)對象的確定性設(shè)計(jì)信息即為受用信息。信息提取、信息處理、信息再生、信息施用由設(shè)計(jì)主體完成。

  2.2并行設(shè)計(jì)理論

  并行設(shè)計(jì)屬于設(shè)計(jì)理論和方法學(xué)的范疇[3,4,5],其本身也是設(shè)計(jì)理論和方法學(xué)的研究對象。并行設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)最大程度的交叉、并行及協(xié)調(diào),其實(shí)質(zhì)就是把傳統(tǒng)的“設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”的大循環(huán)轉(zhuǎn)變?yōu)槎啻蔚?ldquo;設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”小循環(huán),以便盡可能早地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的問題。工程設(shè)計(jì)本質(zhì)上是順序性、交互性的,所謂“并行”并不是指同時(shí)進(jìn)行,而是指逐步、交替地實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、工藝、管理等活動(dòng),在設(shè)計(jì)階段的每一步驟都最大可能地考慮到有關(guān)后續(xù)環(huán)節(jié)的約束,由此,并行設(shè)計(jì)所說的“并行化”應(yīng)當(dāng)理解為通過對產(chǎn)品設(shè)計(jì)對象和設(shè)計(jì)進(jìn)程的精心分解,達(dá)到有效的協(xié)同實(shí)施開發(fā)周期中諸多子活動(dòng)、子任務(wù)的目的。

  從信息科學(xué)角度看,設(shè)計(jì)過程可分成分析、綜合、評(píng)價(jià)三個(gè)過程組成,其通用模型如圖4所示。分析的作用是根據(jù)事物的功能需求,把客觀世界簡化為模型,把問題分解到可以解決的程度;綜合的作用是把元素組合成一個(gè)能工作的整體,提供多個(gè)備選方案;評(píng)價(jià)的作用是檢驗(yàn)設(shè)計(jì)方案是否能實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。分析和評(píng)價(jià)都需要接受評(píng)價(jià)產(chǎn)生的反饋信息,設(shè)計(jì)者反復(fù)回到設(shè)計(jì)過程的起點(diǎn),完善和改進(jìn)設(shè)計(jì)方案,直到滿足設(shè)計(jì)的需求。

  設(shè)計(jì)過程從總體上來說是順序性的,但設(shè)計(jì)過程可分成多個(gè)階段,各階段包括若干子任務(wù),每個(gè)子任務(wù)分別工作于設(shè)計(jì)對象的不同方面。設(shè)計(jì)過程中不一定要等所有子任務(wù)完成后才開始后續(xù)設(shè)計(jì)活動(dòng),如果有與之相適應(yīng)的描述設(shè)計(jì)對象的方式,使得提前進(jìn)行的下游環(huán)節(jié)子任務(wù)仍然有他們所需的完整信息,那就完全有可能把子任務(wù)按其處理對象重新組成一些彼此相對獨(dú)立的工作循環(huán),并使這些工作循環(huán)在一定程度上并行進(jìn)行。

  開發(fā)的微循環(huán)模型可以實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計(jì)的并行要求,其基本思想是把工程設(shè)計(jì)過程分解成一系列的設(shè)計(jì)微循環(huán)過程。在每個(gè)微循環(huán)中,根據(jù)已知的信息內(nèi)容可以同時(shí)進(jìn)行從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)中的一些或全部的活動(dòng)環(huán)節(jié)。微循環(huán)模型是一種宏觀上并行、微觀上順序的機(jī)制。將設(shè)計(jì)對象分解成子對象,宏觀上并行的機(jī)制使得設(shè)計(jì)人員可以同時(shí)工作于設(shè)計(jì)對象的不同方面,從而縮短了整個(gè)設(shè)計(jì)周期;而微觀上順序的機(jī)制使得從概念設(shè)計(jì)到詳細(xì)設(shè)計(jì)的各個(gè)具體活動(dòng)環(huán)節(jié)仍然有完整的信息而得以繼續(xù)進(jìn)行。

  3、建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程

  3.1建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程分解

  建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)分解應(yīng)根據(jù)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的一般規(guī)律來進(jìn)行。綜合考慮建筑節(jié)能評(píng)價(jià)的17個(gè)分項(xiàng)指標(biāo)[6],將建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程分解成如下四個(gè)步驟:

 、俳ㄖ诘剡x擇。采暖度日數(shù)、空調(diào)度日數(shù)、采暖期太陽總輻射量、空調(diào)期太陽總輻射量等4個(gè)室外氣象特征固化于建筑所在地,在建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)中,當(dāng)建筑所在地確定后,這4個(gè)參數(shù)即為常量,無需進(jìn)行節(jié)能評(píng)價(jià)。

  ②體型特征設(shè)計(jì)。體型特征設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括:極限體型系數(shù)設(shè)計(jì)、體型完善系數(shù)設(shè)計(jì)、建筑朝向設(shè)計(jì)等。為方便用戶輸入,建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)可將3個(gè)體型特征的輸入轉(zhuǎn)換為輸入建筑長度、寬度、層高、層數(shù)和朝向。

 、鄞皦Ρ仍O(shè)計(jì)。窗墻比設(shè)計(jì)是指建筑前向、后向、左向、右向窗墻比的設(shè)計(jì)。建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)可將前向、后向、左向、右向窗墻比的輸入分別轉(zhuǎn)化為窗戶寬度、高度和窗戶數(shù)量的輸入。

  ④構(gòu)件類型設(shè)計(jì)。構(gòu)件類型設(shè)計(jì)的內(nèi)容包括:屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、熱惰性設(shè)計(jì),外墻傳熱系數(shù)、熱惰性設(shè)計(jì),窗戶傳熱系數(shù)、吸收系數(shù)設(shè)計(jì)。

  3.2建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程修正

  在建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)中,“設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”大循環(huán)被分解成多個(gè)“設(shè)計(jì)——評(píng)價(jià)——再設(shè)計(jì)”小循環(huán),各個(gè)小循環(huán)的設(shè)計(jì)通常不能一次性完成,而是需要根據(jù)節(jié)能評(píng)價(jià)結(jié)果修正設(shè)計(jì),因此建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程是試探性的、循環(huán)的過程。

  小循環(huán)中,窗墻比設(shè)計(jì)修正和構(gòu)件類型設(shè)計(jì)修正相對復(fù)雜。為提高建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)效率,窗墻比設(shè)計(jì)修正應(yīng)解決東向、南向、西向、北向窗墻比設(shè)計(jì)修正的次序問題;構(gòu)件類型設(shè)計(jì)修正應(yīng)解決外窗、外墻、屋面設(shè)計(jì)修正的次序問題。本文根據(jù)建筑節(jié)能綜合指標(biāo)隨窗墻比、構(gòu)件類型的變化率大小,分別對窗墻比設(shè)計(jì)和構(gòu)件類型設(shè)計(jì)的修正順序進(jìn)行排序。分析變化率采用的建筑模型主要參數(shù)如下:建筑面積10×10㎡,層高2.8m,外墻傳熱系數(shù)為1.54W/(㎡.K),屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.93W/(㎡.K),窗戶傳熱系數(shù)為3.1W/(㎡.K),窗墻比為0.35,通風(fēng)次數(shù)為1次/h.能耗分析工具采用DeST軟件。

  建筑節(jié)能綜合指標(biāo)耗電量隨窗墻比的變化。建筑全年耗電量隨窗墻比的變化率從大到小依次為西向、東向、北向、南向;耗熱量隨窗墻比的變化以南向最為明顯;耗冷量隨窗墻比的變化南、北向相差不大。對于住宅建筑,東向、西向山墻通常不開窗或者所開窗屬于廚房等不控溫房間,窗墻比設(shè)計(jì)修正優(yōu)先修改南向窗墻比,然后是北向窗墻比,接著是西向、東向窗墻比。

  建筑節(jié)能綜合指標(biāo)隨外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化,耗熱量指標(biāo)隨外墻傳熱系數(shù)的變化率較大;全年耗電量、耗冷量指標(biāo)隨外墻傳熱系數(shù)和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化率基本一致?紤]窗戶是建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的環(huán)節(jié),其傳熱系數(shù)通常遠(yuǎn)大于外墻和屋面的傳熱系數(shù),構(gòu)件類型設(shè)計(jì)修正時(shí)應(yīng)優(yōu)先修改窗戶的類型,其次修改外墻類型,最后修改屋面類型。

  4、建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程搜索策略微循環(huán)微循環(huán)

  由于對建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)過程進(jìn)行了分解,小循環(huán)中建筑節(jié)能評(píng)價(jià)存在評(píng)價(jià)信息不完全[7]的情況,本文采用缺省參數(shù)代替不完全信息。設(shè)計(jì)過程中,試探性設(shè)計(jì)方案由實(shí)際設(shè)計(jì)輸入?yún)?shù)和缺省參數(shù)組成。由于缺省參數(shù)的選取具有隨機(jī)性,若沒有有效的搜索策略,將會(huì)產(chǎn)生試探性設(shè)計(jì)方案組合爆炸,從而降低建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)的效率。

  常用的搜索策略有盲目搜索和啟發(fā)式搜索兩類,盲目搜索包括回溯搜索、廣度優(yōu)先搜索、深度優(yōu)先搜索等。盲目搜索按預(yù)定控制策略進(jìn)行搜索,搜索過程中獲得的中間信息不用來改變控制策略;啟發(fā)式搜索需要有與問題本身有關(guān)的信息。因此,盲目搜索不涉及語義、語用層次的信息,適合于語法層次信息的搜索,而啟發(fā)式搜索則適合于語義、語用層次的信息的搜索;厮菟阉鞑呗允且环N試探性的搜索策略,其基本思路是:先選擇一個(gè)規(guī)則,然后應(yīng)用這個(gè)規(guī)則;如果它不能求得解答或離解答越來越遠(yuǎn)就舍棄這個(gè)規(guī)則而另選一個(gè)規(guī)則,經(jīng)過若干次回溯,終究可以得到解答。

  衡量搜索策略性能的準(zhǔn)則通常有三個(gè):

 、偻陚湫。即只要問題有解,在搜索策略的控制下就一定能找到解。

 、诒M量避免無用搜索。即增強(qiáng)搜索的目的性,盡量避免產(chǎn)生及考察無用的選項(xiàng)。

 、劭刂崎_銷小。即要求搜索策略實(shí)現(xiàn)簡單,選擇及調(diào)度可用知識(shí)的開銷盡可能小。

  本文擬采用回溯搜索策略。為提高回溯搜索的效率,在分析建筑節(jié)能評(píng)價(jià)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出以兩個(gè)極端情況作為回溯搜索的規(guī)則,從而大大減少規(guī)則的數(shù)量。所謂極端情況,就是最不利情況和最有利情況。最不(有)利情況是指選取最不(有)利于節(jié)能的評(píng)價(jià)指標(biāo),如:選取墻體類型的缺省參數(shù)時(shí),傳熱系數(shù)最大(。┑倪x擇項(xiàng)即為最不(有)利情況。采用極端情況作為規(guī)則的回溯搜索策略完全符合衡量搜索策略性能的三個(gè)準(zhǔn)則,可以避免節(jié)能評(píng)價(jià)指標(biāo)組合爆炸,提高建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)的效率。

  5、結(jié)語

 。1)對建筑設(shè)計(jì)過程進(jìn)行分解,提出建筑節(jié)能并行設(shè)計(jì)微循環(huán)模型,實(shí)現(xiàn)節(jié)能設(shè)計(jì)與節(jié)能評(píng)價(jià)的并行。

 。2)通過比較建筑節(jié)能綜合指標(biāo)隨窗墻比、構(gòu)件類型的變化率大小,指出窗墻比設(shè)計(jì)和建筑構(gòu)件設(shè)計(jì)時(shí)的修正次序。

  (3)采用以極端情況為規(guī)則的回溯搜索策略,可避免試探性設(shè)計(jì)過程設(shè)計(jì)方案組合爆炸,有利于提高設(shè)計(jì)效率。

  以上內(nèi)容均根據(jù)學(xué)員實(shí)際工作中遇到的問題整理而成,供參考,如有問題請及時(shí)溝通、指正。

責(zé)任編輯:tracy
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