文摘

应用数据挖掘技术对数据库的BIM模型可以提供宝贵的见解在关键设计模式隐含在这些BIM模型。建筑设计师将能够使用以前的数据从现有建筑工程作为建筑性能仿真软件的默认值为建筑设计的早期阶段。作者提出了最小化的方法在这些默认值的大小变化在后续设计阶段。这种方法可以使仿真结果的准确性在建筑设计的初始阶段。在这项研究中,提出了更有说服力的论点证明新方法的重要性。变化在理想的默认值不同的建筑设计条件评估。接下来,每个条件对这些变化的影响。发现的空间深度有很大影响的理想窗墙比的默认值。此外,照明控制的存在与否和自然通风对理想的默认值有重要影响。这些效应可以用来识别类型的建筑条件,应考虑确定理想的默认值。

1。介绍

正如高效暖通空调和照明系统的实现和使用自然能源在绿色建筑设计是必要的,一个设计良好的建筑计划减少能源使用的建设至关重要。计算机模拟工具,如能源仿真工具,可以非常有用的这样一个发展的最佳建筑计划(1]。例如,能源仿真工具可用于生产建筑的一个增强的草图的形状最好最小化能耗在建筑过程的早期阶段(2]。

实施能源仿真工具的早期建筑设计的节能具有较高的实用价值。然而,能源仿真工具需要几个输入。它使能源仿真耗时的任务2]。此外,这些输入的众多不确定性很难执行能源有效地模拟在实际设计过程中,特别是在确定建筑形状的早期建筑设计(3]。选择差的信息基于模拟的输入可能为决策提供准确的信息。它也可能导致建筑性能差。

如何处理不确定性也是一个重要的主题在建筑信息模型(BIM [4)技术开发(5]。基于这一理念,作者一直在开发一个最佳的建筑设计援助系统,集成了计算机辅助设计(CAD),建筑环境模拟工具和一个优化算法,基于BIM的概念(6]。这些讨论作为一个答案,一个新方法分配默认值基于过去的项目记录建筑性能仿真软件提出了(7]。默认值被定义为暂定值需要在建筑设计的初始阶段的模拟。建筑环境评估的使用减少了错误增加建筑性能模拟结果的可靠性。更有说服力的论点,提出了利用新方法将适当的默认值分配给一个新的建设项目。

2。定义和默认值的重要性在建筑设计的早期阶段

建筑的形状有很大影响暖通空调和照明系统的能源消耗。因此,建筑形状是分配的首要任务在设计(8- - - - - -10]。在这种情况下,最优建筑形状的节能应制定尽可能早在最初的设计阶段(11,12]。外观,包括窗口比例和窗口区域,可能是由建筑风格和草图想法可以猜到同时当建筑形状进行了研究。然而,建筑性能的适用性并不是在此阶段进行验证。因此,优化这些参数应该在下次设计阶段(13]。此外,立面构成包括玻璃类型和厚度基于绿色建筑的外墙可能专门指导方针。然而,这些参数最优数据根据不同建筑布局包括取向(14]。因此,这些参数可能会改变由于详细的热能和经济分析后设计阶段。在这一背景下,建筑的草图形状应该研究与立面的不确定性特征。

开展能源仿真在早期设计阶段,初步值必须精心挑选的大量输入,没有确定。一些研究已经确定了模型中缺乏高质量的数据相关的不确定性的一个主要问题预防的有效采用工业个基点。尽管BIM技术的发展,可以帮助构建几何的输入,初步构建属性和所需的值仍然nongeometric所有数据输入,如窗口的属性(15]。在这项研究中,这些初步值的不确定性称为“默认值”7]。使用“默认值”是一个优势在许多仿真工具;然而,输入质量控制是一个缺失的特性对于可用性(16]。例如,建筑比例是一个设计变量,当建筑形状草图正在开发。与此同时,其他如窗口属性值和墙上的作品在后期学习必须被视为“默认值。“然而,设计变量应该包括不仅建筑的形状,而且那些影响优化输出的默认值。即优化设计值是高度受默认值的影响。选择默认值,因此,可以直接对无效的建筑师建筑形状,从而导致建筑能耗高。换句话说,一个现实的设计方法是引入模拟的不确定性参数的范围包括默认值(17]。特别是,窗口的属性,如玻璃百分比和取向,强烈影响输出(18]。此外,建立操作,例如,自然通风的实现,影响最优窗口属性(19]。因此,需要深思熟虑的考虑分配窗口属性的默认值。优化设计的解决方案必须足够健壮设计条件的变化和识别的解决方案,不太容易受到不确定性20.]。因此,研究调查的需求设计条件的敏感性增加(21]。

确保优化设计方案的可靠性,背景资料,如能源仿真结果,也应该足够健壮的输入的不确定性,在后续的设计阶段可能会有所不同。因此,理想的默认值应该被定义为确保鲁棒性。默认值应该包含的价值最大化的鲁棒性,而不是最优值最小化对象的功能,如能源消耗。注意,默认值将作为优化设计变量,并将在随后的设计阶段。

很难找到一个全局默认值,可以应用到任何类型的建筑设计。最佳的建筑设计是强烈依赖于气候21]。因此,构建组件,可以适应不同的气候应该使用。

问题出来了默认值是否可以开发基于不同的气候,就像每个国家都有自己的绿色建筑的指导方针。它可能会定义适当的简单属性的默认值,如玻璃类型。然而,窗口属性窗口等强烈依赖于建筑几何形状和建筑操作(18]。即原始窗口属性的每个建筑都应该最大限度地节能建筑形状和操作。因此,有尽可能多的适当的默认值有品种的建筑(7]。

分配适当的默认值到一个新的建设项目,一个经验丰富的设计师寻找新项目的最佳实践表明相似范围的不确定性降到最低。在当前的建筑模拟工作流在专业实践的调查中,31%的参与者表示他们重用以前的建筑信息模型的输入(15]。架构师通常旨在确定最佳实践,适合一个新项目。BIM架构师可以帮助减少费力的寻找最佳实践。

在BIM技术的发展,数据挖掘技术是有争议的22]。然而,似乎少讨论如何从现有的搜索数据建立数据集。建筑信息表示为对象的装配在女子,采用面向对象的数据库。现有建筑对象是高度发达的适应先前的建筑项目,占建筑的特色。这些概念可以用于知识转移方法利用现有建筑的特点部分新建筑设计中获益,相似之处前面的项目23]。在之前的论文中,提出了一种方法使用一个新项目,优化建筑属性使用以前的建筑设计(7,24]。图1显示模拟过程的图像使用传统方法(图1(一)),与仿真过程显示在图1 (b)使用默认值,提出了从先前的研究。

尽管所有的构建属性单独输入使用传统方法(图1(一)),模拟输入传输使用提出从先前的研究提出了模拟流中的默认值(图1 (b))。

本文提出了更有说服力的论点来显示新方法的意义。案例研究优化窗口属性在不同的条件下执行建筑形状、气候、建筑运行模式,如照明控制和自然通风。第一,在不同条件下最优窗口属性的变化。然后,最优属性之间的关系,确定每一个条件。这些关系是用来制定一项战略,寻找相似之处一个新的项目和之前的项目来确定合适的新项目“默认值”。

本研究着重于window-to-wall比(WWR)有两个原因。第一个原因是对仿真结果的影响的重要性。建筑的形状和位置的草图讨论建筑设计的开始。建筑性能模拟非常重要,因为建筑性能的两个因素是至关重要的。WWR的默认值是必需的。另一个原因是该方法的可行性。窗口的数据很容易BIM数据的输出,如工业基础类(IFC)数据模型(25]。

3所示。案例研究

3.1。计算方案

首先,确定各种不同情况下的最优解。我们考虑一个窗口设计问题通常是用于案例研究为优化研究[26]。三层办公大楼模型在这个案例研究中使用。这个建筑模型的几个属性可以设置参数化,所以默认值的影响可以适当调查。这些属性中的一个一层的面积,可以设置为400或1600²。在这项研究中,只有二楼被认为是决定建筑的输出。地面高度为3.5米,其中包括全会空间。

图2显示了建筑平面图的对象400米²。建筑面积400 m的物体²被认为是一个小规模的建筑从窗口小空间深度,而建筑面积1600 m的物体吗²被认为是一个大型建筑大空间的深度。优化的设计变量window-to-wall比率(WWR),它强烈影响建筑物的能源使用。的玻璃为一个窗口生成高度2.0米,但窗口的高度可以调整,以达到所需的WWR。目标函数是一年一度的有限公司₂发射。

案例研究是基于能源模拟各种条件下,建筑尺寸、取向,构建操作模式,如照明控制和自然通风,和天气数据。ASHRAE这样的天气数据/ TMY3在波士顿,MA,美国选择代表一个靠近北极的气候,和ASHRAE这样的天气数据/ TMY3在迈阿密,美国选择代表一个亚热带气候。

根据日光照明控制使用模拟构建操作。办公室区域分为两个区域:一个周边区域和一个室内区域。周边区域是属于一个5.0米的区域距离墙和窗户。每个区域包含一个照度传感器。这个传感器位于办公室内部的中心地带。在周边区域,传感器位于两者之间的边界区域。传感器的位置如图所示3。

自然通风这取决于外部空气温度模拟。窗户开着,当室内空气温度高于外部空气温度和温度设置点。设置点的温度是24°C。窗户开口调制的内部和外部之间的温差。最大的开放区域是窗口面积的20%。这个开口面积乘以从0到1的一个因素。当内部和外部之间的温差小于4°C,这个因素是1。因子随温差的增加呈线性降低,成为温差8 0°C。通风是交叉通风。通风率通过每个开放使用风压计算基于压差效应。

案例研究的变量条件如表所示1。其余的条件都是一样的,如表所示2。活动日程安排如图4。设计构建器(27)整合能源+ (28模拟引擎是用于模拟。只有二楼的能源消费被认为是在这些案例研究。

3.2。计算结果(波士顿)

图5展示了用例1 - 6的计算结果,利用气象数据来自波士顿的面积400米²。在例1和4,照明控制和自然通风控制模拟。在这两种情况下,WWR越大,公司越高₂排放。冷负荷随窗口区域由于太阳辐射和热量的增加透光率通过窗口。

在例2和5,daylight-dependent照明控制模拟。在这两种情况下,有限公司₂排放明显减少使用照明控制相比,例1和4,不使用照明控制。增加窗口面积增加潜在的白天使用。在这两种情况下,这种影响显然是显示WWR的大约40%。然而,这日光WWR超过50%时效果浸透。此外,公司₂与窗口区域排放增加。结果似乎与其他评价结果引用(29日)和ANSI / ASHRAE这样/ IESNA1标准90.1 -2010年,它获得的最大WWR 40%。因此,增加窗口面积超过50%的墙不是有效减少有限公司₂排放。

在例3和6中,自然通风和照明控制是模拟。在这两种情况下,自然通风和照明控制冷却的效果可以明显观察到当WWR达到50%。超过该值时,窗口领域对公司有一个小的影响₂排放。虽然公司₂发射率情况下4 - 6,窗户面对东方与西方,往往比那些在1 - 3的情况下,窗口的南北方向,增加公司类似的趋势₂排放获得了更大的窗口区域。

图6显示窗口的影响区域案例1的冷负荷,减少照明负载实现照明控制情况2、和自然通风冷却效果的情况下3(看到(a)、(b)和(c)图6、职责)。案例1中的冷负荷随窗口面积的增大而单调上升。然而,减少照明负载情况下2减少窗口面积增加。的情况下,只有照明控制被激活,例2和5,减少照明负载通过照明控制大于冷负荷的增加通过增加到某个WWR窗口区域。拐点然后达到照明负载的减少就等于暖通空调负荷增量(见(a) + (b)图6)。转折点发生在40%的WWR在这个案例研究中。因此,可以确定一个最佳WWR。最优在例2和5 WWR大约是40%。如图6自然通风冷却效果的增加几乎单调的窗口区域。的情况下,照明控制和自然通风模拟情况下3和6日有限公司₂排放减少,直到玻璃比例达到约50%时,发现2例和5。玻璃的影响比例的有限公司₂排放量很低因为照明控制的影响非常小,而不断增加的自然通风冷却效果几乎等于冷负荷的增加通过增加窗口区域(见(一)+(二)+ (c)图6)。

图77 - 12显示了结果的情况下,地板领域的1200米²和空间深度大。在病例7和10中,照明控制和自然通风控制模拟。在这两种情况下,WWR越大,公司越高₂发射,作为例1和4的被发现。然而,随着窗口面积增加,有限公司₂所有的其他情况下发射单调减少。因此,白天使用通过增加窗口区域总是将减少CO₂排放,即使影响逐渐减小。因此,设计最高WWR例的最佳解决方案是一个相对大的面积和大空间深度。

3.3。计算结果(迈阿密)

图8显示了十三至十八结果为例,根据气象数据从迈阿密的面积400米²。对比图5,同样的趋势观察窗口的影响区域的有限公司₂排放。然而,有限的拐点₂发射曲线更明显比观察图5。尽管很难找到一个最优WWR在例3和6中,窗口面积40%的比例可以作为最优情况下15 - 18。

图9显示窗口的影响区域的冷负荷情况下13,减少照明负载情况下14和15(由于自然通风冷却效果,以防看到(a)、(b)和(c)图9、职责)。所示的趋势数据9和6区别在于冷负荷的增加相对比的减少照明负载和自然通风的冷却效果。因此,当WWR达到一个拐点,减少照明负载变得等于暖通空调负荷增量(见(a) + (b)图9)。即使对于自然通风操作,冷负荷的增加变得比之和减少照明负载和冷却效果的窗口面积增加。因此,可以观察到一个转折点甚至对自然通风的情况(见例图158(一)+(二)+ (c)在图9)。

图1019到24显示了结果的情况下,地板领域的1200米²。相比于图5,同样的趋势观察窗口的影响区域的有限公司₂排放。因此,天气数据不施加重大影响的最佳窗口区域情况下相对较大的面积和大空间深度从窗口。减少公司₂排放预计因为增加窗口区域有助于减少照明负载和利用自然通风的可能性在所有的情况下考虑。

4所示。讨论

理想的“默认值”“介绍”中引用将在本节中讨论。建筑形状草图时讨论建筑设计的早期阶段,必须实现能源仿真估算建筑物的能效。在能源模拟,窗口属性,尤其是WWR施加强有力的影响输出。因此,准确输入需要获得一个最优建筑建筑的能效最大化的形状。然而,窗口属性通常不被认为是在这个阶段,因为建筑形状草图通常被认为是在建筑设计的第一阶段。因此,暂时应该分配给窗口属性值来实现能量模拟。然而,这些初步值将改变了建筑设计的后期,当窗口属性作为设计变量。因此,必须选择一个初步值最小化时的计算结果值的变化改变了建筑设计在稍后的阶段。

4.1。评估使用平均误差值的默认值

我们说明这个概念使用的案例研究部分3。图11不同WWRs时显示错误的平均值作为初步的价值观。错误的平均值计算使用以下方程: 是误差的平均值,是有限公司₂排放为例当初步WWR(公斤)是最低的公司₂排放为例(公斤),总病例数用来计算平均值。

这个错误是变化的量,结果从默认值的变化在后续阶段的建筑设计。变化的数量除以最小有限公司₂发射使用最优计算结果WWR表达值的比例。比例被认为是仿真结果的误差范围的初始阶段建筑设计。减少这种变化的价值维护仿真结果的准确性在建筑设计的初始阶段。假定在这个方程中,每个值有一个相同的概率被选为默认值和默认值被认为是优化减少CO₂排放在后续阶段的建筑设计。

波士顿的数据用于计算例1 - 12,和迈阿密数据用于计算情况下24里面。波士顿的病例数据,误差最小化的平均值WWR的大约65%。因此,一个相对较大的窗口区域可以作为理想的默认值在靠近北极的气候区域如波士顿。不过,迈阿密的情况下,错误的平均值是某种WWR最小化,如40%。因此,扩大窗口面积不一定是一个好的策略减少有限公司₂排放在白天使用和自然通风。适度WWR应该作为理想的默认值等亚热带气候区域的迈阿密。

4.2。分组的情况下,适当增加默认值

图12显示了WWRs产生最小误差的平均值,分组情况下与一个共同的建筑特征。图12(一个)显示结果的情况下与面积400米²十三至十八,例1 - 6和案例。30%的最佳WWR应该使用这个条件作为默认值。图12(b)显示了结果的情况下建筑面积1600²例7 - 14和例19到24。在这种情况下,应该使用最佳WWR 70%作为默认值,对应于两倍的价值发现的面积400²。这个结果意味着默认值的选择应基于空间深度与面积有关。如果建筑规模大、空间深度大,如例(b),一个相对较大的理想应该使用默认值。日光的影响使用和自然通风可以预期更大的窗口区域。然而,如果建筑规模很小,空间深度很小,如例(a),适度WWR应该作为理想的默认值。

数据12(c)和12(d)显示的结果为例窗口方向是北/南和东/西,分别。在这两种情况下,适度的WWRs,接近50%,导致错误的最小平均值。因此,窗口取向对最优缺省值几乎没有影响。

数据12(e),12(f)12(g)显示不同的操作模式的结果为例照明控制和自然通风。如果没有操作使用,(e),窗口面积应该最小化因为增加窗口直接增加了空调负荷。然而,当使用照明控制,增加窗口区域是一个适当的策略,减少有限公司₂排放。这时,一个温和WWR可以作为默认值。当照明控制和利用自然通风,增加窗口区域倾向于减少有限公司₂排放。在这种情况下,应该使用一个大的窗口区域作为默认值。安装通风塔也可以被视为一个默认输入能源仿真因为自然通风效果不饱和,甚至在WWR最高。这些结果暗示这些操作模式的存在与否必须包括在建筑设计的早期阶段,提高仿真的精度。

5。结论

最小化的大小改变默认值,默认值应该选择按照建筑设计条件,如建筑规模、位置、和操作模式,包括照明控制和自然通风。在这项研究中,我们首先确认理想的默认值取决于建筑设计条件。当一个建筑规模和空间深度相对较小,每个案例都有不同的最佳WWR。最优窗口大小取决于气候条件和操作模式。然而,对于建筑与大空间深度相对较大的尺度,增加窗口区域气候条件是一个适当的策略。

然后,我们调查的影响,每个条件的变化在理想WWR默认值。这些效应可用于确定类型的建筑条件,应该考虑在选择理想的默认值为一个新的建筑设计项目。研究认为,建筑规模和空间深度发现有很大影响的理想WWR的默认值,而窗口取向影响很小。此外,照明控制的存在与否和自然通风对理想的默认值有重要影响。因此,必须选择操作模式在早期阶段的建筑设计是至关重要的,因为这些元素在确定最优窗口区域。

本研究着重于WWR因为价值产生重大影响仿真结果的能量。一个理想的默认值的概念大概可以适应任何输入所需建筑性能模拟。在未来的研究中,作者计划的想法应用到其他输入,如模板所需的输入文件的标准化建设性质(15]。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

这项工作是支持jsp KAKENHI批准号25709051。