使用 CFD 仿真優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)

　　近日，受臺(tái)風(fēng)”煙花“的影響，江浙滬等地區(qū)正經(jīng)歷暴風(fēng)雨交加的惡劣天氣侵?jǐn)_。盡管外面是強(qiáng)風(fēng)暴雨，但由于建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的保護(hù)，我們才能免受外界環(huán)境的影響。為了設(shè)計(jì)功能完善的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，工程技術(shù)人員需要考慮各種不同的因素。

　　建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的全包裹需求

　　建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)也稱為建筑外殼，是將內(nèi)部環(huán)境與外部環(huán)境隔開的系統(tǒng)。對(duì)早期人類來說，像洞穴和茅屋這樣的建筑就是最初的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，為我們的祖先提供了必要的防護(hù)。這些早期的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為當(dāng)時(shí)的人們提供了可容納最低生活必需品的棲身之地，但隨著時(shí)間的推移，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生改變，包含的構(gòu)件不斷增多，例如墻壁、屋頂、地板和窗戶。然而，建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的目的仍然是一樣的，那就是保護(hù)居民免受外界環(huán)境以及水、熱、冷等各種因素的影響。

　　建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)保護(hù)人們免受外部環(huán)境的影響。

　　現(xiàn)代建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜。由于建筑風(fēng)格不斷變化，新的產(chǎn)品、工藝、建筑規(guī)范和設(shè)計(jì)也不斷涌入。對(duì)于這些新元素，工程技術(shù)人員要考慮結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、透水性、節(jié)能和熱性能等等。

　　Built Environments 公司著力設(shè)計(jì)改進(jìn)的建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)

　　為了高效研究氣流、水分傳輸、傳熱以及其他影響建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)性能的因素，Built Environments 公司使用了 COMSOL Multiphysics? 軟件。他們借助該軟件分析不同的物理場(chǎng)如何同時(shí)產(chǎn)生作用，并研究建筑設(shè)計(jì)、施工和評(píng)估過程不同階段的情況。Built Environments 公司總裁 Steven Doggett 指出，他們的工作主要分為三類：

　　對(duì)材料、產(chǎn)品和組件的性能進(jìn)行建筑物理研究

　　設(shè)計(jì)和重新設(shè)計(jì)服務(wù)

　　建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)咨詢，包括建筑和施工現(xiàn)場(chǎng)檢查以及建筑取證

　　對(duì)于所有這些類別，仿真都有利于增強(qiáng) Built Environments 公司的分析能力。接下來，我們看看他們使用仿真的具體例子。

　　使用 CFD 仿真設(shè)計(jì)節(jié)能建筑

　　為了提高建筑物的能源效益，建筑行業(yè)已實(shí)施對(duì)能源效益守則的改進(jìn)措施。然而，遵守這些守則卻給建筑設(shè)計(jì)師帶來了挑戰(zhàn)。應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)并提高建筑物整體能效的一個(gè)方法是提高其熱性能。這可以通過更好地理解建筑設(shè)計(jì)中不同材料、產(chǎn)品和組件的 R 值(材料抵抗熱流的能力)和 U 因子(傳熱或損耗速率)來實(shí)現(xiàn)。具體來說，希望提高建筑熱效率的工程技術(shù)人員可以增加 R 值，而減小 U 因子。(請(qǐng)注意，R 值和 U 因子成反比，U = 1/R。)

　　顯示穿過隔熱建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的樓板熱損耗的熱圖像。圖片來自公共領(lǐng)域，通過 Wikimedia Commons 分享。

　　盡管熱性能值可以通過常規(guī)方法計(jì)算，但 Doggett 提到，ASHRAE 標(biāo)準(zhǔn) 90.1 建筑規(guī)范允許用仿真代替組裝測(cè)試。這種做法對(duì)計(jì)算非常有利，因?yàn)檫m當(dāng)?shù)乃憷抡婵梢杂行в?jì)算各種可能的氣候環(huán)境和材料組合的熱性能值，從而加速設(shè)計(jì)過程。舉個(gè)例子，可以考慮使用 CFD 仿真軟件來確定墻壁裝配的熱性能。為此，工程技術(shù)人員首先必須根據(jù)真實(shí)的熱箱測(cè)試對(duì)仿真進(jìn)行正確的基準(zhǔn)測(cè)試。Built Environments 公司團(tuán)隊(duì)執(zhí)行這些類型的分析時(shí)，他們的目標(biāo)是將結(jié)果保持在當(dāng)前熱箱實(shí)際值的 ±2.5% 范圍內(nèi)。通常，他們模擬的 R 值與熱箱測(cè)試的偏差小于 1%，仿真的精度得到了證實(shí)。

　　標(biāo)準(zhǔn)鋼立柱墻的基準(zhǔn)仿真與相應(yīng)熱箱測(cè)試的對(duì)比。模擬的 R 值 10.44 與測(cè)試結(jié)果的偏差僅為 -0.57%。盡管對(duì)于驗(yàn)證來說，仿真結(jié)果與透射測(cè)試值的偏差閾值為 ±8% 通常都可以接受，但 Built Environments 的仿真結(jié)果與當(dāng)前熱箱實(shí)際情況(ASTM C1363)的結(jié)果之間的偏差一般在 2.5% 以內(nèi)。請(qǐng)記住，熱箱測(cè)試的精度為 ±5%。圖像由 Steven Doggett 提供。

　　能效設(shè)計(jì)中的問題

　　提高建筑能效并非易事。例如，一個(gè)常見的設(shè)想是隔熱性能越高越好，但這可能會(huì)導(dǎo)致潮濕問題。另一個(gè)例子是，現(xiàn)代設(shè)計(jì)的趨勢(shì)是在墻面板和磚石背墻的外側(cè)鋪設(shè)隔熱層，以減輕熱橋的影響。由于這種鋪設(shè)方式仍需要固定裝置來懸掛外墻，因此最終可能再度導(dǎo)致 熱橋效應(yīng)。所以 Doggett 評(píng)論說，這就像是“進(jìn)一步退半步”。建筑設(shè)計(jì)師該如何避免這種情況呢?Doggett 說，他的公司使用 COMSOL Multiphysics 作為一種“預(yù)防工具”，有助于“深入理解設(shè)計(jì)問題”。這種方法的可行之處在于，通過仿真，建筑設(shè)計(jì)師和工程技術(shù)人員能夠在建造之前改進(jìn)他們的設(shè)計(jì)，預(yù)測(cè)系統(tǒng)將如何對(duì)不同的環(huán)境和條件做出反應(yīng)。盡早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)問題至關(guān)重要，因?yàn)楹笃谛迯?fù)建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)問題的成本非常高，有時(shí)甚至與最初建造建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的成本相當(dāng)。

　　穿孔與無穿孔箔面隔熱層的仿真結(jié)果對(duì)比圖。在隔熱層上增加孔眼可以改善冬季穩(wěn)定條件下建筑維護(hù)結(jié)構(gòu)的防潮性能。圖片由 Steven Doggett 提供。

　　此外，在仿真中，通過以三維方式描繪復(fù)雜的問題，使建筑設(shè)計(jì)師能夠更容易地發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中的潛在問題。正如 Doggett 提到的，由于建筑行業(yè)是“視覺導(dǎo)向的”，這一點(diǎn)特別有用。

　　建筑取證

　　我們已經(jīng)討論了如何使用仿真來預(yù)防 建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的問題，但有既存 問題時(shí)會(huì)發(fā)生什么呢?針對(duì)這種情況，Built Environments 團(tuán)隊(duì)利用仿真來執(zhí)行建筑取證。這個(gè)過程包括評(píng)估和調(diào)查有缺陷的建筑設(shè)計(jì)，以確定損壞的原因和持續(xù)時(shí)間以及未來損壞的可能性。Doggett 舉了一個(gè)建筑取證的例子，一個(gè)項(xiàng)目涉及修復(fù)雨幕系統(tǒng)，該系統(tǒng)在建筑包層后面創(chuàng)造空間來幫助防潮。這對(duì)于建筑整體性能非常重要，正如 Doggett 所指出的，“大約 90% 的建筑問題是由潮濕引起的”。在這個(gè)特定的例子中，雨幕系統(tǒng)的包層由半透明的聚碳酸酯制成，部分光和熱可以通過此包層傳遞。雖然很美觀，但太陽輻射得熱量會(huì)導(dǎo)致外部泡沫隔熱層熔化。

　　聚碳酸酯雨幕系統(tǒng)的 CFD 仿真，其中竣工條件導(dǎo)致意想不到的太陽輻射得熱量。產(chǎn)生的問題包括面板變形和 XPS 隔熱層的表面熔化。對(duì)雨幕改造的 CFD 分析成功地確定了允許的最大太陽輻射得熱量和最低的通風(fēng)要求。圖片由 Steven Doggett 提供。

　　通過 CFD 分析，Built Environments 團(tuán)隊(duì)能夠確定重新設(shè)計(jì)所需的最低通風(fēng)要求和允許的最大太陽輻射得熱量?，F(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)驗(yàn)證了仿真結(jié)果的正確性。最后，Doggett 指出，團(tuán)隊(duì)成員發(fā)現(xiàn)他們“準(zhǔn)確計(jì)算了他們?cè)诂F(xiàn)場(chǎng)看到的情況”。

　　應(yīng)對(duì)建筑仿真挑戰(zhàn)

　　建筑是一個(gè)非常實(shí)用且“腳踏實(shí)地”的行業(yè)。因此，Doggett 強(qiáng)調(diào)了在建筑物理和整個(gè)建筑行業(yè)中使用仿真時(shí)，對(duì)實(shí)際物理測(cè)試進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試的重要性。我們需要進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試來增加對(duì)仿真結(jié)果的信心。Built Environments 團(tuán)隊(duì)成員在 CFD 仿真中使用現(xiàn)場(chǎng)收集的真實(shí)數(shù)據(jù)。這樣，他們可以立即驗(yàn)證條件，并確認(rèn)不同的條件如何影響建筑設(shè)計(jì)。Doggett 表示，這讓他能夠“看到仿真的力量”，因?yàn)樗梢浴傲⒓纯吹交鶞?zhǔn)”。仿真在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用也帶來了另一個(gè)挑戰(zhàn)：建筑分析中需要的大規(guī)模變化。以建筑物的小規(guī)模特征為例，正如前面提到的雨幕，它會(huì)影響整個(gè)建筑物的熱效率。Doggett 評(píng)論道，你可以通過使用二維和三維建模以及 COMSOL Multiphysics 的網(wǎng)格劃分功能來應(yīng)對(duì)這種規(guī)模的變化。盡管存在不少挑戰(zhàn)，但仿真仍能夠滿足各種建筑設(shè)計(jì)、施工和評(píng)估需求，有助于為未來的建筑設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。