數(shù)字化設(shè)計(jì)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(guī)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(shè)計(jì)公司KAERODYNAMIC MICROCLIMATE空氣動力學(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)化遺傳算法空氣動力學(xué)互動材料系統(tǒng)參數(shù)化數(shù)來源課題: Architectural AssociatiEmergent Techonolgies Design, Thesis研究團(tuán)隊(duì):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(hù)所,但持續(xù)的自然和人為因素的變化對人的舒適度的維持會產(chǎn)生互動式響應(yīng)的需求。直到今天,人們還是使用空調(diào)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)室內(nèi)空間的舒適度,那是否還有其他方式呢?我們根據(jù)流體動力學(xué)和自然通風(fēng)率計(jì)算的引導(dǎo)方式和技術(shù),提出以風(fēng)引起的自然通風(fēng)作為調(diào)節(jié)舒適度的手段,選擇在多個(gè)室內(nèi)微環(huán)境中來響應(yīng)人的使用,并做出互動式的流動變化,其途徑是3通過封閉空間的形態(tài)演變和混合形態(tài)的構(gòu)建系統(tǒng)來共同實(shí)現(xiàn)一個(gè)整體性能驅(qū)動的建筑。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于自然通風(fēng)能平衡人的舒適度展開的。主要運(yùn)用遺傳算法、有限元結(jié)構(gòu)分析和適應(yīng)性材料測試等技術(shù),分別解決建筑形態(tài)、曲面細(xì)分和動態(tài)感應(yīng)。自然通風(fēng)的原理方法及其數(shù)學(xué)公式作為風(fēng)引起的對流通風(fēng)的基本概念被運(yùn)用到設(shè)計(jì)過程中。流體計(jì)算動力學(xué)(CFD)是本研究的基礎(chǔ),遺傳算法即形態(tài)計(jì)算演變的過程,是根據(jù)CFD的計(jì)算結(jié)果逐步優(yōu)化的,其中研究的類型是定量的;有限元結(jié)構(gòu)分析被用于形態(tài)幾何物理分析和受空氣動力限制組件和整體結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的過程中;計(jì)算控制系統(tǒng)中包括接受濕度、溫度和風(fēng)壓強(qiáng)感應(yīng)器的數(shù)據(jù)Y中國煤化工析數(shù)據(jù)的代碼,并通過控制材料的性質(zhì)從而滿足空間質(zhì)量變化的動態(tài)需求。在材料研究中,記憶CNMHG材的合成方法為整個(gè)系統(tǒng)提供了應(yīng)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(qiáng)差大的位置其通風(fēng)效率會高;二是低的湍流動能其通風(fēng)效率會高。在熱帶氣候區(qū),0.4~2ms的室內(nèi)空間風(fēng)速,變換空氣里低于32℃的溫度和65%的濕度是人感覺相對比較舒適的條件。在自然界中,自下而上的涌現(xiàn)現(xiàn)象通常是形式出現(xiàn)的原始策略。壓力誘導(dǎo)自然通風(fēng)作為遺傳算法的準(zhǔn)則,用于結(jié)合涌現(xiàn)和行為演化。以一個(gè)簡單的形態(tài)作為開始,根據(jù)預(yù)先確定的信息開始發(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(jù)壓力的不同,組織空問結(jié)合方式,以形態(tài)逐步演化的過程為進(jìn)化過程。系統(tǒng)的復(fù)雜性不僅是來自單個(gè)組件的復(fù)雜性,還包括復(fù)雜的規(guī)則設(shè)定。在生物學(xué)中,這種規(guī)則被命名為基因組的行為,在內(nèi)部和外部因素共同作用下,進(jìn)化的基因組通過突變和自然選擇來實(shí)現(xiàn)更高的效率和更好的表現(xiàn)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(nèi)移動從而產(chǎn)生不同的形態(tài)變化。通過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)種群通過計(jì)算機(jī)流體分析對通風(fēng)流速和湍流強(qiáng)度進(jìn)行性能評估。第一個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)單向?yàn)?m/s的風(fēng)在表面上形成高壓強(qiáng)差,以增強(qiáng)室內(nèi)的通風(fēng)流速和設(shè)定準(zhǔn)確的開口位置;第二個(gè)衡量標(biāo)準(zhǔn)是建筑的外部形態(tài)的選擇要盡量減少兩側(cè)和背側(cè)湍流動能(TKE)從而確保流岀的流體不被影響。在場地和功能的定義下,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。根據(jù)木材的特性,其物理強(qiáng)度會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(jié)構(gòu)片的軸向力,根據(jù)軸向力的值來調(diào)整結(jié)構(gòu)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(xì)分及結(jié)構(gòu)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(tǒng)的剖面和風(fēng)性能CFD測試自適應(yīng)材料系統(tǒng)/ Adaptive Material System整個(gè)構(gòu)件分為固態(tài)部分和動態(tài)部分,固態(tài)部分為進(jìn)風(fēng)口和結(jié)構(gòu),動態(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。動態(tài)部分的合成過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(yàn)結(jié)果顯示:1)隨著供應(yīng)電流的提高,變形速度會加快;2)當(dāng)和木頭結(jié)合后,記憶合金會丟失掉將近一半的曲率。另一個(gè)試驗(yàn)是預(yù)測需要多少根記憶合金來驅(qū)動這些有不同切割紋理、不同尺度和厚度的木板。試驗(yàn)結(jié)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驅(qū)動動態(tài)部分所需達(dá)到的曲率。組件系統(tǒng)的風(fēng)性能我們希望通過組件對風(fēng)速的控制來實(shí)現(xiàn)人體舒適度的需求,要實(shí)現(xiàn)這一目的,可根據(jù)計(jì)算流體動力學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)置和測試來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(nèi)部的2m/s。為獲得高效率的空氣流量計(jì)算,通過的開口應(yīng)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。試驗(yàn)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(gòu)件的邊界和深度不受風(fēng)速變化的影響。計(jì)算控制系統(tǒng)在自然通風(fēng)的物理現(xiàn)象中,計(jì)算控制系統(tǒng)的智能決策體現(xiàn)出了優(yōu)異的適應(yīng)性能。通過多種感應(yīng)器和數(shù)據(jù)邏輯的分析,可提高反動態(tài)組件系統(tǒng)的反應(yīng)能力。在現(xiàn)實(shí)中有三種不同的感應(yīng)器,分別是溫度、濕度和風(fēng)壓感應(yīng)器。溫度和濕度感應(yīng)器可感應(yīng)室內(nèi)空間內(nèi)人的舒適度;風(fēng)壓感應(yīng)器中國煤化工皮上壓強(qiáng)差最大的位置,然后用 Arduino中的代碼可分析接收到的數(shù)據(jù),并控制輸出多種CNMHGEPEPGY能,從而決定有多少構(gòu)件需要被打開和關(guān)閉,哪些構(gòu)件需要先打開以達(dá)到最高的通風(fēng)效率。系統(tǒng)的中央處理器 Arguing板在5V的電壓下工作,每隔5s便會接收一次數(shù)據(jù),若數(shù)據(jù)不同便會做出相應(yīng)的調(diào)整,使室內(nèi)的微環(huán)境保持平衡。一般情況下,所需要的驅(qū)動電流為3~4A,驅(qū)動時(shí)間約10~15s。對于每個(gè)組件,6片在同一時(shí)間被驅(qū)動需要12Ω的電壓。因此,在整個(gè)系統(tǒng)中每個(gè)驅(qū)動將消耗約60000J的熱能中國煤化工CNMH組件的內(nèi)部構(gòu)成設(shè)計(jì)實(shí)踐應(yīng)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(shè)計(jì)的應(yīng)用測試,即亭子尺度和中高層尺度。現(xiàn)以中高層尺度為例,80m高的建筑中包含辦公、居住、商業(yè)和娛樂等功能,通過有效的內(nèi)部空間組織,根據(jù)不同的功能將不同的組件形態(tài)選擇性地運(yùn)用到整個(gè)建筑表皮的不同位置,通過自然通風(fēng)實(shí)現(xiàn)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先進(jìn)的電腦數(shù)字控制完成,每一個(gè)木片的尺寸和節(jié)點(diǎn)的角度都不同,因此在電腦中對木片進(jìn)行分類和數(shù)據(jù)編輯,通過數(shù)控加工( CNC Milling)和機(jī)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的比例來建造,包括238片不同尺寸的木片和415個(gè)不同角度的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行CNC切割?？傆?jì)花費(fèi)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(yù)計(jì)整個(gè)建筑可在一年內(nèi)建造完畢。緣人月我的9輸翁物的的費(fèi)考他中國煤化工CNMHG