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環境建筑空調設計研究論文范文
1前言
世界性的能源危機給建筑業的發展帶來了很大的影響。針對建筑能耗占能源總消耗量比例相當大這個現實,世界各國投入大量人力、財力來研究節能建筑,對建筑的節能設計、性能評價、節能運行提出了更高的要求。基于這種情況,各種模擬評價軟件應運而生。
但是近年來對世界各國的設計、研究單位的調查表明,在實際工程設計中已開發出的模擬軟件并未被充分利用。其原因主要有以下幾個:
、佻F有的分析模擬軟件都是"面向程序"的軟件,用戶為了使用模擬程序來評價一個具體的建筑或空調設計,需要按照程序的要求準備相應的輸入數據文件。這個過程既耗時又費精力,而且一量幾個數據的輸入錯誤可能導致完全錯誤的結果,并且錯誤很難查找。
、谝粋實際的設計過程由幾個不同階段構成,由于模擬程序是針對解決某一方面的問題而設計的,它僅支持一個或某向個階段的設計,所以當用戶需要跨越幾個階段來評價設計時,就需要使用幾個模擬程序,這意味著對同一個建筑的空調設計,要為這幾個不同的模擬程序準備不同的輸入文件。顯然這大大限制了這些模擬程序的使用范圍。
③當使用模擬程序評價具體設計時,程序需要有對所分析對象的全面細致的描繪。但設計初期很難得到所有的詳細數據,即使在施工圖階段有的詳細數據可以得到,但一些經濟數據的取值會在很大程度上影響模擬程序得出的結果。因而對一般工程設計人員來講,使用模擬程序正確分析評價設計并不是件容易的事。
、苡捎谀M程序只對簡化的模型進行模擬,而不同的簡化模型會導致不同的結果。因此,如何正確選取簡化模型以及由簡化模型選擇合適的模擬程序又是一大困難。
綜上所述,繁雜的數據輸入工人、不確定性的數據取值和模型簡化而導致的結果的不確定性是導致模擬分析技術未能廣泛地在實際設計中使用的主要原因。
但是,正確地使用模擬分析技術是保證實際設計質量的唯一途徑。顯然,上面的問題并不在于模擬程序本身的計算性能不夠好,而是外部界面的問題。圍繞著如何解決這些問題,80年代后期,國際上開始出現集成化的建筑空調設計支持環境的概念,繼而許多因家陸續投入大量經費與全國各地開發此類系統。
這類集成化系統的共同特點是將各種有關的分析模擬軟件集成于一個環境下,建立統一數據庫,各個軟件通過與統一數據庫傳輸數據,從而達到互相交換數據的目的,這樣可以解決各個模擬軟件之間通訊問題。
用戶在儲存系統中模擬建筑,只需將建筑向系統描繪一次(如用CAD系統),然后集成系統可以將描繪數據轉換為模擬程序所需的輸入文件格式。而且如果集成系統進一步具有智能功能,系統可以對不同的實際應用提供默認值,及時指導建筑模型的簡化過程,從而不但大減輕輸入文件的準備工作對用戶的負擔,并且增強了數據的可靠性及結果的正確性。
與單純的模擬軟件相比,集成系統具有以下優點:
·允許用戶進行不同設計階段的分析計算。
·用統一的系統數據描述方法得到數據之后可轉換為適合不同程序的輸入文件,可作不同的分析計算工作,從而大減輕了人工準備數據的負擔。
·將一些基本知識,諸如標準部件知識、基本規則等裝入系統,便于查找,以利于系統作出正確決定。
·人機關系與以往的不同。以往的模擬程序是以機為主,機器要求什么,人就要做什么。機時集成設計系統的人機充分地配合,按人的意志,借助機器來計算、推理,并可作判斷和決定。
·結合CAD繪圖,使設計、計算合為一體。在一個系統中完成。
·系統針對具體情況為用戶提供默認值及選取簡化模型,這可在很大程度上幫助用戶模擬分析建筑,同時增強數據的可靠性。
描繪了所設想的這種集成化設計系統中的各功能塊及其相互關系。用戶利用CAD輔助設計,同時檢索各種設計資料和產品信息,然后設計結果傳輸到中心系統描述數據庫中,由知識庫指導數據轉化、再處理模擬程序的選擇。各階段模擬分析均可這同一環境下進行,它們各自的分析結果均可進入數據庫為設計的一部分,最后可以得出設計的總評價結果。
為了發展這種集成化的設計環境,必須解決下面3個問題:①統一數據庫結構和數據轉換機制,②知識庫結構,③系統平臺設計。
本文先介紹國外在數據轉換方面的發展以及知識庫的開發研究情況,然后介紹歐美國家目前已開發或正在開發的一些集成化設計支持系統,最后對我國開展這方面研究提出幾點建議。
2集成系統中的數據傳輸問題
各種集成化的建筑空調設計支持環境各有不同的結構、不同的側重點,但卻共有一個基本的特征,那就是將一些擔任不同任務的模塊通過一個中央處理環節來完成信息傳輸和信息處理。
要實現這一點,信息傳輸顯得非常重要。比如用戶在CAD系統下設計建筑圖形,數據以CAD系統內表達格式存貯,而為了用模擬程序來評價其性能質量,集成環境必須將其轉換為模擬程序所要求的輸入文件,這不僅是數據存儲方式的轉化,而且包括對數據的理解和一些再處理過程。
為適應CAD圖形系統的需要,1979年出現最早作為標準的圖形數據交換標準(IGES),起初僅為交換圖形和幾何數據。但隨著CAD系統應用于越來越多的工業生產部門,已構成強大的計算機集成制造系統(CIMS),工業產品數據的復雜性和數據的頻繁傳遞,使得IGES已不滿足要求了。怎樣準確完滿地傳遞和交換數據成為當今計算機與信息領域中亟待解決問題[1]。
美國空軍部開發了產品數據定義界面,首次提出產品建模的概念,從而使數據交換技術進入了一個新的階段。正是為了從根本上解決CIMS中各種產品的復雜性、多樣性,各個子系統之間數據的表達、理解、傳遞等問題,80年代中期,國際標準化組織著手開發產品數據標準ISOSTEP,它將發展成國際上唯一通行的數據交換標準。這就意味著不久的將來,世界各國各種計算機應用系統都應與該標準兼容。為了實現這上目標,需要許多國家不同行業的專家共同合作,使STEP具有表達所有數據模型的能力。目前參與開發STEP的國家有美國、澳大利亞、比利時、加拿大、丹麥、法國、芬蘭、德國、匈牙利、英國、瑞士、瑞典、挪威、荷蘭、日本、俄羅斯。
為了避免語言不通造成的困難,以及為了集成各地開發的模型,需要一種建模工具,以使表達標準EXPRESS。NIAM和IDEFIX是圖形工具,易用、易讀,尤其于建模初期。NIAM是一個二元數據模型,采用類似于自然語言的方式描述真實世界[1],[2]。舉一簡單的例子:"table"和"height"是兩個概念,它們之間的關系稱為"role",這里,"has-height"和"is-height-of"是兩個role,它們互為一對反關系,"?"是在role的限制(constraints),比如一個"table"有唯一確定的一個"height","唯一"就是限制。
IDEFIX也是圖形建模工具,其數據模型是實體關系模型,基本元素是物體與物體之間的關系以及物體的屬性。它與NIAM是兩個平行的建模工具,如何選擇很大程度上取決于不同的工業需要和專家手中的知識。在建筑方面,目前廣泛采用的是NIAM。
EXPRESS是一種數據定義語言,圖形建立模型最終都要轉換為EXPRESS相應的實體結構。因而從某種方面可以說,NIAM和IDEFIX是圖形工具,使概念化的模型為人所能理解,而EXPRESS是為計算機所能理解的數據定義語言。實際上EXPRESS中的實體結構(以及各種關系)是一種概念型結構。它的核心是實體(entity),實體既可以看作抽象的,也可以定義為具有清晰屬性的實在的物體,每一個屬性有特定的名稱,以表示該屬性表達的含義,屬性也是實體,這個實體的數據類型表示屬性的數據是什么樣的類型[2][3]。
EXPRESS還允許以函數和過程的形式定義屬性的操作,并且提供多種規則。比如關于屬性取值的規則,關于幾個屬性關系的規則等等。值得一提的是實體和屬性可在數據庫中實現,而規則和操作則是由作為集成的應用程序和數據庫管理軟件部分來實現。
STEP中這三種建模方法各有不相同,但EXPRESS能支持NIAM和IDEFIX的所有功能,后者應能夠很簡單地轉換為EXPRESS定義。
一旦語義在要領型模型里定義之后,不同系統之間數據就可以STEP具體數據文件來進行傳遞了。STEP轉換文件形式是順序文件,不同數據通過特征詞(或字)來區分。STEP文件并非采用最高效的方法盡可能密集地收入信息,而是重點保證信息表達轉換的普遍性、通用性[2]。信息傳輸的前提條件是接收系統和發送系統都必須能夠查閱概念模型,因為概念模型容納著實體的定義,如果沒有這個字典的定義、說明,傳輸的實體只不過是一堆毫無意義的字符或數字。因此概念模型與具體數據文件必須結合起來才能真正表達信息,傳輸信息。
因此,STEP與其他數據交換方法不同之點在于別的方法僅考慮有限的一類數據表達,僅在具有類似功能的系統(如在相似的CAD系統)之間交換數據,而STEP則允許不同功能系統(如在圖形系統與計算程序系統)之間能夠暢通無阻地進行信息傳遞。顯然它們的數據形式迥然不同,但STEP在產品概念模型定義的支持下,使得兩類系統能夠充分"理解"所傳遞的數據。其實STEP是一種中間數據形式,各個系統需要有接口與STEP相連,并能夠將自己的數據形式與STEP相互轉化,從而與其它系統建立通訊聯系。目前,STEP版本1.0已問世,對EXPRESS、通用產品數據模型、形狀表達等幾部分內容作了定義,試圖以提供等價的功能來代替IGES,DXF,SET,VDA等數據形式[2]。
在集成化環境中,中央統一數據庫象一個大容器,接收來自不同系統信息,它的數據結構可以是固定的,開發者提供如詞典一樣定義的數據的語言模型,也可以是靈活的,提供語言由用戶定義所研究對象有數據模型。而這些數據模型都應支持STEP文件,并以STEP文件形式與下屬的各子系統互相傳輸信息。
盡管STEP將是唯一的標準,但在短期內不可能在的有的應用中使用,不過它最終會成為國際標準。為了與國際上這種發展動向保持一致,我國的計算機應用系統開發者們應該考慮到與國際標準兼容問題,我們才能使開發的系統便于在世界上交流參建筑行業,集成化的建筑空調設計支持環境是將CAD與模擬環境集成一體,使CAD繪圖系統與模擬程序的產品數據模型及模擬程序之間的數據模型均能以STEP文件交流信息。
3知識庫的研究
在集成化設計支持系統中,為了指導數據的取值、再處理、數據的流向、數據結果的解釋、分析以及指導用戶開展模型分析,知識庫的建立是很重要的,隨著知識庫的功能日益完善,也就使集成系統更具智能化。
知識庫中應該包括的知識內容有:
·默認值:由于一般物理過程很復雜,實際應用者如果對物理過程和物理概念沒有較為細致的了解,就很難為一些參數取值,因此,象大地反射率、墻表面對流系數、內墻表面黑度、太陽吸收率等與復雜物理過程聯系緊密的參數,在知識庫內都應具備默認值,如果用戶不能給出,也能使系統賦予參數默認值后進行正常模擬。
·經驗數據:對于一些需要大量經驗判斷,一般設計者難以給出的數據,諸如換氣次數、室內工作人員負荷、工作日程安排、設備運行規律、照明時間、房間家具的布置、房間熱容的取值等等都需有一定的經驗才能給出合適值。知識庫可以根據建筑物的類型等等提出相應參考值,從而保證這些數據取值正確。
·物理模型選。涸诮ㄖM中,每個物理環節可以由多種不同的物理模型來描繪,不同的物理模型適宜于不同的情況。比如對某一建筑進行能耗估算,則可選取穩態模型,而如果對某一恒溫恒濕房間模擬室內溫度變化,則必須用動態模型。這些物理模型可包括圍護結構導熱模型、太陽長波輻射模型、短波輻射模型、遮陽計算模型、空氣流動模型等等。物理模型選擇的正確與否會大大影響模擬分析的結果,因此知識庫應該對不同的應用目的和應用背景提供選取物理模型的方案,并由所選的物理模型來選擇能夠支持該模型的模型軟件進行模擬分析。如何總結和劃分以及表述物理模型不僅需要專家的應用經驗,還需要理論分析,并建立模型與模擬程序之間的應關系。知識庫中這類知識為一般實際應用者提供了專家經驗,可保證模擬分析的質量。
·建筑簡化模型選取:由于實際建筑很復雜,應用模擬軟件進行評價時,必須首先將建筑簡化為簡單的幾何模型,比如有單空間模型、多空間模型。如何進行這樣的簡化也是需要專家知識的,這種幾何形狀的轉化不僅僅是選取空間,還有再造的過程。建筑簡化模型的選取不僅與應用目的有關,還與建筑具體應用狀況有關系,比如房間要求的加熱點、房間內人員安排、窗戶朝向、房間熱容、層高等等。知識庫中如果包含了這類知識,系統就可以自動地將建筑幾何尺寸進行適當轉化,相當于構造了一個新的由單空間或多房間構成的簡單建筑體!這無疑大大簡化了模擬原建筑的過程,同時合理地簡化也保證了模擬評價結果的正確性。
為了使知識庫包含這些內容,并具有相應的功能,必須一方面研究知識的內容,另一方面研究計算機系統中的知識結構。歸納起來,知識庫的研究開發要解決的問題有:
、僦R的來源和獲取途徑:由上面的闡述可知,知識庫的知識需要大量的專家經驗,單憑某個人的經驗是遠遠不夠的,如何提供友好的界面接收專家所表述的知識以及采用怎樣的表述方式都是難點。對專家來說,最好的方式是采用自然語言表述,但這將給知識的可利用性和可執行性帶來更大的困難。解決方式之一可能是系統為專家提供一種容易接受的語言,由專家來寫知識,這種語言不僅有足夠的單詞量,還要有豐富的語法使得可以清晰唯一地表述上面的知識。還要注意到所要求的專家不僅是某一方面的專家,因為這些知識要求有模擬分析方面的專家知識,還要有程序使用方面的專家知識。因此在設計獲取方式時要考慮到這一點。
、谥R在計算機系統中的表達方式:適當的知識表達方式不僅保證可表達知識的范圍,而且對知識的推理、擴充及更新都有很重要的影響。知識庫與以往的模擬軟件中的知識不同之處在于后者的知識已附在程序編碼之中,知識與計算結成一體,知識的修改、更新需要改變整個模擬程序,而知識庫的優點在球需要修改程序,知識抽取出來以一種特殊的方式集成到系統中,并能按這些知識指導模擬過程。知識庫的結構與所表述的知識內容有關,就以上的建筑模擬知識的特點,知識的表述可以采用面向目標的概念,將知識分"類"表達,保證知識的統一和知識之間的聯系。這方面的研究是知識庫開發的難點和關鍵。
、壑R的可執行性:所研究的知識表達方式應能夠充分保證它的可執行性,也主是說由表達的知識可以執行相應的動作,否則知識為起不到應有的作用。比如根據相應的知識得知采用單容積模型,并決定選取哪一個房間,知識庫執行相應的動作,找到該房間,經過必要的簡化后組成一個單空間模型,又根據所選擇程序的需要建立程序輸入文件。這一系列動作是需要嚴密的知識表述并經過推理得出再執行的。在知識庫研究開發中,知識表達與可執行性是一起考慮的,既要保證知識表達的準確唯一,又要考慮知識為計算機所能理解并進行推理。
在已開發研究的集成化設計支持系統中,知識庫還遠未達到預期的功能。但是知識庫對于開發高水平的集成環境是必不可少的。強大的知識庫的建立是邁向智能化的標志。
4歐美建筑空調設計支持環境的發展
COMBINE(ComputerModelsfortheBuildingIndustryinEurope)是由歐共體提供資金、8個國家15個研究組織加、于1990年開始的一個比較大的項目,它的最終目標是建立智能化的建筑空調設計集成環境。COMBINE的第一階段于1992年9月結束,之后進入第二階段的研究。其基本思想就是充分利用已有的建筑模擬軟件(DTs),建立一個中心數據庫(IDM),各個軟件通過與中心數據庫通訊來相互傳遞信息,另附有一個部件數據庫(CDB)[3]。
第一階段的工作集中在IDM中概念模型的建立。IDM是一個非常大的數據模型,包含了建筑行業幾乎所有重要的信息,相當于一部大字典。CAD與DTs之間并沒有直接的轉換數據過程,它們都是通過與IDM通訊來達到相互交流的目的。IDM是用NIAM建模,進而轉化為EXPRESS的概念型模型,其中包括了圖形尺寸、材料、空調參數、圍護結構的參數、空氣流動參數等等,盡可能地包攬了建筑中常用信息。具體數據文件是由STEP文件傳遞,與EXPRESS結合表述所傳遞的信息。COMBINE中DTs有六組,分別完成建筑設計與模擬的幾個方面,如有完成初步設計階段的評價的軟件,有完成詳細設計階段的評價軟件,有設計散熱器布置的軟件等等[4]。部件數據庫CDB貯存標準的部件數據,比如標準窗的數據、墻的數據及空調、供熱系統一些典型部件的數據。這項工作剛剛開始。
COMBINE第二階段的工作是完善IDM及進一步在計算機里實現IDM,即選擇適當的數據庫管理軟件;在IDM外圍開發DES(DateExchangeSystem)與AutoCAD接口;每一組DT的開發及建立與IDM的接口。此外另有一項目是開發一個知識庫系統集成于COMBINE中用來指導選擇程序、使用程序、簡化向計算機輸入建筑信息的過程。
比利時也在開發建筑設計集成軟件,其結構與COMBINE類似,有一中心數據交換區,各個設計工具與中心區之間由驅動器(driver)來轉換數據,該系統可以對五個方面作設計評價[5];
熱分析:設計軟件有MBDSA,Suncode,BLAST,DOE2.1C,TRNSYS,HVACSIMt,ESP。
結構分析:設計軟件有Systus,Acord。
噪聲分析:Sysnoise.
采光分析:Surperlite,Daylite,DOE2.1C。
費用成本分析:Multi·Devis。
由于設計方面不一樣,存在著多種法規,如果針對某一個問題從不同方面得到不同的答案,那么系統應有解決沖突的功能,便于用戶對比、評價并作選擇,該系統集成了CAD圖形工具及數據庫管理系統(DBMS),用來處理材料屬性、地理坐標等等常用信息。到目前為止,該系統只能處理一個空間的建筑,未來計劃是擴展到復雜建筑,實現多空間劃分與選取算法;完成知識庫,集成到系統中去,作為設計的助手,以解決沖突的問題;將中心數據交換結構連接到面向目標的數據庫中。此系統是以Turbo-Pascal寫成。
瑞士的ClickInformatic公司和PaulScherrerInstitute聯合開發集成的HVAC工程系統[6]考慮了整個建筑和設施,并作為一個集成的模型,在完成了大量的樣品應用試驗之后,將基本程序與一些典型化的應用組合起來形成一個"功能模型",能夠對有限的典型HVAC工程中的一些例程進行處理。它的內部基本結構包括以下幾個軟件工具:用戶界面語言,參數繪圖語言,層次定義語言,數據定義語言。建立在此結構上的功能模型充分體現了開發該系統的意圖:支持工程師的日常設計工作,比如繪圖、預測、計算、評價等。功能模型包括:
方案處理工具(建筑師用CAD繪圖,傳送給系統)
方案編輯(使方案在坐標系統中正確定位,并使建筑具有三維視覺印象)
建筑模型編輯(建筑模型定義和編輯)
建筑元件目錄(定義建筑元件)
目前,集成的HVAC工程系統還未發展成熟,這些思想還遠未完全體現出來,以后第二階段將向更廣的應用發展,比如能量計算方面。
德國開發的RETEX系統也是計算機支持的集成環境,其目的是為建筑師、工程師、能量分析專家提供一個工作臺[7]。它建立了完整的建筑的計算機模型,包括設計的每個階段的每個方面(設計、構造、運行、再設計)。由于不同階段遵循不同的法規標準,而系統提供的工作臺能夠支持建筑師、工程師等用不同法規對建筑各個方面進行評價。工作臺為用戶提供了共用的界面,這個共同的界面包含著不同問題所對應的不同的模塊。另外,系統能分別支持散布在不同地點的用戶,通過網絡連接。
傳統的建筑設計過程在計算機中實現時是按順序進行,也是說建筑師作完了設計后,其它工程師在此基礎之上,完成各自的設計計算,而不得改動原設計。RETEX的構思與此不同,它是采用集成規劃,建筑師從一開始就會得到其他工程師、專家的支持,即從設計初始階段工程師就參與了設計過程。這樣可大大提高設計質量和效率。
美國開發的AEDOT系統也是努力建立一個集成設計支持系統,與COMBINE不同之處在于AESOT系統是為不同目的專門設計了一些程序(叫做設計工具designtools),使用戶可以較方便地模擬。其好處是程序簡便,數據易轉換、傳遞,不存在轉換輸入數據文件的困難,但不象COMBINE那樣能充分發揮已完成的模擬程序的優點。因為現有的許多模擬程序應用范圍廣,計算效果也較理想,能夠計算比較復雜的建筑問題。5對我國發展集成化建筑支持環境的建議
70年代初發達國家就普遍開發建筑模擬軟件,通過模擬來研究節能建筑和HVAC系統,而我國直到80年代初才在較大范圍內開發和引進建筑分析模擬軟件,比國外晚了10年,這在一定程序上影響了我國建筑和HVAC的發展。
從80年代初期,發達國家開始推廣CAD輔助設計,我國也在廣泛地開發研究計算機繪圖與計算機輔助設計在建筑和HVAC設計中的應用。這些研究為進一步開發集成化支持環境提供了基礎。開發建筑優化設計支持環境能夠大大提高我國建筑和HVAC系統的設計水平,并能充分利用已有的模擬技術,節約人力,節約能耗。若這方面落后將會對今后我國的建筑和HVAC領域的發展帶來很大影響。
目前我國一些高校和設計研究部門已經開始做這方面的工作,但都是各成一體。由于集成化設計支持環境的開發是一項巨大的工程,小打小鬧不可能搞成功。按照我國的人力、財力狀況,這樣分頭工作、獨立開發,要想搞出高水平的集成環境是比較困難的。因此由有關部門組織協調,或民間加強交流合作是將非常有益的。
由于集成化系統設計的關鍵是多子系統間數據的共亨和轉換,因此數據結構的設計是非常重要的。只有按照統一的國際標準設計的數據結構,才有可能使我們的系統很方便地與其他系統相連。按照國際標準建立我國建筑的設備、產品、材料數據庫,也才能使這些設備、產品進入國際市場,納入到國際數據庫中,被各種優化設計環境所接收。因此目前應盡早參照ISOSTEP標準,建立我國的數據交換標準,使各種數據庫的設計、CAD及模擬軟件的接口、集成環境的設計都建立在這個統一的標準之下。
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