一种基于响应面的建筑自然通风性能优化模型及优化方法技术

本发明专利技术涉及建筑技术领域，提供了一种基于响应面的建筑自然通风性能优化模型及优化方法。包括：参数化建模模块，CFD数值模拟模块，通过调用所述参数化建模模块进行批量模拟计算；敏感性分析模块，通过相关性分析确定各所述几何参数的敏感性指标，筛选关键的所述几何参数；响应面建构模块，通过读取所述参数管理器的数据，选择相应的实验设计方法和响应面算法对关键的所述几何参数展开响应面模型建构和精度验证；多目标优化模块，通过选择优化算法调用所述响应面模型的数据展开迭代寻优，获得优化候选方案。本发明专利技术的有益效果在于：整合了参数化建模技术、CFD数值模拟技术、响应面方法、遗传优化搜索技术，实现了建筑自然通风性能的快速优化。

An optimization model and method of building natural ventilation performance based on response surface

【技术实现步骤摘要】
一种基于响应面的建筑自然通风性能优化模型及优化方法
本专利技术涉及建筑
，更具体地说，是涉及一种基于响应面的建筑自然通风性能优化模型及优化方法。
技术介绍
方案阶段是自然通风设计的基础和关键环节，有关空间形态因子的设计决策将会对自然通风性能产生根本性的影响。近年来，随着CFD数值模拟技术与人工智能的发展，既有研究开始在方案设计阶段对二者耦合并展开迭代计算，实现自然通风性能引导下建筑形态的自动寻优。以上自然通风性能优化流程均遵循如下步骤：首先在设计空间中生成一定数量的样本，通过CFD平台进行自然通风性能的批量模拟，然后利用优化算法调用模拟结果进行分析和比较，以比较的结果作为指导，再获取下一批更好的样本，如此循环往复直至“优化”的目标达成。整个优化进程由优化算法进行驱动，无需人力参与，实现了自然通风性能引导下空间形态的“自动生成”。然而在优化进程中，利用优化算法评价的基础是对大量样本自然通风性能的批量模拟，而每一次CFD数值模拟都需要建模-网格-模拟-后处理等一系列复杂流程，动辄需要几十分钟到几小时甚至更长时间，巨大的计算成本难以对方案阶段的快速决策进行有效支持。针对上述问题，既有研究尝试搭建满足建筑初期设计需求的可视化物理风洞，替代计算耗时的CFD数值模拟，进行建筑风环境的模拟、数据测量及性能反馈。利用风洞试验可以快速获得流场数据，通过优化算法驱动机械装置的运动，实现建筑形态的自动优化与生成。以上基于风洞试验的优化方法，可以解决计算周期和精度的问题，但限于实验成本和建造难度，难以在方案设计阶段广泛应用。<br>
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于响应面的建筑自然通风性能优化模型及优化方法，以解决现有技术中存在的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：一种基于响应面的建筑自然通风性能优化模型，包括：参数化建模模块，通过内置的参数管理器编译参数间的函数表达式，建立起各几何参数间的耦合关系；CFD数值模拟模块，通过调用所述参数化建模模块，对自然通风性能指标展开批量计算，计算后的数据导入参数管理器；敏感性分析模块，可读取所述参数管理器的数据，通过相关性分析确定各所述几何参数的敏感性指标，筛选关键的所述几何参数；响应面建构模块，通过读取所述参数管理器的数据，选择相应的实验设计方法和响应面算法对关键的所述几何参数展开响应面模型建构和精度验证；多目标优化模块，通过选择优化算法调用所述响应面模型的数据展开迭代寻优，获得优化候选方案。另一方面，本专利技术提供的另一技术方案是：一种基于响应面的建筑自然通风性能优化方法，包括：步骤(1)，提取建筑空间模型的几何参数，确定自然通风性能的评价指标，并采用参数化建模模块进行建模；步骤(2)，采用敏感性分析模块计算各所述几何参数的敏感性指标，筛选关键几何参数；步骤(3)，通过实验设计对所述关键几何参数的组合进行抽样，形成一定数量的均匀分布样本，利用CFD数值模拟模块调用参数化模型进行批量计算，获得所述均匀分布样本的输出数据；步骤(4)，以所述实验设计的输出数据为基础，采用相应的算法进行数据的拟合与插值，构建响应面模型；同时对所述响应面模型的预测精度进行验证，满足精度要求则进入优化环节，否则进行新的所述实验设计。可选实施例中，步骤(5)：利用优化算法调用所述响应面模型进行迭代寻优，直至优化目标达成。可选实施例中，基于空气流经建筑的次序，所述步骤(1)中的所述几何参数分为四个层级，分别为进风口层级、交界面层级、腔体层级和出风口层级。可选实施例中，所述进风口层级的几何参数包括进风口个数、进风口宽度、进风口距地距离和进风口高度；所述交界面层级的几何参数包括交界面开口个数、交界面开口宽度缩放系数、交界面开口距地距离和交界面开口高度；所述腔体层级的几何参数包括腔体截面边长、腔体高度；所述出风口层级的几何参数包括出风口边长缩放系数。可选实施例中，所述步骤(1)中的自然通风性能的评价指标主要为空气龄、温度和风速。可选实施例中，所述步骤(2)中的所述关键几何参数为所述进风口个数、进风口宽度、进风口距地距离、进风口高度、交界面开口个数、交界面开口宽度缩放系数、交界面开口距地距离、腔体截面边长和出风口边长缩放系数。可选实施例中，所述步骤(3)中，所述均匀分布样本的数据为300组，提取所述空气龄值、温度平均值和风速平均值，采用二阶多项式、神经网络或Kriging法构建所述步骤(4)中的所述响应面模型。可选实施例中，所述响应面模型为多维的超曲面数学模型，可建立输入参数与输出参数之间的映射关系。可选实施例中，所述步骤(5)中，采用多目标遗传算法调用所述步骤(4)中的所述响应面模型的数据进行快速寻优，获得的所述优化目标包括优化候选方案以及所述几何参数的优化区间。本专利技术的有益效果在于：(1)本专利技术提出了响应面的建筑自然通风性能优化模型及优化方法，包括参数敏感性分析、实验设计、响应面模型建构、多目标优化等过程，实现了自然通风性能引导下的建筑形态的快速生成，为方案阶段自然通风优化设计提供了有效支持。(2)本专利技术提出了响应面的建筑自然通风性能优化模型及优化方法，整合了参数化建模技术、CFD数值模拟技术、响应面方法、遗传优化搜索技术，实现了建筑自然通风性能的快速优化。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化方法的流程示意图。图2为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化模型平台示意图。图3为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化模型中的典型模型示意图。图4为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化模型中的典型模型内部的气流组织示意图。图5为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化方法中的11个几何参数的敏感性分析示意图。图6为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化模型中的响应面模型示意图。图7为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化模型中的响应面模型精度验证示意图。图8为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化方法中的迭代次数示意图。图9为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化方法中的帕累托前沿示意图。图10为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化方法中的非支配解中的优化方案示意图。图11为本专利技术一实施例提供的基于响应面的建筑自然通风性能优化方法中的优化方案的参数区间分布示意图。具体实施方式为了使本专利技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于响应面的建筑自然通风性能优化模型，包括：/n参数化建模模块，通过内置的参数管理器编译参数间的函数表达式，建立起各几何参数间的耦合关系；/nCFD数值模拟模块，通过调用所述参数化建模模块，对自然通风性能指标展开批量计算，计算后的数据导入参数管理器；/n敏感性分析模块，可读取所述参数管理器的数据，通过相关性分析确定各所述几何参数的敏感性指标，筛选关键的所述几何参数；/n响应面建构模块，通过读取所述参数管理器的数据，选择相应的实验设计方法和响应面算法对关键的所述几何参数展开响应面模型建构和精度验证；/n多目标优化模块，通过选择优化算法调用所述响应面模型的数据展开迭代寻优，获得优化候选方案。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于响应面的建筑自然通风性能优化模型，包括：
参数化建模模块，通过内置的参数管理器编译参数间的函数表达式，建立起各几何参数间的耦合关系；
CFD数值模拟模块，通过调用所述参数化建模模块，对自然通风性能指标展开批量计算，计算后的数据导入参数管理器；
敏感性分析模块，可读取所述参数管理器的数据，通过相关性分析确定各所述几何参数的敏感性指标，筛选关键的所述几何参数；
响应面建构模块，通过读取所述参数管理器的数据，选择相应的实验设计方法和响应面算法对关键的所述几何参数展开响应面模型建构和精度验证；
多目标优化模块，通过选择优化算法调用所述响应面模型的数据展开迭代寻优，获得优化候选方案。


2.一种基于响应面的建筑自然通风性能优化方法，包括：
步骤(1)，提取建筑空间模型的几何参数，确定自然通风性能的评价指标，并采用参数化建模模块进行建模；
步骤(2)，采用敏感性分析模块计算各所述几何参数的敏感性指标，筛选关键几何参数；
步骤(3)，通过实验设计对所述关键几何参数的组合进行抽样，形成一定数量的均匀分布样本，利用CFD数值模拟模块调用参数化模型进行批量计算，获得所述均匀分布样本的输出数据；
步骤(4)，以所述实验设计的输出数据为基础，采用相应的算法进行数据的拟合与插值，构建响应面模型；同时对所述响应面模型的预测精度进行验证，满足精度要求则进入优化环节，否则进行新的所述实验设计。


3.如权利要求2所述的基于响应面的建筑自然通风性能优化方法，其特征在于，
步骤(5)：利用优化算法调用所述响应面模型进行迭代寻优，直至优化目标达成。


4.如权利要求2所述的基于响应面的建筑自然通风性能优化方法，其特征在于，基于空气流经建筑的次序，所述步骤(1)中的所述几...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伶伶，白晓伟，刘万里，夏柏树，张龙巍，
申请(专利权)人：沈阳建筑大学，沈阳新建大城市规划设计有限公司，
类型：发明
国别省市：辽宁;21