建筑中的多物理场仿真

Edmund Dickinson 2015年 1月 7日

设计新建筑时,建筑师们不仅要考虑它的艺术审美性,还要兼顾结构的牢固性,所以说,建筑师们不能仅仅是艺术家。在现代建筑设计中,人们非常关注环境是否舒适以及能源效率情况。从设计概念的提出到最终定稿,其间要解决一系列的物理问题,21世纪,建筑师们或许可以转向多物理场软件来获得帮助。

新闻报道:建筑师们开始使用模拟软件

12月份的时候,我在 BBC 上读到一篇报道,它将公众的注意力吸引到了建筑学中的计算机辅助这一话题。文章引用了仿真为建筑带来的大量重要贡献,其中就包括 Jørn Utzon 在悉尼歌剧院的革命性设计中所做的结构分析,以及迪拜哈利法塔中所进行的流固分析(立面压力)。此外,文章还提到了流体流动、微气候,以及声学研究等内容。

悉尼歌剧院正是将多物理场带入建筑中的一个示例。
悉尼歌剧院

从这篇报道来看,建筑学显然能够从传统绘图和结构分析软件之外的其他软件中受益。在 COMSOL 2014 剑桥用户年会上所做的“建筑设计仿真”用户演示中,按照人们所感兴趣的范围介绍了现代建筑中对仿真软件的使用。研究内容涉及在确定无菌室的品质时要进行的传质与流动分析、隔音窗要进行的声场处理,以及“零能耗建筑”要进行的热分析等等。

建筑外表的共轭传热

在 COMSOL 2014 剑桥用户年会的一篇获奖海报中,来自英国(伦敦)Newtecnic 公司的 Carmelo Galante 展示了他用 COMSOL Multiphysics 对外表传热性能进行的分析,特别关注了在玻璃空腔中安装有“太阳能控制设备”的双层窗户。这些窗户和百叶窗一样,能部分反射受到的太阳辐射。您可以点击此处了解该分析的更多信息。

Galante 的研究中使用了传热模块来分析三大传热模式的耦合效应,即传导、对流和辐射。玻璃腔体中是机械通风,因此在强制或自然对流下会出现流体流动。分析中以“U-值”来量化热性能,并通过更改强制对流入口与出口的数量和位置来优化设计。通过在这一个建模环境中耦合流体、热与辐射,能够计算出不同物理效应之间的相互影响。

为什么建筑师必须使用仿真?

在案例库中,您可以找到其他一些有关建筑学的案例分类。许多建筑师们都对热分析感兴趣,比如上文提到的年会作品。此外,传热模块中还包含几个与建筑相关的示例模型。其中之一考虑了窗户热性能,展示了不同玻璃构造的影响。

您可以在下图中看到 ISO 标准推拉窗中的材料结构,以及通过 COMSOL Multiphysics 仿真得到的温度曲线。由于铝结构具有较高的传热性,所以预测的 0.65 W/(m.K) 的热损耗其实相当高。

显示了推拉窗几何的图片。
推拉窗的几何结构

温度分布绘图。
推拉窗中的温度分布

结构稳定性分析也非常重要。岩土力学模块中包含一个混凝土梁模型,使用力学模型来评估由“钢筋”所带来的额外结构刚度。模型并没有将混凝土看作一种单纯的线性弹性材料,而是使用 Ottosen 塑性经验模型来对其进行描述。

我的同事 Bridget 最近写了一篇有关大型建筑外表反射率和耦合的热效应的博客:由于 拉斯维加斯 Vdara® 酒店中所采用的凹形玻璃立面,造成了焦散面的出现。模型中使用 COMSOL Multiphysics 新增的射线光学模块中的射线追踪功能对由建筑外形设计所带来的不良影响进行了“事后分析”。

射线追踪使我们能够从建筑物级别对光线的路径和反射进行研究,类似的,射线声学也可以用声腔远大于声波长的极限情况。这常见于大型室内场景,例如剧场和音乐厅,此时,我们必须要能够清楚地理解其中的声学属性。在声学模块案例库中,您可以找到一个小型音乐厅案例,其中计算了声压及能量的脉冲响应。

LiveLink™ for Revit®

在最新发布的 COMSOL Multiphysics 5.0 版本中,我们设计了一个用来将建筑设计集成到多物理场仿真中的新产品:LiveLink™ for Revit®。该集成工具和接口能将业内领先的建筑设计软件 Autodesk® Revit® 中的设计元素传递到 COMSOL Multiphysics中。

通过 LiveLink™ for Revit®,您可以将某个建筑内特定房间的几何和建筑元素与您的 COMSOL Multiphysics 模型进行相互同步。您可以根据需要向模型中增加额外的物理效应,其操作类似于在 COMSOL Multiphysics 中创建几何。通过选定希望加入的细节,您可以开展一个精确的仿真。

尝试模型构建

随着媒体和科学界对用于建筑的多物理场仿真的持续关注,我们建议您可以从我们的案例库中下载不同的案例模型,并自己动手操作学习。

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