建筑節(jié)能并行設(shè)計研究

Word版本，下載可自由編輯建筑節(jié)能并行設(shè)計研究下面是我給大家?guī)黻P(guān)于建造節(jié)能并行設(shè)計的相關(guān)內(nèi)容，以供參考。

設(shè)計辦法的優(yōu)劣將影響設(shè)計的效率，建造節(jié)能并行設(shè)計可提升建造節(jié)能設(shè)計的效率。本文在分析建造節(jié)能設(shè)計信息模型的基礎(chǔ)上，提出建造節(jié)能并行設(shè)計微循環(huán)模型，分析其設(shè)計過程的分解與修正，并提出適用于建造節(jié)能并行設(shè)計的回溯搜尋策略。

有關(guān)討論表明：全球的能源消耗中，45%用于滿足建造物的取暖、制冷和采光等要求，5%用于建造物的建筑過程。建造設(shè)計計劃是否滿足節(jié)能設(shè)計要求在很大程度上打算了其囫圇壽命周期內(nèi)是否達(dá)到建造節(jié)能的目的，利用設(shè)計降低建造的能耗，可削減全球的能耗，有利于保持囫圇生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定。節(jié)能建造的設(shè)計與評價密不行分，節(jié)能評價是實(shí)現(xiàn)建造節(jié)能設(shè)計的須要手段，節(jié)能建造的設(shè)計要求建造設(shè)計人員在設(shè)計階段對所設(shè)計的建造舉行建造能耗分析，以評價建造計劃是否節(jié)能。

1建造節(jié)能設(shè)計辦法現(xiàn)狀

目前常用的建造節(jié)能設(shè)計辦法有兩種：按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計和按性能性指標(biāo)設(shè)計。按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計是指建造物體形特征和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等均按有關(guān)建造節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)舉行設(shè)計。性能性指標(biāo)由建造熱環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)兩部分組成，按性能性指標(biāo)設(shè)計是指在同時滿足建造熱環(huán)境質(zhì)量指標(biāo)和能耗指標(biāo)的前提下，設(shè)計人員可自行確定建造物體形特征和圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等的詳細(xì)技術(shù)參數(shù)。

按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計使設(shè)計人員掙脫了復(fù)雜的計算分析，在保證工程設(shè)計的合理性和勝利方面有重大作用，但因?yàn)榇_定規(guī)定性指標(biāo)主要考慮普遍狀況，而每一個工程都有其不同于普遍狀況的特別性，因此規(guī)定性指標(biāo)對適用范圍內(nèi)的一個詳細(xì)工程往往不是最佳的，即按規(guī)定性指標(biāo)很難舉行優(yōu)化設(shè)計，同時按規(guī)定性指標(biāo)設(shè)計簡單妨礙新技術(shù)的應(yīng)用和壓抑設(shè)計人員的制造性。按性能性指標(biāo)設(shè)計使建造節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)具有充分的靈便性，為新技術(shù)的采納和詳細(xì)工程項(xiàng)目的最優(yōu)化制造了條件。其信息流如圖1所示，圖中各個設(shè)計信息對應(yīng)于建造物體形特征設(shè)計、圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能等設(shè)計內(nèi)容。

按性能性指標(biāo)設(shè)計需要對所設(shè)計建造舉行能耗分析，進(jìn)而評價所設(shè)計的建造是否節(jié)能，建造能耗計算辦法和節(jié)能評價辦法的挑選成為這種設(shè)計辦法的重要內(nèi)容。國內(nèi)對建造節(jié)能評價的討論相對缺乏，目前建造節(jié)能評價通常采納比較建造能耗計算值和相關(guān)節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)值的辦法，建造能耗計算值則利用相應(yīng)的能耗分析軟件獲得，若評價結(jié)果表明所設(shè)計的建造并不節(jié)能，則需要設(shè)計人員憑借個人的設(shè)計閱歷對設(shè)計計劃舉行反復(fù)修改。國外已基本解決建造節(jié)能設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)靈便性和建造節(jié)能評價辦法問題，初步實(shí)現(xiàn)了建造圍護(hù)結(jié)構(gòu)的節(jié)能平衡分析，但設(shè)計信息與評價信息之間缺乏交流，尚未實(shí)現(xiàn)建造設(shè)計過程的動態(tài)評價和建造設(shè)計的全局優(yōu)化。

可見，按性能性指標(biāo)舉行建造節(jié)能設(shè)計存在如下缺點(diǎn)：(1)過于依靠能耗分析軟件。過于依靠設(shè)計人員的設(shè)計閱歷。實(shí)際上，目前得到權(quán)威結(jié)構(gòu)確認(rèn)的能耗分析軟件數(shù)量不多且推廣程度不大，就能耗分析軟件本身而言，仍存在提升運(yùn)行速度、改進(jìn)人機(jī)界面等問題；而設(shè)計人員的閱歷需要長久堆積。鑒于現(xiàn)有建造節(jié)能設(shè)計辦法的局限性，探究新的設(shè)計辦法成為必定，本文擬采納并行設(shè)計思想，提出建造節(jié)能并行設(shè)計辦法，實(shí)現(xiàn)設(shè)計過程和評價過程的交錯、并行及協(xié)調(diào)，其信息流如圖2所示。

2建造節(jié)能并行設(shè)計理論基礎(chǔ)

2.1建造節(jié)能設(shè)計信息模型

信息科學(xué)是以信息為討論對象、信息的運(yùn)動邏輯為討論內(nèi)容，把擴(kuò)展人的信息功能作為討論目標(biāo)的科學(xué)[1,2]。依據(jù)性質(zhì)來分類，信息可分為語法信息、語義信息和語用信息。語法信息指事物運(yùn)動的狀態(tài)和方式；語義信息指事物運(yùn)動狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)變方式的含義；語用信息指事物狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)變方式的效用。

設(shè)計是為實(shí)現(xiàn)一定目標(biāo)而尋求和挑選愜意的備選計劃的活動，它反映出設(shè)計對象的狀態(tài)，因此建造節(jié)能設(shè)計可看成一種語法信息，節(jié)能設(shè)計的過程就是信息的運(yùn)動過程，信息運(yùn)動邏輯可應(yīng)用于設(shè)計過程中。信息科學(xué)討論的信息運(yùn)動邏輯包括信息產(chǎn)生、信息提取、信息再生、信息施效等四類，其普通模型如圖3所示。

在建造節(jié)能并行設(shè)計中，設(shè)計對象是指節(jié)能設(shè)計的對象，即建造平臺；設(shè)計主體為設(shè)計人員和計算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)；設(shè)計對象本身所包含的設(shè)計信息即為產(chǎn)生信息；信息提取過程是指設(shè)計主體從設(shè)計對象提取摸索性設(shè)計所需信息的過程；信息處理過程是設(shè)計主體按照摸索性設(shè)計信息舉行節(jié)能評價的過程；設(shè)計主體按照設(shè)計目標(biāo)和信息處理結(jié)果產(chǎn)生決策信息，這一過程即為信息再生過程；設(shè)計主體按照決策信息舉行確定性設(shè)計的過程就是信息的施用過程；作用于設(shè)計對象確實(shí)定性設(shè)計信息即為受用信息。信息提取、信息處理、信息再生、信息施用由設(shè)計主體完成。

2.2并行設(shè)計理論

并行設(shè)計屬于設(shè)計理論和辦法學(xué)的范疇[3,4,5]，其本身也是設(shè)計理論和辦法學(xué)的討論對象。并行設(shè)計強(qiáng)調(diào)產(chǎn)品開發(fā)各環(huán)節(jié)之間實(shí)現(xiàn)最大程度的交錯、并行及協(xié)調(diào)，其實(shí)質(zhì)就是把傳統(tǒng)的“設(shè)計——評價——再設(shè)計”的大循環(huán)改變?yōu)槎啻蔚摹霸O(shè)計——評價——再設(shè)計”小循環(huán)，以便盡可能早地發(fā)覺設(shè)計中存在的問題。工程設(shè)計本質(zhì)上是挨次性、交互性的，所謂“并行”并不是指同時舉行，而是指逐步、交替地實(shí)現(xiàn)設(shè)計、工藝、管理等活動，在設(shè)計階段的每一步驟都最大可能地考慮到有關(guān)后續(xù)環(huán)節(jié)的約束，由此，并行設(shè)計所說的“并行化”應(yīng)該理解為利用對產(chǎn)品設(shè)計對象和設(shè)計進(jìn)程的細(xì)心分解，達(dá)到有效的協(xié)同實(shí)施開發(fā)周期中諸多子活動、子任務(wù)的目的。

從信息科學(xué)角度看，設(shè)計過程可分成分析、綜合、評價三個過程組成，其通用模型如圖4所示。分析的作用是按照事物的功能需求，把客觀世界簡化為模型，把問題分解到可以解決的程度；綜合的作用是把元素組合成一個能工作的整體，提供多個備選計劃；評價的作用是檢驗(yàn)設(shè)計計劃是否能實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)。分析和評價都需要接受評價產(chǎn)生的反饋信息，設(shè)計者反復(fù)回到設(shè)計過程的起點(diǎn)，完美和改進(jìn)設(shè)計計劃，直到滿足設(shè)計的需求。

設(shè)計過程從總體上來說是挨次性的，但設(shè)計過程可分成多個階段，各階段包括若干子任務(wù)，每個子任務(wù)分離工作于設(shè)計對象的不同方面。設(shè)計過程中不一定要等全部子任務(wù)完成后才開頭后續(xù)設(shè)計活動，假如有與之相適應(yīng)的描述設(shè)計對象的方式，使得提前舉行的下游環(huán)節(jié)子任務(wù)仍然有他們所需的完整信息，那就徹低有可能把子任務(wù)按其處理對象重新組成一些彼此相對自立的工作循環(huán)，并使這些工作循環(huán)在一定程度上并行舉行。

文獻(xiàn)[3]開發(fā)的微循環(huán)模型可以實(shí)現(xiàn)上述設(shè)計的并行要求，其基本思想是把工程設(shè)計過程分解成一系列的設(shè)計微循環(huán)過程，如圖5所示。在每個微循環(huán)中，按照已知的信息內(nèi)容可以同時舉行從概念設(shè)計到具體設(shè)計中的一些或所有的活動環(huán)節(jié)。微循環(huán)模型是一種宏觀上并行、微觀上挨次的機(jī)制。將設(shè)計對象分解成子對象，宏觀上并行的機(jī)制使得設(shè)計人員可以同時工作于設(shè)計對象的不同方面，從而縮短了囫圇設(shè)計周期；而微觀上挨次的機(jī)制使得從概念設(shè)計到具體設(shè)計的各個詳細(xì)活動環(huán)節(jié)仍然有完整的信息而得以繼續(xù)舉行。

3建造節(jié)能并行設(shè)計過程

3.1建造節(jié)能并行設(shè)計過程分解

建造節(jié)能并行設(shè)計的設(shè)計分解應(yīng)按照建造節(jié)能設(shè)計的普通邏輯來舉行。綜合考慮建造節(jié)能評價的17個分項(xiàng)指標(biāo)[6]，將建造節(jié)能并行設(shè)計過程分解成如下四個步驟：

①建造所在地挑選。采暖度日數(shù)、空調(diào)度日數(shù)、采暖期太陽總輻射量、空調(diào)期太陽總輻射量等4個室外氣象特征固化于建造所在地，在建造節(jié)能并行設(shè)計中，當(dāng)建造所在地確定后，這4個參數(shù)即為常量，無需舉行節(jié)能評價。

②體型特征設(shè)計。體型特征設(shè)計的內(nèi)容包括：極限體型系數(shù)設(shè)計、體型完美系數(shù)設(shè)計、建造朝向設(shè)計等。為便利用戶輸入，建造節(jié)能并行設(shè)計軟件實(shí)現(xiàn)時可將3個體型特征的輸入轉(zhuǎn)換為輸入建造長度、寬度、層高、層數(shù)和朝向。

③窗墻比設(shè)計。窗墻比設(shè)計是指建造前向、后向、左向、右向窗墻比的設(shè)計。建造節(jié)能并行設(shè)計軟件實(shí)現(xiàn)時可將前向、后向、左向、右向窗墻比的輸入分離轉(zhuǎn)化為窗戶寬度、高度和窗戶數(shù)量的輸入。

④構(gòu)件類型設(shè)計。構(gòu)件類型設(shè)計的內(nèi)容包括：屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)、熱惰性設(shè)計，外墻傳熱系數(shù)、熱惰性設(shè)計，窗戶傳熱系數(shù)、汲取系數(shù)設(shè)計。

在設(shè)計分解基礎(chǔ)上，建立并行設(shè)計微循環(huán)模型如圖6所示。

3.2建造節(jié)能并行設(shè)計過程修正

在建造節(jié)能并行設(shè)計中，“設(shè)計——評價——再設(shè)計”大循環(huán)被分解成多個“設(shè)計——評價——再設(shè)計”小循環(huán)，各個小循環(huán)的設(shè)計通常不能一次性完成，而是需要按照節(jié)能評價結(jié)果修正設(shè)計，因此建造節(jié)能并行設(shè)計過程是摸索性的、循環(huán)的過程。

小循環(huán)中，窗墻比設(shè)計修正和構(gòu)件類型設(shè)計修正相對復(fù)雜。為提升建造節(jié)能并行設(shè)計效率，窗墻比設(shè)計修正應(yīng)解決東向、南向、西向、北向窗墻比設(shè)計修正的次序問題；構(gòu)件類型設(shè)計修正應(yīng)解決外窗、外墻、屋面設(shè)計修正的次序問題。本文按照建造節(jié)能綜合指標(biāo)隨窗墻比、構(gòu)件類型的變化率大小，分離對窗墻比設(shè)計和構(gòu)件類型設(shè)計的修正挨次舉行排序。分析變化率采納的建造模型主要參數(shù)如下：建造面積10×10m2，層高2.8m，外墻傳熱系數(shù)為1.54W/(m2.K)，屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)為0.93W/(m2.K)，窗戶傳熱系數(shù)為3.1W/(m2.K)，窗墻比為0.35，通風(fēng)次數(shù)為1次/h。能耗分析工具采納DeST軟件。

建造節(jié)能綜合指標(biāo)耗電量隨窗墻比的變化如圖7～9所示。建造全年耗電量隨窗墻比的變化率從大到小依次為西向、東向、北向、南向；耗熱量隨窗墻比的變化以南向最為顯然；耗冷量隨窗墻比的變化南、北向相差不大。對于住所建造，東向、西向山墻通常不開窗或者所開窗屬于廚房等不控溫房間，窗墻比設(shè)計修正優(yōu)先修改南向窗墻比，然后是北向窗墻比，接著是西向、東向窗墻比。

建造節(jié)能綜合指標(biāo)隨外墻和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化如圖10～12所示，耗熱量指標(biāo)隨外墻傳熱系數(shù)的變化率較大；全年耗電量、耗冷量指標(biāo)隨外墻傳熱系數(shù)和屋面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的變化率基本全都?？紤]窗戶是建造圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的環(huán)節(jié)，其傳熱系數(shù)通常遠(yuǎn)大于外墻和屋面的傳熱系數(shù)，構(gòu)件類型設(shè)計修正時應(yīng)優(yōu)先修改窗戶的類型，第二修改外墻類型，最后修改屋面類型。

4建造節(jié)能并行設(shè)計過程搜尋策略[yjy1]微循環(huán)微循環(huán)

因?yàn)閷ㄔ旃?jié)能并行設(shè)計過程舉行了分解，小循環(huán)中建造節(jié)能評價存在評價信息不徹低[7]的狀況，本文采納缺省參數(shù)代替不徹低信息。設(shè)計過程中，摸索性設(shè)計計劃由實(shí)際設(shè)計輸入?yún)?shù)和缺省參數(shù)組成。因?yàn)槿笔?shù)的選取具有隨機(jī)性，若沒有有效的搜尋策略，將會產(chǎn)生摸索性設(shè)計計劃組合爆炸，從而降低建造節(jié)能并行設(shè)計的效率。

常用的搜尋策略有盲目搜尋和引發(fā)式搜尋兩類，盲目搜尋包括回溯搜尋、廣度優(yōu)先搜尋、深度優(yōu)先搜尋等。盲目搜尋按預(yù)定控制策略舉行搜尋，搜尋過程中獲得的中間信息不用來轉(zhuǎn)變控制策略；引發(fā)式搜尋需要有與問題本身有關(guān)的信息。因此，盲目搜尋不涉及語義、語用層次的信息，適合于語法層次信息的搜尋，而引發(fā)式搜尋則適合于語義、語用層次的信息的搜尋?；厮菟褜げ呗允且环N摸索性的搜尋策略，其基本思路是：先挑選一個規(guī)章，然后應(yīng)用這個規(guī)章；假如它不能求得解答或離解答越來越遠(yuǎn)就舍棄這個規(guī)章而另選一個規(guī)章，經(jīng)過若干次回溯，終究可以得到解答。

衡量搜尋策略性能的準(zhǔn)則通常有三個：

①完備性。即只要問題有解，在搜尋策略的控制下就一定能找到解。

②盡量避開無用搜尋。即增加搜尋的目的性，盡量避開產(chǎn)生及考察無用的選項(xiàng)。

③控制開銷小。即要求搜尋策略實(shí)現(xiàn)容易，挑選及調(diào)度可用學(xué)問的開銷盡可能小。

本文擬采納回溯搜尋策略。為提升回溯搜尋的效率，在分析建造節(jié)能評價特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出以兩個極端狀況作為回溯搜尋的規(guī)章，從而大大削減規(guī)章的數(shù)量，如圖13所示。所謂極端狀況，就是最不利狀況和最有利狀況。最不利狀況是指選取最不利于節(jié)能的評價指標(biāo)，如：選取墻體類型的缺省參數(shù)時，傳熱系數(shù)最大的挑選項(xiàng)即為最不利狀況。采納極端狀況作為規(guī)章的回溯搜尋策略徹低符合衡量搜尋策略性能的三個準(zhǔn)則，可以避開節(jié)能評價指標(biāo)組合爆炸，提升建造節(jié)能并行設(shè)計的效率。

圖13的建造節(jié)能并行設(shè)計過程描述如下：

①設(shè)計人員輸入第i步設(shè)計的設(shè)計參數(shù)；

②按最不利狀況選取缺省參數(shù)，節(jié)能評價程序?qū)Υ藭r的摸索性計劃舉行評價；

③若摸索性計劃達(dá)到用戶要求的節(jié)能率，則后續(xù)的設(shè)計參數(shù)可由設(shè)計人員自行輸入，無需再舉行節(jié)能評價；

④若摸索性計劃的節(jié)能率達(dá)不到用戶要求，則缺省參數(shù)按最有利狀況重新選取，節(jié)能評價程序?qū)Υ藭r的摸索性計劃重新評價；