[发明专利]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

说明书

本发明涉及建筑技术领域，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。

技术领域

本发明涉及建筑技术领域，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。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明提供的技术方案是：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，本发明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。