Мультифизическое моделирование в архитектуре

07/01/2015

Архитектору мало быть просто художником. Новое здание должно обладать не только эстетически привлекательным внешним видом, но и надежной конструкцией. При проектировании современных зданий большое внимание уделяется комфортности окружающей среды и энергоэффективности. Чтобы решать физические задачи, появляющиеся по мере превращения концепции здания в законченный проект, архитекторы 21-го века могут использовать мультифизическое программное обеспечение.

Последние новости: программы для моделирования помогают архитекторам

В декабре 2014 года я прочел статью BBC, привлекающую общественное внимание к автоматизированному проектированию в архитектуре. В статье упоминается несколько важных примеров моделирования, включая расчет оригинальной конструкции, созданной Йорном Утзоном (Jørn Utzon) для Сиднейского оперного театра, и изучение взаимодействия жидкости с конструкцией (силовое воздействие на фасад) для здания Бурдж-Халифа в Дубае. Кроме того, в статье приводятся ссылки на работы по гидродинамике, акустике и исследованиям микроклимата.

Сиднейский оперный театр -- один из примеров применения мультифизического подхода в архитектуре.
Сиднейский оперный театр.

Из этой статьи понятно, что в архитектуре успешно применяются не только традиционные программные пакеты для построения чертежей и расчета конструкций. Доклады участников, представленные в секции «Моделирование в проектировании зданий» конференции COMSOL Conference 2014 Cambridge показывают, насколько широки интересы современных архитекторов при работе с программными пакетами для моделирования. Исследования включали расчет массообмена и движения воздушных масс для определения качества чистых помещений, акустический расчет звуконепроницаемых окон, тепловой расчет энергонезависимых домов и другие примеры.

Сопряженная теплопередача для фасадов зданий

Одну из наград за лучший доклад на конференции COMSOL 2014 в Кембридже получил Кармело Галанте (Carmelo Galante) из компании Newtecnic (Лондон, Великобритания). Он представил проведенные в COMSOL Multiphysics исследования теплоизоляционных характеристик фасада, а именно двойного стеклопакета, в котором воздушные полости также содержали «устройства, регулирующие инсоляцию». По сути, это жалюзи, которые могут отражать часть падающего солнечного света. Вы можете узнать подробности его работы здесь.

В своей работе Галанте использовал модуль Теплопередача, чтобы изучить все три механизма переноса тепла: теплопроводность, конвекцию и излучение. Полость механически вентилируется, так что поток текучей среды может возникать как из-за вынужденной, так и из-за свободной конвекции. На основе расчетов коэффициента теплопередачи, количественно определяющего эффективность теплоизоляции, было оптимизировано число и расположение входных и выходных каналов для принудительного течения. Объединив моделирование гидродинамических и тепловых процессов с расчетом излучения в единой среде численного моделирования, он смог рассчитать взаимодействие различных физических явлений.

Почему архитекторы используют моделирование?

В Галерее моделей вы можете найти множество других примеров из мира архитектуры. Многие архитекторы будут заинтересованы в тепловых расчетах, подобных тем, которые были выполнены в упомянутой выше работе и представлены на конференции. Кроме того, в состав модуля Теплопередача пакета COMSOL включены несколько примеров, связанных со строительной отраслью. В одном из них моделируются теплоизоляционные характеристики окна и их зависимость от различных вариантов остекления.

На рисунке ниже показана конфигурация материалов в раздвижном окне, соответствующем стандартам ISO, а также профиль температуры, рассчитанный с помощью COMSOL Multiphysics. Расчетная величина коэффициента теплопередачи 0,65 Вт/(м·К) достаточно велика из-за высокой теплопроводности алюминиевой конструкции.

Схематическое изображение геометрии раздвижного окна.
Геометрия раздвижного окна.

Визуализация поля температуры.
Поле температуры в раздвижном окне.

Расчет механической надежности конструкции не менее важен. В состав модуля Геомеханика входит модель бетонной балки, где выполнен механический расчет увеличения жесткости конструкции при использовании стальной арматуры. При этом бетон считается нелинейным материалом и описывается с помощью эмпирической модели пластичности Оттосена.

Моя коллега Бриджет недавно писала о масштабном исследовании отражающей способности фасадов и о связанных с нею тепловых эффектах, а именно о формировании каустической поверхности из-за вогнутой формы стеклянного фасада здания отеля Vdara® в Лас-Вегасе. В этой работе анализ негативных последствий ошибок в проекте построенного здания был выполнен с помощью функции трассировки лучей модуля Геометрическая оптика пакета COMSOL Multiphysics.

Точно так же, как трассировка позволяет изучать распространение световых лучей и их отражение от зданий, геометрическая акустика пригодна для акустического анализа при условии, что размер акустических полостей много больше, чем длина звуковой волны. Это условие обычно выполняется для больших помещений — театров и концертных залов, акустические характеристики которых чрезвычайно важны. В Галерее моделей модуля Акустика вы найдете пример небольшого концертного зала с рассчитанными импульсными характеристиками давления и энергии.

LiveLink™ for Revit®

В версии 5.0 COMSOL Multiphysics мы представили новый продукт, предназначенный для объединения архитектурных проектов с мультифизическим моделированием — LiveLink™ for Revit®. Это инструмент интеграции и интерфейс, передающий элементы проекта из Autodesk® Revit® — ведущего программного обеспечения для создания архитектурных проектов, в среду численного моделирования COMSOL Multiphysics.

С помощью LiveLink™ for Revit® вы можете синхронизировать геометрию отдельных помещений и других архитектурных элементов здания с вашей моделью в COMSOL Multiphysics. При необходимости вы можете учитывать в модели и дополнительные физические явления, как если бы геометрия была создана в COMSOL Multiphysics. Выбирая, какие элементы вы включаете в модель, вы можете добиться высокой точности моделирования.

Попробуйте создать модель

О применении мультифизического моделирования в архитектуре много говорят в прессе и научном сообществе, так что мы рекомендуем вам подробнее изучить разные архитектурные модели и загрузить их из нашей Галереи моделей.

Autodesk и Revit являются товарными знаками или зарегистрированными товарными знаками Autodesk, Inc., ее дочерних и (или) аффилированных компаний в США и (или) других странах.


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ