Представьте, что во время грозы вы находитесь в помещении и наблюдаете, как капли дождя стекают по оконному стеклу. Несмотря на непогоду, вы остаетесь в сухости и тепле, потому что оболочка здания защищает вас от внешней среды. Чтобы спроектировать эффективные ограждающие конструкции здания, инженеры учитывают множество различных фактов. Помочь в этом призвано моделирование.
Вопрос об оболочках зданий рассматривают со всех сторон
Наружная оболочка здания, которая также называется ограждающей конструкцией, — это система, отделяющая внутреннюю среду от внешней. В каменном веке примитивными оболочками здания служили такие конструкции, как пещеры и шалаши, которые обеспечивали нашим предкам необходимую защиту.
Ранние оболочки здания обеспечивали только базовые функции укрытия. Со временем они развивались, и в них начали появляться такие характерные компоненты, как стены, крыша, полы и окна. При этом цель оболочки здания остается прежней: защищать жителей от внешней среды и таких стихийных проявлений, как вода, жар и холод.
Современные оболочки зданий могут быть довольно сложными. В силу постоянных изменений в архитектуре постоянно появляются новые изделия, рабочие процессы, строительные нормы и конструкции. Инженеры должны знать механическую надежность, водопроницаемость, энергоэффективность, тепловые характеристики и многие другие характеристики каждого из этих новых элементов.
Проектирование улучшенных оболочек здания в Built Environments
Для эффективного исследования аэродинамики, влагопереноса, теплопередачи и других факторов, влияющих на характеристики оболочек здания, компания Built Environments, Inc использует программное обеспечение COMSOL Multiphysics®. С его помощью специалисты компании анализируют взаимное влияние разных физических явлений и изучают различные стадии архитектурного и строительного проектирования и расчетов.
Стивен Доггет (Steven Doggett), президент компании Built Environments, отмечает, что их работа условно подразделяется на три категории:
- Физические исследования характеристик материалов, изделий и узлов
- Услуги по созданию и переработке проектов
- Консультирование по оболочкам зданий, в том числе инспекция строительной площадки и архитектурная экспертиза
В каждой из этих категорий моделирование может упростить процессы анализа в компании. Далее мы рассмотрим несколько конкретных примеров применения моделирования в компании.
Моделирование гидродинамики для проектирования энергоэффективных зданий
Меняющиеся энергетические нормы в архитектурной отрасли нацелены на постоянное повышение энергоэффективности зданий. Однако архитекторам может быть сложно поспевать за этими нормами. Чтобы решить эту проблему и повысить энергоэффективность зданий в целом, улучшают их тепловые характеристики.
Для этого нужно знать коэффициенты теплопередачи и коэффициенты сопротивления теплопередаче для разных материалов, изделий и узлов в рамках строительного проекта. В частности, если требуется улучшить тепловые характеристики здания, можно повысить коэффициенты сопротивления теплопередаче и снизить коэффициенты теплопередачи, которые являются обратно пропорциональными величинами (U = 1/R).
Несмотря на то, что значения характеристик можно рассчитать традиционными способами, Доггет поясняет, что строительная норма ASHRAE 90.1 позволяет использовать моделирование в качестве альтернативы испытанию узлов. Это крайне полезно, потому что тщательно выверенные модели позволяют эффективно вычислить значения тепловых характеристик для разных сочетаний климатических условий и материалов, что ускоряет процесс проектирования.
Например, для определения тепловых характеристик стеновой конструкции можно использовать программы, реализующие методы вычислительной гидродинамики. Для этого инженерам сначала необходимо тщательно сравнить свою модель с реальными испытаниями в теплоизолированной камере. Когда специалисты Built Environments проводят подобные расчеты, они стремятся к тому, чтобы результаты оставались в пределах допуска ±2,5% по сравнению с испытаниями в теплоизолированной камере. Обычно их коэффициенты сопротивления теплопередаче отличаются от тестовых значений менее чем на 1%, что подтверждает точность моделирования.
Проблемы при разработке проектов, ориентированных на энергоэффективность
Повышение энергоэффективности зданий — непростая задача. Например, часто предполагают, что увеличение объема изоляции повышает энергоэффективность. Однако это может вызвать проблемы с влажностью. Или, например, в настоящее время часто снаружи оболочки стен и кирпичной облицовки устанавливают теплоизоляцию, чтобы снизить эффект теплового мостика. Поскольку для установки такой изоляции нужны крепления, они могут, наоборот, послужить тепловым мостиком. Как отмечает Доггет, в результате получается «один шаг вперед и полшага назад».
Как архитекторам избежать подобных ситуаций? Доггет рассказывает, что его компания использует COMSOL Multiphysics в качестве «превентивной меры», которая помогает «детально изучить возможные проблемы проекта». Это эффективный метод, поскольку путем моделирования архитекторы и другие инженеры могут улучшить свои проекты до начала строительства и рассчитать реакцию системы на разные условия окружающей среды.
Крайне важно выявить проблемы с оболочкой здания еще на стадии проекта, потому что исправлять их на стадии строительства иногда стоит столько же, сколько и конструкция ещё одной новой оболочки.
Кроме того, с помощью моделирования архитекторам проще создать сложные трехмерные визуализации и выявить потенциальные проблемы проекта. Это особенно полезная возможность, поскольку сообщество архитекторов, как говорит Доггет, «ориентировано на визуальные образы».
Архитектурная экспертиза
Мы рассмотрели, как предотвратить проблемы с оболочкой здания с помощью моделирования. Но что делать, если проблемы уже имеются? В таких случаях специалисты Built Environments используют моделирование для архитектурной экспертизы. Этот процесс включает в себя исследование и оценку дефектных конструкций здания для определения причины повреждений, продолжительности и возможностей повреждений в будущем.
В качестве примера архитектурной экспертизы Доггет привел проект по ремонту вентилируемого фасада, в котором было предусмотрено воздушное пространство за облицовкой здания, защищающее от влаги. Это очень важно с точки зрения характеристик здания в целом, поскольку, по словам Доггета, «около 90% обрушений зданий вызваны проблемами с влажностью».
В этом конкретном примере облицовка вентилируемого фасада была изготовлена из светопрозрачного поликарбоната, который пропускал некоторое количество света и тепла. Несмотря на эстетический эффект, из-за нагрева, вызванного солнечным светом, внешняя пенопластовая изоляция расплавилась.
Посредством численного анализа специалисты Built Environments смогли определить минимальные требования к вентиляции и максимальную допустимую величину солнечного нагрева для модифицированной конструкции. Результаты моделирования были подтверждены данными измерений на объекте. В завершение, Доггет отмечает, что расчеты специалистов «точно совпали с характеристиками реального объекта».
Устранение трудностей архитектурного моделирования
Архитектура — это очень прикладная и практичная сфера. В связи с этим Доггет подчеркивает важность проведения реальных физических испытаний при моделировании физики здания и в архитектуре в целом. Испытания незаменимы, так как с их помощью можно подтвердить точность результатов моделирования.
При моделировании специалисты Built Environments используют реальные данные, полученные на объекте. При этом они незамедлительно тестируют разные условия и определяют, как они влияют на конструкции здания. Доггет говорит, что так он «убеждается в пригодности» модели, поскольку «сразу же видит эталонный результат».
Другая трудность в области архитектурного моделирования состоит в большом разбросе нужных для строительного анализа масштабов. Строительные элементы малого масштаба, например, ранее упомянутый вентилируемый фасад, могут влиять на теплоэффективность всего здания. Доггет отмечает, что с таким разнообразием масштабов можно успешно работать, используя двумерные и трехмерные модели и возможности сеточного генератора в COMSOL Multiphysics.
Несмотря на эти трудности, моделирование отвечает на многие вопросы, возникающие при архитектурном и строительном проектировании и расчетах, и закладывает основы для будущих строительных проектов.
Ссылка на описание модуля CFD.
Узнайте подробнее о роли моделирования в физике зданий
1. Прочтите связанные статьи в нашем корпоративном блоге:
2. Узнайте подробнее о приложениях для управления тепловым режимом при проектировании зданий.
- 3. Ознакомьтесь с моделями, относящимися к архитектуре, в которых изучаются следующие явления и элементы:
- Тепловые мосты в конструкции здания
- Двумерная колонна квадратного сечения - Двумерная композитная конструкция - Трехмерная конструкция между двумя перекрытиями - Трехмерный стальной стержень, проходящий сквозь слой изоляции
#наука #физика #технологии #программы #численные методы #fem #comsol