基于模糊数学的厂区室外风环境综合评判

陈 佳,胥仁海

(江苏科技大学 土木工程与建筑学院,江苏 镇江 212003)

引言

随着城市化进程的推进以及建筑技术不断发展,涌现出了越来越多体型复杂、布局多样的建筑群,建筑室外风环境愈加受到人们的重视.建筑风的特性异常复杂,不仅会受到建筑本身的外形尺寸影响,还会受到建筑群的布局、地形位置等其他因素的影响.例如,住宅小区内建筑较多,布局多样,组团之间及建筑之间的相互干扰,会在建筑物附近形成强烈变化的、复杂的风环境,一旦遇到大风天气,强大的乱流、涡旋再加上变化莫测的升降气流将会形成一些安全隐患,殃及行人.同样因为住宅小区的布局不当,会造成局部地区气流不畅,在建筑物周围形成漩涡和死角,使得污染物不能及时扩散,直接影响到住宅小区的室外环境质量[1].

保持良好的建筑风环境是营造健康舒适的人居环境的重要前提.今年来,随着绿色建筑的逐渐兴起,人们对舒适的建筑环境、健康的人居环境的渴求,促使了我们对建筑风环境的探索.本文在对新余市风驰新能源办公大楼所属厂区的建筑风环境进行数值分析的基础上,利用模糊数学对厂区室外风场情况进行综合评判.

1 建立评价模型

将新余市风驰新能源厂区作为评价对象,形成对象集,用A来表示,

其中 a1,a2,a3,…,an为建筑区域中所取的各个采集点的风场.

通过评价影响区域风环境的所有因素来评价建筑室外风环境的优劣.评价过程中确定影响区域风环境的两个主要因素:风速以及气温.风速和气温组成的集合称为要素集,要素集用U来表示,

其中u1表示风速,u2表示气温.

风速和气温对厂区风环境的整体影响效果迥异,因此要了解风速与气温分别对风环境的影响程度,就必须要确定与各要素相对应的不同权重值W,

其中w1表示与风速对应的权重;w2表示与气温对应的权重;w1+w2= 1 ,w1,w2＞0.

在模糊综合决策中,权重是至关重要的,它反映了各个因素在综合决策过程中所占的地位或所起的作用,直接影响到综合决策的结果.凭经验给出的权重在一定程度上能反映实际情况,评判结果也相对切合实际.但有时又往往带有主观性,不能客观反映实际情况,评判结果可能“失真”[2].

从各采集点风场出发进行评价,确定其对各评价指标的隶属度.设对第i个采集对象ai进行,关于对要素集中第j个要素uj的隶属度为rij,其结果可以通过模糊矩阵R来表示,

最终的评价结果用矩阵B表示,

2 评价案例

2.1 案例概况

本文主要分析新余市风驰新能源办公大楼周围人行区域的风场,办公楼所属厂区东面为50米的泉州路,北面为20米宽的城市支路,西面和南面均为其它工业园.该办公楼为六层建筑,建筑高度为25.8米,厂区的整个用地形状为不规则的长方形,东西长约166.78米,南北长约279.11米.为分析办公楼周围风场,本文在办公楼四周取了22个风场采集点.图1为整个厂区平面布置图,图2为风场采集点布置示意图.

图1 规划总平面图

图2 采集点布置示意图

采用CFD软件PHOENICS对整个厂区进行室外风环境数值分析[4],模拟选取全年主导风向为NNW、平均风速为 5.0m/s[5].经过计算分析得出厂区各处的风场情况,图3为人行高度1.5m处[6]厂区风场的风速云图.根据建立的评价模型,将各采集点处的风场作为评价对象,对应整理出各评价要素的具体情况,表1给出了各采集点处的风速以及温度值.

图3 1.5m高度处厂区风速云图

表1 各采集点风场情况

2.2 评价过程

(1)建立层次结构

基于风速与气温这两个评价要素对人的直接影响以及对区域环境的直接物理影响来评价建筑区域的风场,故而可建立分析层次机构,如下所示:

(2)构造判断矩阵

对同一层次的各因素关于上一层次中的某个因素的重要性进行两两比较来构造判断矩阵.准则层对目标层的判断矩阵

方案层中,P1,P2相对于C1的重要性判断矩阵为

P1,P2相对于C2的重要性判断矩阵为

(3)层次单排序及其一致性检验

在构造判断矩阵时是通过两两对比判断的,由于客观事物的复杂性,我们认识事物时通常带有主观性和片面性,因此我们在构造完判断矩阵之后还必须进行一致性检验.用来衡量判断矩阵不一致程度的数量指标称为一致性指标[2],记为C,定义为

当C= 0时,判断矩阵是一致的,C的值越大,判断矩阵不一致程度越严重.

判断矩阵G:

即 W =(0.75,0.25)T.

判断矩阵的最大特征值λmax=2,一致性指标:,说明判断矩阵 G是一致的,因此可认为“对居住者的直接影响”、“对住区环境的直接物理影响”关于“对风环境影响程度”的权重为(0.75,0.25).

判断矩阵C1的最大特征值λmax=2,相应的特征向量 W = ( 0.75,0.25)T,,即“风速”、“气温”关于“居住者的直接影响C1”的权重为(0.75,0.25).

判断矩阵C2的最大特征值λmax=2,相应的特征向量 W = ( 0.9,0.1)T,,即“风速”、“气温”关于“住区环境的直接物理影响C2”的权重为(0.9,0.1).

(4)层次总排序及其组合一致性检验

计算方案层的各因素对于目标层的相对重要性权重,称为层次总排序,该过程是由最高的目标层至最底的方案层逐层进行的.层次总排序要进行组合一致性检验,该过程也是由最高的目标层至最底的方案层逐层进行的.

层次总排序为

层次总排序组合一致性检验C=0.75×0+0.25×0=0＜0.1,最终得出“风速”、“气温”关于“对风环境的影响程度”的权重为(0.7875,0.2125).

(5)确定指标隶属度

隶属程度的思想是模糊数学的基本思想,元素属于模糊集的隶属度并非是主观臆造的,而是客观存在的.

从评价对象出发进行评价,确定其对各评价指标的隶属度.设对第i个评价对象ai进行评价,对要素集中第j个要素uj的隶属度为rij,其结果可表示成模糊矩阵

本文采用指派方法[2]确定隶属函数.指派隶属函数的方法通常被认为是一种带有主观性的方法,它可以把人们的实践经验考虑进去.所谓指派法,就是根据问题的性质套用现成的某些形式的模糊分布,然后根据测量数据确定分不中所含的参数.

根据“风速”问题的实际情况套用梯形分布的偏小型的指派方法:

根据“气温”问题的实际情况套用二次抛物形分布的中间型的指派方法:

通过“风速”、“气温”的隶属函数即可求出相关的指标隶属度,得出关于22个采集点的模糊矩阵

2.3 评价结果

根据确定的“各要素对应的权重值”以及“关于各要素的指标隶属度”,得出办公楼四周风场的评价结果:

通过模糊综合评判的结果可知:办公楼的西北角的20、21、22等三处的采集点风场的舒适性相对较低,而办公楼四周其余各处的风场舒适性相对较优.

3 结论

建筑环境的舒适性越来越受到人们的重视,通过采用模糊数学方法对建筑风场的舒适性进行综合评判,将评价过程量化,使得风场舒适度评价更具客观性.本文不仅对建筑风场舒适性进行了评价分析,而且利用模糊综合评判的方法对影响风场舒适性的各要素进行分析,从而建立评价模型.从综合评判的结果可以看出:办公楼四周人行高度处风场整体良好,在办公楼西北角的 20、21、22等三处采集点风场舒适性相对较低,可在建筑平面布置时,规划景观绿化,避开人行通道的设置.

模糊综合评判是风场复杂的问题,其复杂性不仅在于评判客观参量的多少,更在于评判参量的量化分析上[3].将模糊数学方法引入建筑风场评价是一种尝试,还需逐步地完善.

[1] 都桂梅.几种典型布局住宅小区风环境数值模拟研究[D].长沙:湖南大学硕士学位论文,2009

[2] 谢季坚,刘承平.模糊数学方法及其应用[M].武汉:华中科技大学出版社,2005

[3] 刘想德.基于模糊数学理论的车内噪声品质评价[J].盐城工学院学报(自然科学版),2009,25(3):21～24

[4] 中国气象局气象信息中心气象资料室,清华大学建筑技术科学系.中国建筑热环境分析专用气象数据集[M].北京:中国建筑工业出版社,2005

[5] GB50378-2006.绿色建筑评价标准[S].北京:中国建筑工业出版社,2006

[6] 绿色建筑评价细则[S].北京:中国建筑工业出版社,2007