isicad.ru :: портал САПР, PLM и ERP :: версия для печати

Статьи

5 июля 2015

Британские архитекторы оптимизируют характеристики сложных фасадов зданий средствами COMSOL, Autodesk и Robert McNeel & Associates

Дженифер Хенд

От редакции isicad.ru: Оригинал статьи Дженифер Хенд (Jennifer Hand) «Optimizing the Performance of Complex Building Façades» опубликован в ежегодном корпоративном журнале компании COMSOL, посвященном мультифизическому моделированию, а её перевод (под заголовком «Оптимизация характеристик сложных фасадов зданий») готовится к публикации в русскоязычной версии того же журнала. Выражаем благодарность руководителям московского офиса за готовность познакомить с этой статьёй аудиторию портала isicad.ru.
COMSOL NewTecnic Facades 0 Мельбурн

Площадь Федерации, Мельбурн, Австралия

Используя мультифизическое моделирование для понимания взаимодействия между переменными величинами окружающей среды, геометрических форм и строительных сооружений, инженеры компании Newtecnic гарантируют эстетичность и реализуемость инновационных фасадов зданий.


Динамичные, текстурные и символичные; не важно, бросают ли они вызов силе притяжения или органично вырастают из окружающего ландшафта, — знаменитые сооружения часто имеют сложные фасады. Спроектированные не только для защиты, они также регулируют такие переменчивые факторы, как температура и внешняя эстетика.

Специалист в данной области, компания Newtecnic, проектирует и анализирует фасадные системы для их использования в значимых общественных проектах, а также систематически сотрудничает с компанией Zaha Hadid Architects, известной во всем мире смелыми, текучими архитектурными формами. Основатели и нынешние руководители компании Newtecnic Эндрю Уоттс (Andrew Watts) и Ясмин Уоттс (Yasmin Watts) известны своей работой над выдающимися проектами, в число которых входят знаменитая Площадь Федерации (Мельбурн, Австралия) и совсем недавно построенный культурный центр имени Гейдара Алиева в центре Баку, Азербайджан (см. рис. 1).

COMSOL NewTecnic Facades Баку

Работа с уникальными решениями для компании Newtecnic не в новинку, при этом каждый проект требует мышления, выходящего за рамки концептуального проектирования. Архитекторы заботятся об эстетике и выполняют моделирование поверхностей проектируемых зданий, после чего инженеры компании Newtecnic слой за слоем вы- страивают фасад, не забывая о креативности конструкции и обеспечивая ее конструктивную целостность.

«Наши клиенты хотят получить эффективные и экономичные конструкторские решения, которые бы соответствовали требованиям, условиям окружающей среды и были бы просты в эксплуатации, — говорит Кармело Галанте (Carmelo Galante), начальник исследовательского отдела компании Newtecnic. — Поэтому ключевым аспектом нашей работы является описание физических свойств фасадных систем, которые мы проектируем».

Существует множество задач, которые можно решить с помощью моделирования: от исследований солнечного излучения, которые позволяют оптимизировать расчет затенения, чтобы уменьшить нагрузку на систему охлаждения и добиться максимальной эстетики, до влияния крепежных кронштейнов вентилируемого фасада на целостность изоляции.

Моделирование за рамками концептуального проектирования

Программное обеспечение COMSOL Multiphysics® стало ключевым инструментом для компании Newtecnic. Рассказывает Кармело Галанте: «Один пакет для моделирования решает все наши задачи. Я использую COMSOL для изучения трехмерных моделей теплового моста — это когда материалы с высокой проводимостью проникают в изоляцию — и его влияния на общую энергоэффективность всего сооружения, а также для оценки максимальной температуры компонентов и выбора наиболее подходящих изделий или материалов. Я могу оценивать давление облицовки на конструкцию здания на этапах эскизного проектирования и исследовать более сложные фасады, в которых одновременно присутствует и принудительная, и естественная вентиляция. Также я могу оценивать влияние различных конфигураций конструкции на гигротермические характеристики фасадной системы».

С помощью функции импорта данных САПР, доступной в среде COMSOL®, Галанте часто импортирует сложные геометрические формы, в основном из ПО Autodesk® AutoCAD® и Rhinoceros®. В компании Newtecnic все чаще применяется ПО Autodesk® Revit®, поэтому новый модуль расширения LiveLink™ for Revit®, обеспечивающий интеграцию моделей COMSOL со средой Revit, исключительно важен для работы. Также Галанте использует COMSOL совместно с инструментами параметрического моделирования, такими как язык программирования Grasshopper®, который применяется для построения и анализа сложных геометрий посредством порождающих алгоритмов.

В одном из текущих проектов компании Newtecnic применяется проектирование фасадных систем для престижного частного сооружения, которое состоит из самонесущих бетонных оболочек длиной от 10 до 80 м и высотой до 30 м (см. рис. 2).

COMSOL NewTecnic Facades 2

Бетонные оболочки облицованы вентилируемыми фасадными системами, изготовленными из керамических панелей с двумя криволинейными контурами поверхности, что позволяет точно вос- производить геометрию здания. Каждая панель на углах поддерживается регулируемыми крепежными кронштейнами, изготовленными из нержавеющей стали. Эти кронштейны крепятся к бетонной конструкции четырьмя анкерами после просверливания дополнительных отверстий, как показано на рис. 3.
COMSOL NewTecnic Facades 3

Так как кронштейны проходят сквозь слой изоляции и имеют более высокую теплопроводность, чем бетонная конструкция, то они создают тепловые мосты через фасадную оболочку, существенно снижая ее тепловые характеристики.

Выполнив упрощенный двухмерный анализ в среде COMSOL, Галанте изучил, каким образом создаваемый кронштейнами эффект теплового моста влияет на распределение температуры по фасаду (см. рис. 4).

COMSOL NewTecnic Facades 4

Результаты моделирования были внесены в сценарий Grasshopper ® для оценки трех интересующих областей: тех, на которые воздействует один кронштейн; на которые воздействуют два или более кронштейнов и на которые кронштейны вообще не воздействуют (эти области показаны на рис. 5).
COMSOL NewTecnic Facades 5

Рисунок 5. Модель одной из оболочек, показанных на рисунке 2, с выделенными областями, на которые воздействуют один или два кронштейна либо не воздействует ни один кронштейн

После этого Галанте смог подготовить точную геометрию системы, а также все компоненты сооружения. «Это большое преимущество, когда ты можешь использовать два инструмента сразу, — говорит Галанте. — Grasshopper ® дает мне возможность изучить геометрию в очень большом масштабе, в масштабе целого здания, после чего я с имеющимися данными возвращаюсь в COMSOL и создаю детальную трехмерную модель, чтобы узнать реальные физические процессы, происходящие в системе». Используя такой подход, Галанте смог выполнить трехмерный анализ для изучения эффекта теплового моста в кронштейнах и всем здании (см. рис. 6), а также вычислить общий коэффициент теплопередачи (коэффициент теплоусвоения) фасада.
COMSOL NewTecnic Facades 6

«С помощью мультифизического моделирования я сумел лучше понять реальную ситуацию, — объясняет Галанте. — Я могу анализировать потоки сред совместно с явлениями теплопередачи с учетом проводимости, конвекции и излучения. Иными словами, я могу более точно оценивать взаимосвязь разных физических явлений и проверять характеристики различных конструкций и материалов».

Учёт изменений конструкций

Инженеры компании Newtecnic должны учитывать постоянные изменения конструкции и подтверждать правильность любых таких изменений. «Моделирование дает нам такую возможность, — говорит Галанте. — Мы можем четко продемонстрировать, какой именно эффект окажут изменения конструкции, и не важно, относятся ли они, например, к энергоэффективности, конструктивным характеристикам, коррозии или сроку службы компонента».

Директору Newtecnic Эндрю Уоттсу приходится отвечать на вопросы вроде: «Стоит ли поменять это, чтобы заработало что-то другое?» или «Если мы это поменяем, то до какой степени?». Он высказал свое мнение: «С помощью моделирования мы можем отойти от применяемых в строительстве традиционных принципов изучения отдельных компонентов, которые выполняют одну единственную функцию, а вместо этого думать о многофункциональных компонентах и сооружении в целом».

Моделирование используется для анализа каждого компонента сооружения, а его результаты в полном объеме присутствуют в чертежах, поэтому оценка затрат становится исчерпывающей и понятной. Фабио Миколи (Fabio Micoli), заместитель директора компании Newtecnic, отметил ценность обратной связи с клиентами.

«Моделирование сводит к минимуму затраты на строительство, демонстрируя подрядчикам, что именно необходимо построить. Это, в свою очередь, позволяет сократить бюджет непредвиденных затрат и время на устранение недостатков конструкции, давая строительной бригаде сконцентрироваться на сроках выполнения проекта».

Непрерывный процесс улучшения

«Цифровые инструменты, которые мы используем, например, среда моделирования, позволяют нам изучать новые возможности, а также улучшать процесс проектирования», — говорит Галанте. Он и его коллеги видят потенциал для более широкого использования моделирования в компании Newtecnic, включая новую Среду разработки приложений, входящую в COMSOL Multiphysics ® 5.0. Миколи отмечает: «Мы можем, например, лучше взаимодействовать с клиентами, создав приложение, которое позволило бы архитектору изменять различные параметры и видеть, как именно изменения повлияют на конструкцию, не вникая в нюансы мультифизического моделирования».

Определяющим фактором является то, что с помощью моделирования клиенты компании Newtecnic смогут лучше чем, когда-либо, понять характеристики сооружения, что подчеркнет преимущества инновационного архитектурного проекта.

COMSOL NewTecnic Facades


Autodesk, логотип Autodesk, AutoCAD и Revit являются зарегистрированными торговыми марками или торговыми марками компании Autodesk, Inc. и (или) ее дочерних компаний и (или) ее аффилированных компаний в США и (или) других странах.

Grasshopper и Rhinoceros являются зарегистрированными торговыми марками Robert McNeel & Associates.


Все права защищены. © 2004-2024 Группа компаний «ЛЕДАС»

Перепечатка материалов сайта допускается с согласия редакции, ссылка на isicad.ru обязательна.
Вы можете обратиться к нам по адресу info@isicad.ru.