使用 CFD 仿真优化建筑设计

　　近日，受台风”烟花“的影响，江浙沪等地区正经历暴风雨交加的恶劣天气侵扰。尽管外面是强风暴雨，但由于建筑围护结构的保护，我们才能免受外界环境的影响。为了设计功能完善的建筑围护结构，工程技术人员需要考虑各种不同的因素。

　　建筑围护结构的全包裹需求

　　建筑围护结构也称为建筑外壳，是将内部环境与外部环境隔开的系统。对早期人类来说，像洞穴和茅屋这样的建筑就是最初的建筑围护结构，为我们的祖先提供了必要的防护。这些早期的建筑围护结构为当时的人们提供了可容纳最低生活必需品的栖身之地，但随着时间的推移，建筑围护结构不断发生改变，包含的构件不断增多，例如墙壁、屋顶、地板和窗户。然而，建筑围护结构的目的仍然是一样的，那就是保护居民免受外界环境以及水、热、冷等各种因素的影响。

　　建筑围护结构保护人们免受外部环境的影响。

　　现代建筑围护结构相当复杂。由于建筑风格不断变化，新的产品、工艺、建筑规范和设计也不断涌入。对于这些新元素，工程技术人员要考虑结构的稳定性、透水性、节能和热性能等等。

　　Built Environments 公司着力设计改进的建筑围护结构

　　为了高效研究气流、水分传输、传热以及其他影响建筑围护结构性能的因素，Built Environments 公司使用了 COMSOL Multiphysics® 软件。他们借助该软件分析不同的物理场如何同时产生作用，并研究建筑设计、施工和评估过程不同阶段的情况。Built Environments 公司总裁 Steven Doggett 指出，他们的工作主要分为三类：

　　对材料、产品和组件的性能进行建筑物理研究

　　设计和重新设计服务

　　建筑围护结构咨询，包括建筑和施工现场检查以及建筑取证

　　对于所有这些类别，仿真都有利于增强 Built Environments 公司的分析能力。接下来，我们看看他们使用仿真的具体例子。

　　使用 CFD 仿真设计节能建筑

　　为了提高建筑物的能源效益，建筑行业已实施对能源效益守则的改进措施。然而，遵守这些守则却给建筑设计师带来了挑战。应对这一挑战并提高建筑物整体能效的一个方法是提高其热性能。这可以通过更好地理解建筑设计中不同材料、产品和组件的 R 值(材料抵抗热流的能力)和 U 因子(传热或损耗速率)来实现。具体来说，希望提高建筑热效率的工程技术人员可以增加 R 值，而减小 U 因子。(请注意，R 值和 U 因子成反比，U = 1/R。)

　　显示穿过隔热建筑围护结构的楼板热损耗的热图像。图片来自公共领域，通过 Wikimedia Commons 分享。

　　尽管热性能值可以通过常规方法计算，但 Doggett 提到，ASHRAE 标准 90.1 建筑规范允许用仿真代替组装测试。这种做法对计算非常有利，因为适当的算例仿真可以有效计算各种可能的气候环境和材料组合的热性能值，从而加速设计过程。举个例子，可以考虑使用 CFD 仿真软件来确定墙壁装配的热性能。为此，工程技术人员首先必须根据真实的热箱测试对仿真进行正确的基准测试。Built Environments 公司团队执行这些类型的分析时，他们的目标是将结果保持在当前热箱实际值的 ±2.5% 范围内。通常，他们模拟的 R 值与热箱测试的偏差小于 1%，仿真的精度得到了证实。

　　标准钢立柱墙的基准仿真与相应热箱测试的对比。模拟的 R 值 10.44 与测试结果的偏差仅为 -0.57%。尽管对于验证来说，仿真结果与透射测试值的偏差阈值为 ±8% 通常都可以接受，但 Built Environments 的仿真结果与当前热箱实际情况(ASTM C1363)的结果之间的偏差一般在 2.5% 以内。请记住，热箱测试的精度为 ±5%。图像由 Steven Doggett 提供。

　　能效设计中的问题

　　提高建筑能效并非易事。例如，一个常见的设想是隔热性能越高越好，但这可能会导致潮湿问题。另一个例子是，现代设计的趋势是在墙面板和砖石背墙的外侧铺设隔热层，以减轻热桥的影响。由于这种铺设方式仍需要固定装置来悬挂外墙，因此最终可能再度导致 热桥效应。所以 Doggett 评论说，这就像是“进一步退半步”。建筑设计师该如何避免这种情况呢?Doggett 说，他的公司使用 COMSOL Multiphysics 作为一种“预防工具”，有助于“深入理解设计问题”。这种方法的可行之处在于，通过仿真，建筑设计师和工程技术人员能够在建造之前改进他们的设计，预测系统将如何对不同的环境和条件做出反应。尽早发现设计问题至关重要，因为后期修复建筑围护结构问题的成本非常高，有时甚至与最初建造建筑维护结构的成本相当。

　　穿孔与无穿孔箔面隔热层的仿真结果对比图。在隔热层上增加孔眼可以改善冬季稳定条件下建筑维护结构的防潮性能。图片由 Steven Doggett 提供。

　　此外，在仿真中，通过以三维方式描绘复杂的问题，使建筑设计师能够更容易地发现设计中的潜在问题。正如 Doggett 提到的，由于建筑行业是“视觉导向的”，这一点特别有用。

　　建筑取证

　　我们已经讨论了如何使用仿真来预防 建筑围护结构的问题，但有既存 问题时会发生什么呢?针对这种情况，Built Environments 团队利用仿真来执行建筑取证。这个过程包括评估和调查有缺陷的建筑设计，以确定损坏的原因和持续时间以及未来损坏的可能性。Doggett 举了一个建筑取证的例子，一个项目涉及修复雨幕系统，该系统在建筑包层后面创造空间来帮助防潮。这对于建筑整体性能非常重要，正如 Doggett 所指出的，“大约 90% 的建筑问题是由潮湿引起的”。在这个特定的例子中，雨幕系统的包层由半透明的聚碳酸酯制成，部分光和热可以通过此包层传递。虽然很美观，但太阳辐射得热量会导致外部泡沫隔热层熔化。

　　聚碳酸酯雨幕系统的 CFD 仿真，其中竣工条件导致意想不到的太阳辐射得热量。产生的问题包括面板变形和 XPS 隔热层的表面熔化。对雨幕改造的 CFD 分析成功地确定了允许的最大太阳辐射得热量和最低的通风要求。图片由 Steven Doggett 提供。

　　通过 CFD 分析，Built Environments 团队能够确定重新设计所需的最低通风要求和允许的最大太阳辐射得热量。现场的数据验证了仿真结果的正确性。最后，Doggett 指出，团队成员发现他们“准确计算了他们在现场看到的情况”。

　　应对建筑仿真挑战

　　建筑是一个非常实用且“脚踏实地”的行业。因此，Doggett 强调了在建筑物理和整个建筑行业中使用仿真时，对实际物理测试进行基准测试的重要性。我们需要进行基准测试来增加对仿真结果的信心。Built Environments 团队成员在 CFD 仿真中使用现场收集的真实数据。这样，他们可以立即验证条件，并确认不同的条件如何影响建筑设计。Doggett 表示，这让他能够“看到仿真的力量”，因为他可以“立即看到基准”。仿真在建筑领域的应用也带来了另一个挑战：建筑分析中需要的大规模变化。以建筑物的小规模特征为例，正如前面提到的雨幕，它会影响整个建筑物的热效率。Doggett 评论道，你可以通过使用二维和三维建模以及 COMSOL Multiphysics 的网格划分功能来应对这种规模的变化。尽管存在不少挑战，但仿真仍能够满足各种建筑设计、施工和评估需求，有助于为未来的建筑设计奠定基础。