基于模糊數(shù)學(xué)的廠區(qū)室外風(fēng)環(huán)境綜合評判

陳 佳,胥仁海

(江蘇科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

引言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)以及建筑技術(shù)不斷發(fā)展,涌現(xiàn)出了越來越多體型復(fù)雜、布局多樣的建筑群,建筑室外風(fēng)環(huán)境愈加受到人們的重視.建筑風(fēng)的特性異常復(fù)雜,不僅會受到建筑本身的外形尺寸影響,還會受到建筑群的布局、地形位置等其他因素的影響.例如,住宅小區(qū)內(nèi)建筑較多,布局多樣,組團(tuán)之間及建筑之間的相互干擾,會在建筑物附近形成強(qiáng)烈變化的、復(fù)雜的風(fēng)環(huán)境,一旦遇到大風(fēng)天氣,強(qiáng)大的亂流、渦旋再加上變化莫測的升降氣流將會形成一些安全隱患,殃及行人.同樣因為住宅小區(qū)的布局不當(dāng),會造成局部地區(qū)氣流不暢,在建筑物周圍形成漩渦和死角,使得污染物不能及時擴(kuò)散,直接影響到住宅小區(qū)的室外環(huán)境質(zhì)量[1].

保持良好的建筑風(fēng)環(huán)境是營造健康舒適的人居環(huán)境的重要前提.今年來,隨著綠色建筑的逐漸興起,人們對舒適的建筑環(huán)境、健康的人居環(huán)境的渴求,促使了我們對建筑風(fēng)環(huán)境的探索.本文在對新余市風(fēng)馳新能源辦公大樓所屬廠區(qū)的建筑風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值分析的基礎(chǔ)上,利用模糊數(shù)學(xué)對廠區(qū)室外風(fēng)場情況進(jìn)行綜合評判.

1 建立評價模型

將新余市風(fēng)馳新能源廠區(qū)作為評價對象,形成對象集,用A來表示,

其中 a1,a2,a3,…,an為建筑區(qū)域中所取的各個采集點的風(fēng)場.

通過評價影響區(qū)域風(fēng)環(huán)境的所有因素來評價建筑室外風(fēng)環(huán)境的優(yōu)劣.評價過程中確定影響區(qū)域風(fēng)環(huán)境的兩個主要因素:風(fēng)速以及氣溫.風(fēng)速和氣溫組成的集合稱為要素集,要素集用U來表示,

其中u1表示風(fēng)速,u2表示氣溫.

風(fēng)速和氣溫對廠區(qū)風(fēng)環(huán)境的整體影響效果迥異,因此要了解風(fēng)速與氣溫分別對風(fēng)環(huán)境的影響程度,就必須要確定與各要素相對應(yīng)的不同權(quán)重值W,

其中w1表示與風(fēng)速對應(yīng)的權(quán)重;w2表示與氣溫對應(yīng)的權(quán)重;w1+w2= 1 ,w1,w2＞0.

在模糊綜合決策中,權(quán)重是至關(guān)重要的,它反映了各個因素在綜合決策過程中所占的地位或所起的作用,直接影響到綜合決策的結(jié)果.憑經(jīng)驗給出的權(quán)重在一定程度上能反映實際情況,評判結(jié)果也相對切合實際.但有時又往往帶有主觀性,不能客觀反映實際情況,評判結(jié)果可能“失真”[2].

從各采集點風(fēng)場出發(fā)進(jìn)行評價,確定其對各評價指標(biāo)的隸屬度.設(shè)對第i個采集對象ai進(jìn)行,關(guān)于對要素集中第j個要素uj的隸屬度為rij,其結(jié)果可以通過模糊矩陣R來表示,

最終的評價結(jié)果用矩陣B表示,

2 評價案例

2.1 案例概況

本文主要分析新余市風(fēng)馳新能源辦公大樓周圍人行區(qū)域的風(fēng)場,辦公樓所屬廠區(qū)東面為50米的泉州路,北面為20米寬的城市支路,西面和南面均為其它工業(yè)園.該辦公樓為六層建筑,建筑高度為25.8米,廠區(qū)的整個用地形狀為不規(guī)則的長方形,東西長約166.78米,南北長約279.11米.為分析辦公樓周圍風(fēng)場,本文在辦公樓四周取了22個風(fēng)場采集點.圖1為整個廠區(qū)平面布置圖,圖2為風(fēng)場采集點布置示意圖.

圖1 規(guī)劃總平面圖

圖2 采集點布置示意圖

采用CFD軟件PHOENICS對整個廠區(qū)進(jìn)行室外風(fēng)環(huán)境數(shù)值分析[4],模擬選取全年主導(dǎo)風(fēng)向為NNW、平均風(fēng)速為 5.0m/s[5].經(jīng)過計算分析得出廠區(qū)各處的風(fēng)場情況,圖3為人行高度1.5m處[6]廠區(qū)風(fēng)場的風(fēng)速云圖.根據(jù)建立的評價模型,將各采集點處的風(fēng)場作為評價對象,對應(yīng)整理出各評價要素的具體情況,表1給出了各采集點處的風(fēng)速以及溫度值.

圖3 1.5m高度處廠區(qū)風(fēng)速云圖

表1 各采集點風(fēng)場情況

2.2 評價過程

(1)建立層次結(jié)構(gòu)

基于風(fēng)速與氣溫這兩個評價要素對人的直接影響以及對區(qū)域環(huán)境的直接物理影響來評價建筑區(qū)域的風(fēng)場,故而可建立分析層次機(jī)構(gòu),如下所示:

(2)構(gòu)造判斷矩陣

對同一層次的各因素關(guān)于上一層次中的某個因素的重要性進(jìn)行兩兩比較來構(gòu)造判斷矩陣.準(zhǔn)則層對目標(biāo)層的判斷矩陣

方案層中,P1,P2相對于C1的重要性判斷矩陣為

P1,P2相對于C2的重要性判斷矩陣為

(3)層次單排序及其一致性檢驗

在構(gòu)造判斷矩陣時是通過兩兩對比判斷的,由于客觀事物的復(fù)雜性,我們認(rèn)識事物時通常帶有主觀性和片面性,因此我們在構(gòu)造完判斷矩陣之后還必須進(jìn)行一致性檢驗.用來衡量判斷矩陣不一致程度的數(shù)量指標(biāo)稱為一致性指標(biāo)[2],記為C,定義為

當(dāng)C= 0時,判斷矩陣是一致的,C的值越大,判斷矩陣不一致程度越嚴(yán)重.

判斷矩陣G:

即 W =(0.75,0.25)T.

判斷矩陣的最大特征值λmax=2,一致性指標(biāo):,說明判斷矩陣 G是一致的,因此可認(rèn)為“對居住者的直接影響”、“對住區(qū)環(huán)境的直接物理影響”關(guān)于“對風(fēng)環(huán)境影響程度”的權(quán)重為(0.75,0.25).

判斷矩陣C1的最大特征值λmax=2,相應(yīng)的特征向量 W = ( 0.75,0.25)T,,即“風(fēng)速”、“氣溫”關(guān)于“居住者的直接影響C1”的權(quán)重為(0.75,0.25).

判斷矩陣C2的最大特征值λmax=2,相應(yīng)的特征向量 W = ( 0.9,0.1)T,,即“風(fēng)速”、“氣溫”關(guān)于“住區(qū)環(huán)境的直接物理影響C2”的權(quán)重為(0.9,0.1).

(4)層次總排序及其組合一致性檢驗

計算方案層的各因素對于目標(biāo)層的相對重要性權(quán)重,稱為層次總排序,該過程是由最高的目標(biāo)層至最底的方案層逐層進(jìn)行的.層次總排序要進(jìn)行組合一致性檢驗,該過程也是由最高的目標(biāo)層至最底的方案層逐層進(jìn)行的.

層次總排序為

層次總排序組合一致性檢驗C=0.75×0+0.25×0=0＜0.1,最終得出“風(fēng)速”、“氣溫”關(guān)于“對風(fēng)環(huán)境的影響程度”的權(quán)重為(0.7875,0.2125).

(5)確定指標(biāo)隸屬度

隸屬程度的思想是模糊數(shù)學(xué)的基本思想,元素屬于模糊集的隸屬度并非是主觀臆造的,而是客觀存在的.

從評價對象出發(fā)進(jìn)行評價,確定其對各評價指標(biāo)的隸屬度.設(shè)對第i個評價對象ai進(jìn)行評價,對要素集中第j個要素uj的隸屬度為rij,其結(jié)果可表示成模糊矩陣

本文采用指派方法[2]確定隸屬函數(shù).指派隸屬函數(shù)的方法通常被認(rèn)為是一種帶有主觀性的方法,它可以把人們的實踐經(jīng)驗考慮進(jìn)去.所謂指派法,就是根據(jù)問題的性質(zhì)套用現(xiàn)成的某些形式的模糊分布,然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)確定分不中所含的參數(shù).

根據(jù)“風(fēng)速”問題的實際情況套用梯形分布的偏小型的指派方法:

根據(jù)“氣溫”問題的實際情況套用二次拋物形分布的中間型的指派方法:

通過“風(fēng)速”、“氣溫”的隸屬函數(shù)即可求出相關(guān)的指標(biāo)隸屬度,得出關(guān)于22個采集點的模糊矩陣

2.3 評價結(jié)果

根據(jù)確定的“各要素對應(yīng)的權(quán)重值”以及“關(guān)于各要素的指標(biāo)隸屬度”,得出辦公樓四周風(fēng)場的評價結(jié)果:

通過模糊綜合評判的結(jié)果可知:辦公樓的西北角的20、21、22等三處的采集點風(fēng)場的舒適性相對較低,而辦公樓四周其余各處的風(fēng)場舒適性相對較優(yōu).

3 結(jié)論

建筑環(huán)境的舒適性越來越受到人們的重視,通過采用模糊數(shù)學(xué)方法對建筑風(fēng)場的舒適性進(jìn)行綜合評判,將評價過程量化,使得風(fēng)場舒適度評價更具客觀性.本文不僅對建筑風(fēng)場舒適性進(jìn)行了評價分析,而且利用模糊綜合評判的方法對影響風(fēng)場舒適性的各要素進(jìn)行分析,從而建立評價模型.從綜合評判的結(jié)果可以看出:辦公樓四周人行高度處風(fēng)場整體良好,在辦公樓西北角的 20、21、22等三處采集點風(fēng)場舒適性相對較低,可在建筑平面布置時,規(guī)劃景觀綠化,避開人行通道的設(shè)置.

模糊綜合評判是風(fēng)場復(fù)雜的問題,其復(fù)雜性不僅在于評判客觀參量的多少,更在于評判參量的量化分析上[3].將模糊數(shù)學(xué)方法引入建筑風(fēng)場評價是一種嘗試,還需逐步地完善.

[1] 都桂梅.幾種典型布局住宅小區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬研究[D].長沙:湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009

[2] 謝季堅,劉承平.模糊數(shù)學(xué)方法及其應(yīng)用[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2005

[3] 劉想德.基于模糊數(shù)學(xué)理論的車內(nèi)噪聲品質(zhì)評價[J].鹽城工學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版),2009,25(3):21～24

[4] 中國氣象局氣象信息中心氣象資料室,清華大學(xué)建筑技術(shù)科學(xué)系.中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[5] GB50378-2006.綠色建筑評價標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006

[6] 綠色建筑評價細(xì)則[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007