本發(fā)明屬于建筑溫度模擬領(lǐng)域，尤其涉及一種用于超高建筑的溫度效應(yīng)模擬方法與系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

1、超高層建筑的溫度效應(yīng)模擬面臨著諸多技術(shù)難題。首先，超高層建筑的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，樓層數(shù)量眾多，不同樓層的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和熱工參數(shù)存在差異，如何高效地建立整體有限元模型是一大挑戰(zhàn)。其次，太陽輻射、氣流、建筑裝修等因素對建筑結(jié)構(gòu)溫度場的影響復(fù)雜多變，如何準(zhǔn)確地識別結(jié)構(gòu)的陰面和陽面單元，并在其上施加合理的熱邊界條件，是溫度場模擬的關(guān)鍵。再者，超高層建筑的溫度效應(yīng)包括整體溫差效應(yīng)、局部溫差效應(yīng)、水平溫差效應(yīng)和豎向溫差效應(yīng)等多個(gè)方面，如何全面地分析溫度效應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)的影響，并考慮混凝土收縮、徐變等因素的作用，是溫度效應(yīng)分析的難點(diǎn)。最后，超高層建筑的溫度效應(yīng)具有動態(tài)性和時(shí)變性，如何實(shí)現(xiàn)溫度場的實(shí)時(shí)、自動計(jì)算，以便對溫度效應(yīng)進(jìn)行動態(tài)分析，也是一個(gè)亟待解決的技術(shù)問題。這些技術(shù)難題的存在，使得超高層建筑的溫度效應(yīng)模擬成為一個(gè)復(fù)雜而又具有挑戰(zhàn)性的課題，需要在有限元建模、熱邊界條件施加、溫度場計(jì)算、溫度效應(yīng)分析等多個(gè)方面進(jìn)行深入研究和技術(shù)攻關(guān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種用于超高建筑的溫度效應(yīng)模擬方法與系統(tǒng)。其中，一種用于超高建筑的溫度效應(yīng)模擬方法，包括：

2、通過有限元方法建立超高層建筑的三維結(jié)構(gòu)模型，通過預(yù)設(shè)的建筑幾何參數(shù)和材料屬性，生成包含樓層、墻體、梁柱結(jié)構(gòu)單元的初始模型；

3、根據(jù)所述初始模型，獲取太陽輻射數(shù)據(jù)和建筑朝向，計(jì)算建筑表面各單元的光照強(qiáng)度，結(jié)合預(yù)設(shè)的太陽輻射吸收系數(shù)，確定建筑陰面和陽面的單元分布；

4、針對陰面單元和陽面單元分別施加不同的熱邊界條件，其中，陽面單元采用太陽輻射熱流密度作為熱邊界條件，陰面單元采用環(huán)境溫度作為熱邊界條件；通過有限元求解器，計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)在所述熱邊界條件下的溫度場分布，得到各單元的溫度值，并生成溫度場分布圖；

5、基于所述各單元的溫度值，結(jié)合混凝土收縮和徐變模型，計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，獲得溫度效應(yīng)模擬分析結(jié)果；

6、將所述溫度效應(yīng)分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)模型結(jié)合，評估溫度效應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和局部構(gòu)件的影響，生成溫度效應(yīng)評估報(bào)告。

7、優(yōu)選地，通過有限元方法建立超高層建筑的三維結(jié)構(gòu)模型，通過預(yù)設(shè)的建筑幾何參數(shù)和材料屬性，生成包含樓層、墻體、梁柱結(jié)構(gòu)單元的初始模型的過程包括：

8、根據(jù)預(yù)設(shè)的建筑幾何參數(shù)和材料屬性，確定超高層建筑的整體結(jié)構(gòu)布局和尺寸；

9、通過三維建模軟件，構(gòu)建包含樓層、墻體和梁柱結(jié)構(gòu)單元的建筑三維實(shí)體模型；

10、將所述建筑三維實(shí)體模型導(dǎo)入有限元分析軟件，定義材料屬性、單元類型和網(wǎng)格劃分參數(shù)；

11、針對樓層單元，設(shè)置樓板厚度、材料屬性和荷載條件，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

12、針對墻體單元，設(shè)置墻體厚度、材料屬性和邊界條件，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

13、針對梁柱單元，設(shè)置截面尺寸、材料屬性和端部約束條件，并進(jìn)行網(wǎng)格劃分；

14、綜合樓層、墻體和梁柱結(jié)構(gòu)單元的有限元模型，獲得超高層建筑的完整三維結(jié)構(gòu)初始模型。

15、優(yōu)選地，根據(jù)所述初始模型，獲取太陽輻射數(shù)據(jù)和建筑朝向，計(jì)算建筑表面各單元的光照強(qiáng)度，結(jié)合預(yù)設(shè)的太陽輻射吸收系數(shù)，確定建筑陰面和陽面的單元分布的過程包括：

16、根據(jù)所述初始模型，獲取太陽輻射數(shù)據(jù)和建筑朝向信息，計(jì)算建筑表面的每個(gè)單元接收到的太陽輻射強(qiáng)度；

17、采用預(yù)設(shè)的太陽輻射吸收系數(shù)，對每個(gè)單元的輻射吸收情況進(jìn)行計(jì)算，得到單元的輻射吸收量；

18、根據(jù)所述單元的輻射吸收量，判斷所述單元屬于陰面還是陽面，若所述輻射吸收量大于預(yù)設(shè)閾值，則判定為陽面單元，否則判定為陰面單元；

19、采用k-means聚類算法，對所述陰面單元和陽面單元進(jìn)行聚類，得到建筑表面的陰面區(qū)域和陽面區(qū)域；

20、對所述陰面區(qū)域和陽面區(qū)域分別采用支持向量機(jī)算法進(jìn)行區(qū)域的邊界識別，得到陰面區(qū)域和陽面區(qū)域的邊界信息；

21、根據(jù)所述邊界信息，采用決策樹算法，判斷建筑表面每個(gè)單元的陰陽屬性，得到建筑表面的陰陽面單元分布圖。

22、優(yōu)選地，針對陰面單元和陽面單元分別施加不同的熱邊界條件的過程包括：

23、獲取陰面單元和陽面單元的劃分信息，根據(jù)單元類型確定對應(yīng)的熱邊界條件類型；

24、對于陽面單元，獲取當(dāng)前時(shí)刻的太陽輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，計(jì)算得到太陽輻射熱流密度值，作為所述陽面單元的熱邊界條件；

25、對于陰面單元，獲取當(dāng)前時(shí)刻的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，作為所述陰面單元的熱邊界條件；

26、根據(jù)熱邊界條件類型，對陰面單元施加環(huán)境溫度邊界，對陽面單元施加輻射熱流密度邊界；

27、采用有限元分析方法，計(jì)算得到陰面和陽面單元的瞬態(tài)溫度分布；

28、若當(dāng)前時(shí)刻未達(dá)到設(shè)定的模擬終止時(shí)間，則獲取下一時(shí)刻的太陽輻射和環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，否則，輸出陰面和陽面單元在整個(gè)模擬周期內(nèi)的溫度分布結(jié)果；

29、通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法，對不同時(shí)刻的陰陽面溫度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練，建立太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度與陰陽面溫度之間的預(yù)測模型。

30、優(yōu)選地，通過有限元求解器，計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)在所述熱邊界條件下的溫度場分布，得到各單元的溫度值，并生成溫度場分布圖的過程包括：

31、根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的幾何模型和材料屬性，采用有限元方法進(jìn)行離散化處理，得到有限元模型；

32、根據(jù)所述熱邊界條件，確定所述有限元模型的邊界條件和初始條件；

33、采用有限元求解器，計(jì)算有限元模型在給定邊界條件和初始條件下的溫度場分布；

34、通過求解器獲取各單元的溫度值，形成溫度值矩陣；

35、根據(jù)所述溫度值矩陣，采用插值算法對溫度場進(jìn)行插值，得到連續(xù)的溫度場分布；

36、根據(jù)插值后的溫度場分布，采用可視化算法生成溫度場分布圖；

37、判斷溫度場分布是否滿足設(shè)計(jì)要求，若不滿足，則調(diào)整熱邊界條件或材料屬性，重新進(jìn)行計(jì)算，直至滿足要求。

38、優(yōu)選地，采用有限元求解器，計(jì)算有限元模型在給定邊界條件和初始條件下的溫度場分布；通過求解器獲取各單元的溫度值，形成溫度值矩陣的過程包括：

39、根據(jù)給定的邊界條件和初始條件，建立有限元模型，并將所述有限元模型導(dǎo)入有限元求解器中；

40、采用所述有限元求解器對有限元模型進(jìn)行求解，得到模型在當(dāng)前條件下的溫度場分布情況；

41、通過所述有限元求解器獲取模型中各個(gè)單元的溫度值，并將溫度值存儲到數(shù)組中；

42、根據(jù)單元的位置信息和對應(yīng)的溫度值，構(gòu)建溫度值矩陣，矩陣的行列數(shù)與有限元模型的單元?jiǎng)澐忠恢拢?/p>

43、對所述溫度值矩陣進(jìn)行插值計(jì)算，得到模型整個(gè)區(qū)域的溫度場分布情況，并生成溫度云圖；

44、根據(jù)溫度場分布情況，判斷模型是否存在溫度過高或過低的區(qū)域，若存在則對有限元模型進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整；

45、根據(jù)優(yōu)化后的有限元模型重新進(jìn)行求解計(jì)算，直至得到滿足要求的溫度場分布結(jié)果。

46、優(yōu)選地，基于所述各單元的溫度值，結(jié)合混凝土收縮和徐變模型，計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，獲得溫度效應(yīng)模擬分析結(jié)果的過程包括：

47、獲取混凝土結(jié)構(gòu)的溫度場數(shù)據(jù)，根據(jù)預(yù)設(shè)的混凝土收縮模型和徐變模型，計(jì)算混凝土材料在當(dāng)前溫度場下的性能參數(shù)；

48、基于材料性能參數(shù)，采用有限元分析方法，計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)作用下的應(yīng)力分布和應(yīng)變分布；

49、將所述應(yīng)力分布和應(yīng)變分布數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，生成直觀的云圖或矢量圖；

50、對應(yīng)力和應(yīng)變的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，判斷是否超出混凝土材料的允許范圍，若超出則發(fā)出預(yù)警信息；

51、根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的分布情況，對混凝土結(jié)構(gòu)的薄弱部位進(jìn)行識別，并給出相應(yīng)的加固或維護(hù)建議。

52、優(yōu)選地，根據(jù)材料性能參數(shù)，采用有限元分析方法，計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)作用下的應(yīng)變分布的過程包括：

53、根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的幾何模型和邊界條件，采用有限元方法建立結(jié)構(gòu)的數(shù)值模型；

54、獲取混凝土材料的力學(xué)性能參數(shù)，作為有限元模型的材料屬性輸入；其中，所述混凝土材料的力學(xué)性能參數(shù)包括彈性模量、泊松比、熱膨脹系數(shù)；

55、根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境溫度條件，確定作用在結(jié)構(gòu)上的溫度載荷；

56、采用有限元分析軟件，對建立的混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值模型施加溫度載荷，進(jìn)行非線性瞬態(tài)溫度場分析；

57、通過溫度場分析，得到混凝土結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)作用下的溫度分布；

58、根據(jù)溫度分布，采用熱-結(jié)構(gòu)耦合分析方法，計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在溫度應(yīng)力作用下的應(yīng)變響應(yīng)；

59、對計(jì)算得到的應(yīng)變分布結(jié)果進(jìn)行后處理，得到混凝土結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)作用下的應(yīng)變云圖。

60、優(yōu)選地，將所述溫度效應(yīng)分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)模型結(jié)合，評估溫度效應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和局部構(gòu)件的影響，生成溫度效應(yīng)評估報(bào)告的過程包括：

61、根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù)和材料屬性，建立結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，模擬建筑在不同溫度條件下的受力情況和變形情況；

62、獲取建筑所在地區(qū)的歷史溫度數(shù)據(jù)和預(yù)測的未來溫度變化趨勢，確定溫度效應(yīng)分析的溫度范圍和時(shí)間跨度；

63、采用有限元分析方法，將溫度作為載荷條件，對結(jié)構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行溫度效應(yīng)分析，得到不同溫度下建筑結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布和變形情況；

64、根據(jù)溫度效應(yīng)分析結(jié)果，判斷建筑結(jié)構(gòu)在極端溫度條件下是否滿足整體穩(wěn)定性要求，確定關(guān)鍵部位和薄弱環(huán)節(jié)；

65、針對溫度效應(yīng)分析中識別出的關(guān)鍵構(gòu)件，進(jìn)行局部受力分析和變形分析，評估溫度對構(gòu)件性能的影響程度；

66、通過支持向量機(jī)或決策樹建立溫度與建筑結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)聯(lián)模型，預(yù)測未來溫度變化對建筑安全性的影響趨勢；

67、綜合溫度效應(yīng)分析結(jié)果和構(gòu)件評估結(jié)果，生成溫度效應(yīng)評估報(bào)告。

68、本發(fā)明還提供一種用于超高建筑的溫度效應(yīng)模擬系統(tǒng)，包括：

69、初始模型生成模塊，用于通過有限元方法建立超高層建筑的三維結(jié)構(gòu)模型，通過預(yù)設(shè)的建筑幾何參數(shù)和材料屬性，生成包含樓層、墻體、梁柱結(jié)構(gòu)單元的初始模型；

70、光照強(qiáng)度計(jì)算模塊，用于根據(jù)所述初始模型，獲取太陽輻射數(shù)據(jù)和建筑朝向，計(jì)算建筑表面各單元的光照強(qiáng)度，結(jié)合預(yù)設(shè)的太陽輻射吸收系數(shù)，確定建筑陰面和陽面的單元分布；

71、熱邊界條件施加模塊，用于針對陰面單元和陽面單元分別施加不同的熱邊界條件，其中，陽面單元采用太陽輻射熱流密度作為熱邊界條件，陰面單元采用環(huán)境溫度作為熱邊界條件；

72、溫度場計(jì)算模塊，用于通過有限元求解器，計(jì)算建筑結(jié)構(gòu)在所述熱邊界條件下的溫度場分布，得到各單元的溫度值，并生成溫度場分布圖；

73、材料性能計(jì)算模塊，用于基于所述各單元的溫度值，結(jié)合混凝土收縮和徐變模型，計(jì)算混凝土結(jié)構(gòu)在溫度效應(yīng)下的應(yīng)力和應(yīng)變分布，獲得溫度效應(yīng)模擬分析結(jié)果；

74、溫度效應(yīng)評估模塊，用于將所述溫度效應(yīng)分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)模型結(jié)合，評估溫度效應(yīng)對建筑結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性和局部構(gòu)件的影響，生成溫度效應(yīng)評估報(bào)告。

75、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果：

76、本發(fā)明公開的一種用于超高建筑的溫度效應(yīng)模擬方法，通過有限元建立三維結(jié)構(gòu)模型，結(jié)合太陽輻射數(shù)據(jù)和建筑朝向計(jì)算光照強(qiáng)度，確定陰陽面分布。針對不同面施加熱邊界條件，利用有限元求解器計(jì)算溫度場分布。將溫度場數(shù)據(jù)與混凝土收縮徐變模型結(jié)合，分析溫度效應(yīng)下的應(yīng)力應(yīng)變分布。最后將溫度效應(yīng)分析結(jié)果與結(jié)構(gòu)力學(xué)模型整合，評估對建筑整體穩(wěn)定性和局部構(gòu)件的影響。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對超高層建筑溫度效應(yīng)的精確模擬和全面分析，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和安全評估提供了重要依據(jù)，有效提高了超高層建筑的結(jié)構(gòu)可靠性和使用壽命。