Nauka o budownictwie

Mały piec o temperaturze 600°C i obciążeniu statycznym do badania materiałów budowlanych

Nauka o budownictwie to oparty na nauce i technologii zbiór wiedzy mający na celu zapewnienie lepszej jakości środowiska wewnętrznego (IEQ), energooszczędnych środowisk zabudowanych oraz komfortu i satysfakcji użytkowników . Fizyka budowli, nauki o architekturze i fizyka stosowana to terminy używane w odniesieniu do dziedziny wiedzy, która pokrywa się z naukami o budownictwie. W budownictwie szeroko stosowane są metody stosowane w naukach przyrodniczych i ścisłych , które mogą obejmować kontrolowane i quasi-eksperymenty , kontrolę losową, pomiary fizyczne, teledetekcję i symulacje . Z drugiej strony metody z nauk społecznych i miękkich , takie jak studium przypadku , wywiady i grupy fokusowe , metoda obserwacyjna , ankiety i próbkowanie doświadczeń , są również szeroko stosowane w naukach budowlanych w celu zrozumienia satysfakcji, komfortu i doświadczeń mieszkańców poprzez uzyskanie jakościowych dane. Jednym z najnowszych trendów w budownictwie jest połączenie dwóch różnych metod. Na przykład powszechnie wiadomo, że odczucia cieplne i komfort użytkowników mogą się różnić w zależności od płci, wieku, emocji, doświadczeń itp., nawet w tym samym środowisku wewnętrznym. Pomimo postępu w technologii pozyskiwania i gromadzenia danych w budownictwie, same obiektywne pomiary z trudem odzwierciedlają stan umysłu mieszkańców, taki jak komfort i preferencje. Dlatego naukowcy próbują zmierzyć oba konteksty fizyczne i zrozumieć ludzkie reakcje, aby odkryć złożone wzajemne relacje.

Nauka o budownictwie tradycyjnie obejmuje badanie środowiska termicznego w pomieszczeniach, środowiska akustycznego w pomieszczeniach , środowiska oświetlenia w pomieszczeniach , jakości powietrza w pomieszczeniach oraz wykorzystania zasobów budowlanych, w tym zużycia energii i materiałów budowlanych . Obszary te są badane pod kątem zasad fizycznych, związku ze zdrowiem użytkowników budynku, komfortem i produktywnością oraz tego, jak można je kontrolować za pomocą powłoki budynku oraz systemów elektrycznych i mechanicznych . Narodowy Instytut Nauk o Budownictwie (NIBS) dodatkowo swoim zakresem obejmuje obszary modelowania informacji o budynku , rozruchu budynku , inżynierii przeciwpożarowej , projektowania sejsmicznego i projektowania sprężystego.

Jednym z praktycznych celów nauki o budownictwie jest zapewnienie możliwości przewidywania w celu optymalizacji wydajności budynku i zrównoważonego rozwoju nowych i istniejących budynków, zrozumienia lub zapobiegania awariom budynków oraz kierowania projektowaniem nowych technik i technologii.

Aplikacje

Podczas procesu projektowania architektonicznego wiedza z zakresu budownictwa jest wykorzystywana do podejmowania decyzji projektowych w celu optymalizacji wydajności budynku. Decyzje projektowe można podejmować na podstawie znajomości zasad budownictwa i ustalonych wytycznych, takich jak NIBS Whole Building Design Guide (WBDG) oraz zbiór norm ASHRAE związanych z budownictwem.

Narzędzia obliczeniowe mogą być używane podczas projektowania do symulacji wydajności budynku na podstawie informacji wejściowych dotyczących zaprojektowanej przegrody budynku , systemu oświetlenia i systemu mechanicznego . Modele mogą być wykorzystywane do przewidywania energii w całym okresie eksploatacji budynku, rozkładu ciepła słonecznego i promieniowania, przepływu powietrza i innych zjawisk fizycznych w budynku. Narzędzia te są przydatne do oceny projektu i upewnienia się, że będzie działał w akceptowalnym zakresie przed rozpoczęciem budowy. Wiele dostępnych narzędzi obliczeniowych umożliwia analizowanie celów wydajności budynku i optymalizację projektu . Na dokładność modeli ma wpływ znajomość zasad budownictwa oraz liczba walidacji przeprowadzonych dla konkretnego programu.

Podczas oceny istniejących budynków można wykorzystać pomiary i narzędzia obliczeniowe do oceny wydajności w oparciu o zmierzone istniejące warunki. Do pomiaru temperatury, wilgotności, poziomu dźwięku, zanieczyszczenia powietrza lub innych kryteriów można wykorzystać szereg urządzeń do testowania w terenie. Standaryzowane procedury wykonywania tych pomiarów są zawarte w Protokołach Pomiarów Wydajności dla Budynków Komercyjnych. Na przykład urządzenia do obrazowania termicznego w podczerwieni (IR) mogą być używane do pomiaru temperatury elementów budynku podczas użytkowania budynku. Pomiary te można wykorzystać do oceny działania systemu mechanicznego i określenia, czy występują obszary nieprawidłowego przyrostu lub utraty ciepła przez przegrody zewnętrzne budynku.

Pomiary warunków panujących w budynkach istniejących wykorzystywane są w ramach ocen poużytkowych . Oceny po zajęciu mogą również obejmować ankiety wśród użytkowników budynku w celu zebrania danych na temat zadowolenia i dobrego samopoczucia mieszkańców oraz w celu zebrania danych jakościowych na temat wydajności budynku, które mogły nie zostać zarejestrowane przez urządzenia pomiarowe.

Architekt odpowiada za wiele aspektów nauki o budownictwie (w Kanadzie wiele firm architektonicznych zatrudnia w tym celu technologa architektury ), często we współpracy z dyscyplinami inżynierskimi, które ewoluowały, aby zajmować się zagadnieniami nauki o budownictwie „powłoki inne niż budowlane”: Inżynieria , Inżynieria budowlana , Inżynieria trzęsień ziemi , Inżynieria geotechniczna , Inżynieria mechaniczna , Inżynieria elektryczna , Inżynieria akustyczna i inżynieria przeciwpożarowa. Nawet projektant wnętrz nieuchronnie generuje kilka problemów z zakresu budownictwa.

Tematy

Jakość środowiska wewnętrznego (IEQ)

Jakość środowiska wewnętrznego (IEQ) odnosi się do jakości środowiska budynku w odniesieniu do zdrowia i dobrego samopoczucia osób, które w nim przebywają. IEQ zależy od wielu czynników, w tym oświetlenia, jakości powietrza i temperatury. Pracownicy często obawiają się, że mają objawy lub problemy zdrowotne wynikające z narażenia na zanieczyszczenia w budynkach, w których pracują. Jednym z powodów tego niepokoju jest to, że ich objawy często ustępują, gdy nie przebywają w budynku. Chociaż badania wykazały, że niektóre objawy i choroby układu oddechowego mogą być związane z wilgotnymi budynkami, nadal nie jest jasne, jakie pomiary zanieczyszczeń w pomieszczeniach wskazują, że pracownicy są narażeni na choroby. W większości przypadków, gdy pracownik i jego lekarz podejrzewają, że środowisko budynku powoduje określony stan zdrowia, informacje dostępne na podstawie badań medycznych i testów środowiska nie są wystarczające do ustalenia, które zanieczyszczenia są odpowiedzialne. Pomimo niepewności co do tego, co należy mierzyć i jak interpretować to, co jest mierzone, badania pokazują, że objawy związane z budynkiem są powiązane z charakterystyką budynku, w tym z wilgotnością, czystością i charakterystyką wentylacji.

Środowisko wewnętrzne jest bardzo złożone, a użytkownicy budynków mogą być narażeni na różnorodne zanieczyszczenia (w postaci gazów i cząstek) z urządzeń biurowych, środków czyszczących, prac budowlanych, dywanów i mebli, perfum, dymu papierosowego, materiałów budowlanych uszkodzonych przez wodę, rozwój mikroorganizmów (grzybów, pleśni i bakterii), owadów i zanieczyszczeń zewnętrznych. Inne czynniki, takie jak temperatura w pomieszczeniu, wilgotność względna i poziomy wentylacji, mogą również wpływać na reakcję poszczególnych osób na środowisko wewnętrzne. Zrozumienie źródeł zanieczyszczeń środowiskowych w pomieszczeniach i kontrolowanie ich może często pomóc w zapobieganiu objawom związanym z budynkiem lub ich usuwaniu. Dostępne są praktyczne wskazówki dotyczące poprawy i utrzymania środowiska wewnętrznego.

Środowisko wewnętrzne budynku obejmuje aspekty środowiskowe w projektowaniu, analizie i eksploatacji energooszczędnych, zdrowych i wygodnych budynków. Dziedziny specjalizacji obejmują architekturę, projektowanie HVAC , komfort cieplny , jakość powietrza w pomieszczeniach (IAQ), oświetlenie , akustykę i systemy sterowania .

systemy HVAC

Systemy mechaniczne, zwykle podzbiór szerszych usług budowlanych, używane do kontrolowania temperatury, wilgotności, ciśnienia i innych wybranych aspektów środowiska wewnętrznego, są często opisywane jako systemy ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC). Systemy te zyskały na złożoności i znaczeniu (często pochłaniając około 20% całkowitego budżetu w budynkach komercyjnych), ponieważ użytkownicy domagają się ściślejszej kontroli warunków, budynki stają się większe, a ogrodzenia i środki pasywne stały się mniej ważne jako środki zapewniające komfort.

Nauka o budownictwie obejmuje analizę systemów HVAC zarówno pod kątem oddziaływań fizycznych (dystrybucja ciepła, prędkość powietrza, wilgotność względna itp.), jak i wpływu na komfort użytkowników budynku. Ponieważ postrzegany komfort przez użytkowników zależy od takich czynników, jak aktualna pogoda i typ klimatu, w jakim znajduje się budynek, potrzeby systemów HVAC w celu zapewnienia komfortowych warunków będą się różnić w zależności od projektu. Ponadto wdrożono i zbadano różne strategie sterowania HVAC, aby lepiej przyczynić się do zwiększenia komfortu mieszkańców. W Stanach Zjednoczonych firma ASHRAE opublikowała normy pomagające kierownikom budynków i inżynierom w projektowaniu i obsłudze systemu. W Wielkiej Brytanii podobne wytyczne opublikował CIBSE . Poza praktyką przemysłową, zaawansowane strategie sterowania są również szeroko dyskutowane w badaniach. Na przykład sterowanie ze sprzężeniem zwrotnym w pętli zamkniętej może porównywać nastawę temperatury powietrza z pomiarami czujników; kontrola odpowiedzi na zapotrzebowanie może pomóc w zapobieganiu szczytowemu obciążeniu sieci elektroenergetycznej poprzez zmniejszenie lub przesunięcie ich wykorzystania w oparciu o zmieniającą się w czasie szybkość. Wraz z poprawą wydajności obliczeniowej i algorytmami uczenia maszynowego przewidywanie modelu obciążenia chłodzenia i ogrzewania z optymalną kontrolą może jeszcze bardziej poprawić komfort użytkowników poprzez wstępne uruchomienie systemu HVAC. Uznaje się, że wdrażanie zaawansowanych strategii sterowania mieści się w zakresie rozwoju Automatyki Budynku (BMS) ze zintegrowanymi inteligentnymi technologiami komunikacyjnymi, takimi jak Internet Rzeczy (IoT). Jednak jedną z głównych przeszkód zidentyfikowanych przez praktyków jest skalowalność logiki sterowania i mapowanie danych budynku ze względu na unikalny charakter projektów budynków. Oszacowano, że z powodu nieodpowiedniej interoperacyjności przemysł budowlany traci w USA 15,8 miliarda dolarów rocznie. Ostatnie projekty badawcze, takie jak Haystack i Brick, mają na celu rozwiązanie tego problemu poprzez wykorzystanie schematu metadanych, który mógłby zapewnić dokładniejsze i wygodniejsze sposoby przechwytywania punktów danych i hierarchii połączeń w budowaniu układów mechanicznych. Przy wsparciu modeli semantycznych zautomatyzowana konfiguracja może przynieść dalsze korzyści podczas uruchamiania sterowania HVAC i aktualizacji oprogramowania.

Systemy obudów (kopert).

Obudowa budynku to część budynku, która oddziela wnętrze od otoczenia. Obejmuje to ścianę, dach, okna, płyty na poziomie i połączenia między nimi wszystkimi. Na komfort, produktywność, a nawet zdrowie osób przebywających w budynkach znajdujących się w pobliżu obudowy budynku (tj. w strefach obwodowych) mają wpływ czynniki zewnętrzne, takie jak hałas, temperatura i promieniowanie słoneczne, oraz ich zdolność do kontrolowania tych wpływów. W ramach swojej funkcji obudowa musi kontrolować (niekoniecznie blokować lub zatrzymywać) przepływ wilgoci, ciepła, powietrza, pary, promieniowania słonecznego, owadów lub hałasu, jednocześnie wytrzymując obciążenia wywierane na konstrukcję (wiatr, wstrząsy sejsmiczne). Przepuszczalność światła dziennego przez przeszklone elementy elewacji można analizować w celu oceny zmniejszonego zapotrzebowania na oświetlenie elektryczne.

Trwałość budynku

Częścią nauki o budownictwie jest próba projektowania budynków z uwzględnieniem przyszłości oraz zasobów i realiów jutra. Dziedzinę tę można również nazwać projektowaniem zrównoważonym . Poza obszarem projektowania, około 40% zużycia energii i 13% emisji dwutlenku węgla związane jest z działaniem systemów HVAC budynków. Aby złagodzić gwałtowne zmiany klimatyczne, w budownictwie stosuje się odnawialne źródła energii , takie jak energia słoneczna i wiatrowa, wspierające wytwarzanie energii elektrycznej. Jednak profil zapotrzebowania na energię elektryczną wykazuje nierównowagę między podażą a popytem, ​​co jest znane jako „ krzywa kaczki ”. Może to mieć wpływ na utrzymanie stabilności systemu sieci. opracowywane są inne strategie, takie jak systemy magazynowania energii cieplnej, aby osiągnąć wyższy poziom zrównoważonego rozwoju poprzez zmniejszenie szczytowej mocy sieci.

Nacisk na budownictwo o zerowym zużyciu energii, znany również jako budynek o zerowym zużyciu energii, był obecny w dziedzinie nauki o budownictwie. Kwalifikacje do certyfikacji budynków o zerowym zużyciu energii można znaleźć na Living Building Challenge .

Ocena po zajęciu (POE)

POE to oparta na ankietach metoda pomiaru wydajności budynku po zamieszkaniu w środowisku zabudowanym. Odpowiedzi mieszkańców zostały zebrane poprzez ustrukturyzowane lub otwarte zapytania. Często wykorzystywano metody statystyczne i wizualizację danych, aby zasugerować, które aspekty (cechy) budynku sprzyjają lub sprawiają problemy mieszkańcom. Wyniki mogą stać się wiedzą projektową dla architektów do projektowania nowych budynków lub stanowić bazę danych w celu poprawy obecnego środowiska.

Orzecznictwo

Chociaż nie ma bezpośrednich ani zintegrowanych profesjonalnych certyfikatów architektonicznych lub inżynierskich dla nauk budowlanych, istnieją niezależne referencje zawodowe związane z dyscyplinami. Nauka o budownictwie jest zazwyczaj specjalizacją w szerokich obszarach architektury lub praktyki inżynierskiej. Istnieją jednak organizacje zawodowe oferujące indywidualne kwalifikacje zawodowe w wyspecjalizowanych obszarach. Niektóre z najbardziej znanych systemów oceny zielonych budynków to:

Istnieją również inne instytucje akredytujące i certyfikujące zrównoważony rozwój budynków. Również w Stanach Zjednoczonych wykonawcy certyfikowani przez niezależną organizację Building Performance Institute reklamują się jako naukowcy budowlani. Jest to wątpliwe ze względu na ich brak zaplecza naukowego i referencji. Z drugiej strony, większość Certyfikowanych Doradców Energetycznych ma w Kanadzie bardziej formalne doświadczenie w dziedzinie budownictwa. Wiele z tych zawodów i technologów wymaga i przechodzi szkolenie w bardzo specyficznych obszarach budownictwa (np. szczelność powietrzna lub izolacja termiczna).

Lista głównych czasopism budowlanych

  • Building and Environment : to międzynarodowe czasopismo publikuje oryginalne prace badawcze i artykuły przeglądowe związane z budownictwem, fizyką miejską i interakcją człowieka ze środowiskiem zabudowanym wewnątrz i na zewnątrz. Najczęściej cytowane artykuły w czasopiśmie obejmują takie tematy, jak zachowanie użytkowników w budynkach, systemy certyfikacji budynków ekologicznych i systemy wentylacji tuneli. Wydawca: Elsevier . Współczynnik wpływu (2019): 4,971
  • Energy and Buildings : To międzynarodowe czasopismo publikuje artykuły z wyraźnymi odniesieniami do wykorzystania energii w budynkach. Celem jest przedstawienie nowych wyników badań oraz nowych sprawdzonych praktyk mających na celu zmniejszenie potrzeb energetycznych budynku i poprawę jakości powietrza w pomieszczeniach . Najczęściej cytowane artykuły w czasopiśmie obejmują takie tematy, jak modele predykcyjne zużycia energii w budynkach, modele optymalizacyjne HVAC i ocena cyklu życia . Wydawca: Elsevier. Współczynnik wpływu (2019): 4,867
  • Indoor Air: To międzynarodowe czasopismo publikuje artykuły odzwierciedlające szerokie kategorie zainteresowań w dziedzinie środowiska wewnętrznego budynków nieprzemysłowych, w tym wpływu na zdrowie , komfortu cieplnego , monitorowania i modelowania, charakterystyki źródeł i wentylacji (architektura) oraz innych technik kontroli środowiska . Najczęściej cytowane artykuły w czasopiśmie obejmują takie tematy, jak wpływ zanieczyszczeń powietrza w pomieszczeniach i warunków termicznych na wydajność użytkowników, ruch kropel w środowiskach wewnętrznych oraz wpływ szybkości wentylacji na zdrowie użytkowników. Wydawca: John Wiley & Sons . Współczynnik wpływu (2019): 4,739
  • Architectural Science Review : czasopismo to, założone na Uniwersytecie w Sydney w Australii w 1958 r., ma na celu promowanie rozwoju, gromadzenia i stosowania wiedzy naukowej w szerokim zakresie zagadnień środowiskowych. Zgodnie z opisem w czasopiśmie tematy mogą obejmować między innymi budownictwo i technologię, zrównoważony rozwój środowiska, konstrukcje i materiały, dźwięk i akustykę, oświetlenie, systemy termiczne, fizykę budowli, usługi budowlane, klimatologię budynków, ekonomikę budynków, ergonomię, historię i teoria nauk o architekturze, nauki społeczne o architekturze. Wydawca: Taylor & Francis Group
  • Building Research and Information : To czasopismo koncentruje się na budynkach, zasobach budowlanych i ich systemach wspierających. Unikalne dla BRI jest holistyczne i transdyscyplinarne podejście do budynków, które uwzględnia złożoność środowiska zbudowanego i innych systemów przez cały okres ich użytkowania. Opublikowane artykuły wykorzystują podejścia koncepcyjne i oparte na dowodach, które odzwierciedlają złożoność i powiązania między kulturą, środowiskiem, gospodarką, społeczeństwem, organizacjami, jakością życia, zdrowiem, dobrym samopoczuciem, projektowaniem i inżynierią środowiska zbudowanego. Najczęściej cytowane artykuły w czasopiśmie obejmują takie tematy, jak różnica między wydajnością a faktycznym zużyciem energii, bariery i czynniki napędzające zrównoważone budownictwo oraz polityka odpornych miast. Wydawca: Taylor & Francis Group . Współczynnik wpływu (2019): 3,887
  • Journal of Building Performance Simulation : To międzynarodowe, recenzowane czasopismo publikuje wysokiej jakości badania i najnowocześniejsze „zintegrowane” artykuły w celu promowania dogłębnego naukowego postępu we wszystkich obszarach niekonstrukcyjnej wydajności budynku, a zwłaszcza w wymianie ciepła , , przenoszenie wilgoci. Najczęściej cytowane artykuły w czasopiśmie obejmują takie tematy, jak współsymulacja systemów energetycznych i sterowania budynków, biblioteka budynków oraz wpływ zachowania użytkowników na zapotrzebowanie budynku na energię. Wydawca: Taylor & Francis Group. Współczynnik wpływu (2019): 3,458
  • LEUKOS : To czasopismo publikuje osiągnięcia inżynieryjne, odkrycia naukowe i wyniki eksperymentów związanych z zastosowaniami światła. Tematy zainteresowań obejmują promieniowanie optyczne , wytwarzanie światła , kontrolę światła , pomiar światła, projektowanie oświetlenia, światło dzienne , zarządzanie energią , ekonomię energii i zrównoważony rozwój. Najczęściej cytowane artykuły w czasopiśmie obejmują takie tematy, jak wskaźniki projektowania oświetlenia, procesy psychologiczne wpływające na jakość oświetlenia oraz wpływ jakości oświetlenia i efektywności energetycznej na wydajność zadań, nastrój, zdrowie, satysfakcję i komfort. Wydawca: Taylor & Francis Group. Współczynnik wpływu (2019): 2,667
  • Building Simulation : To międzynarodowe czasopismo publikuje oryginalne, wysokiej jakości, recenzowane artykuły naukowe i artykuły przeglądowe dotyczące modelowania i symulacji budynków, w tym ich systemów. Celem jest wypromowanie dziedziny nauki i techniki budowlanej do takiego poziomu, aby modelowanie stało się ostatecznie stosowane w każdym aspekcie budownictwa jako rutyna, a nie wyjątek. Szczególnie interesujące są artykuły, które odzwierciedlają najnowsze osiągnięcia i zastosowania narzędzi do modelowania oraz ich wpływ na postęp nauki i technologii budowlanej. Wydawca: Springer Nature . Współczynnik wpływu (2019): 2,472
  • Applied Acoustics : Czasopismo to obejmuje wyniki badań związanych z praktycznymi zastosowaniami akustyki w inżynierii i nauce. Najczęściej cytowane artykuły czasopisma związane z budownictwem obejmują takie tematy, jak przewidywanie pochłaniania dźwięku przez materiały naturalne, wdrażanie tanich miejskich urządzeń do monitorowania akustycznego oraz pochłanianie dźwięku przez naturalne włókna kenaf . Wydawca: Elsevier. Współczynnik wpływu (2019): 2,440
  • Lighting Research & Technology : To czasopismo obejmuje wszystkie aspekty światła i oświetlenia, w tym reakcję człowieka na światło, wytwarzanie światła , kontrolę światła , pomiar światła, sprzęt do projektowania oświetlenia, światło dzienne , efektywność energetyczną projektowania oświetlenia i zrównoważony rozwój. Najczęściej cytowane artykuły w czasopiśmie obejmują takie tematy, jak światło jako okołodobowy bodziec oświetlenia architektonicznego, ludzkie postrzeganie odwzorowania kolorów oraz wpływ rozmiaru i kształtu gamy kolorów na preferencje kolorystyczne. Wydawca: Wydawnictwo SAGE . Współczynnik wpływu (2019): 2,226

Zobacz też

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Building_science&oldid=1139590020 ”