建筑日照的計算機輔助分析方法綜合介紹

1、建筑日照的計算機輔助分析方法綜合介紹居住建筑的日照和采光近年來由于我國住房私有化以及國民收入的提高，居住的環(huán)境受到重視。建筑日照、采光是居住區(qū)規(guī)劃的一個重要內容，也是近幾年來引發(fā)民事糾紛最多的焦點。日照和采光在建筑物理上是兩個不同的概念，它們的原理和計算方法各不相同。現(xiàn)代計算機輔助計算已經可以較好地勝任這兩方面的工作。它們將逐步取代過去的人工作圖和諾模圖計算方法。由于目前各學科技術發(fā)展的不一致性，建筑設計人員還不能很好地使用這些近代計算手段。本世紀初由于世界各國學界的努力，這種滯后的狀態(tài)將開始得以改變，它將影響現(xiàn)有建筑物理環(huán)境的設計方法和設計規(guī)范。居住建筑的日照標準在城市居住區(qū)規(guī)劃設計規(guī)范GB

2、 50180-93中存在著兩個標準:有效日照時數(shù):按照氣候區(qū)規(guī)定了各類居住建筑具體的日照指標，即以大寒日或冬至日必須滿足的有效日照時間來表示。這個條文屬于強制性法規(guī)。有效日照時間已經成為法律上的標準。在日照民事糾紛中以此進行補償。（此條為強制性法規(guī)條文）日照間距系數(shù):現(xiàn)行規(guī)范中列出了建筑物必須滿足的日照間距.它是作為設計的參照標準.日照間距系數(shù)表是90年代初期根據當時一般的建筑形式測算的，它已經不能適用于當前城市居住區(qū)多種多樣的建筑形式。（此條為推薦指標）由于這兩個標準分別采用了時間和空間兩個不同的物理參數(shù),因此在許多場合它們并不統(tǒng)一。 就北京市來說, 間距系數(shù)是依據大寒日制訂的,對于南北向排

3、列的建筑物它為。與它對應的太陽高度角為31度，遠大于北京冬至日正午的太陽高度角度。居住建筑的采光建筑采光(daylight)在我國規(guī)范中直接用采光系數(shù)描述，規(guī)范中建筑物采光是作為推薦指標加以規(guī)定的。目前國內關于采光遮擋控制一般采用限定建筑物的間距。目前我院在HP工作站上使用引進的Radiance程序可以較好地計算相臨建筑物對采光的遮擋效應。這種手段難于被一般的建筑設計人員掌握。因此目前還不能定量地處理建筑采光遮蔽民事糾紛，在處理此類糾紛時，一定要向當事人詳細告知上述原因。我們已經作了許多模擬計算，足以對北京地區(qū)現(xiàn)在流行的住宅單元形式中“間接采光的起居室”以及一梯多戶的“抽槽”做出斷論。但是無論

4、是房地產商或設計方大都不愿意承認和考慮這樣的事實。建筑日照分析的常用手段建筑日照計算在上世紀上半葉主要采用兩類方法：正日影圖、棒影圖、瞬時陰影圖及影子信封縮尺模型分析(日規(guī)儀)上世紀80年代開使國外采用計算機輔助分析方法采用計算機繪制陰影圖及日照等時線圖對已建成的建筑物，為了避免收集圖紙或現(xiàn)場測繪的困難。只要在現(xiàn)場拍攝天際線照片，然后采用計算機加以分析的方法來解決。由于天體運動是按照精確規(guī)律，所以現(xiàn)行的解析算法可以保證日照計算結果達到預定的精度，例如小時。采用這種算法的程序可以滿足日照民事糾紛中的測算要求。采用其它方法的日照軟件只能達到5%左右的精度，不能用于上述測算中。建筑日照分析常見的問題

5、日照間距系數(shù)不能用于如下場合單幢建筑物縱向長度過長的情況如六層樓長度超過50米多幢建筑物混合遮蔽的場合小區(qū)中存在著超高建筑物我國個別城市規(guī)劃部門過去確定的日照間距系數(shù)過低如北緯39度日照間距系數(shù)下限取。這種做法加大了設計標準和補償標準之間的不一致性，使得批審通過的大量工程引發(fā)與周圍鄰里的日照糾紛。建筑日照分析的誤區(qū)設計者簡單地采用按圖面測量建筑之間的距離，計算間距系數(shù)容易導致失誤。這種失誤表示在如下的方面：縱向長度超過50米時，后排建筑首層不能滿足日照要求。按間距系數(shù)來設計建筑物退臺直接導致繆誤條形住宅和點式住宅混排時間距系數(shù)無從依據，也不能反映出日影線的攝動現(xiàn)象特種體形的建筑物間距系數(shù)無從依

6、據。一、二期建筑日照資源分配的不平衡。如果不采用棒影圖分析或借助計算機計算，設計者往往心中無數(shù)，甚至不知道錯誤已經發(fā)生。建筑日照手工作圖分析的局限性日照間距系數(shù)只能用于建筑布置嚴格附合制表時測算條件的場合，不能用于復雜的布置場合，單體建筑物的日照等值線場不可以簡單線性疊加.對于不同朝向的日照計算，由于存在太陽光對墻面的入射角的關系，使用棒影圖已經不能精確求解。居住區(qū)眾多點式和條式住宅混合形成的日照等值線場存在著日照等值線的攝動現(xiàn)象，這種現(xiàn)象是不能用間距系數(shù)來描述的。除了使用棒影圖方法外，只有采用計算機分析才能完成.簡單地從圖紙上量取間距系數(shù)是極不可靠的方法,它導致失誤，在方案后期發(fā)現(xiàn)的問題將給

7、設計單位和甲方造成直接經濟損失。傳統(tǒng)的人工作圖方法難于在規(guī)劃設計中對居住區(qū)日照進行優(yōu)化，難于對復雜布置的建筑環(huán)境做多個節(jié)氣的綜合分析。并且無法從能源角度進行更深入的研究。計算機輔助建筑日照分析方法勢在必行，2002年新版規(guī)范明確指出對于建筑物復雜布置的場合必須進行測算。希望各地的規(guī)劃管理部門引起重視。計算機輔助建筑日照分析的重要意義法院在日照民事訴訟的責任認定中，作為仲裁的依據只能根據窗口實際接受的有效日照時間，間距系數(shù)不能作為依據。由于現(xiàn)場觀察受天氣條件約束，指定日期常常無法進行。因此模擬分析手段占有重要的一席。計算機輔助日照計算中,太陽被簡化為理論上的點光源,影子邊界明確,所以精度可達10

8、-5小時,而現(xiàn)場實際觀察時,由于太陽影子邊界存在著過渡區(qū)域,目察精度根本無法達到這個量級。小區(qū)方案初期階段必須進行快速可靠的日照分析。計算機輔助建筑日照分析可以提供多種實時交互分析手段；對于規(guī)劃建筑的容積形體，計算機輔助分析提供了交互方式的優(yōu)化工具-返回光線切割器，以及全自動的優(yōu)化方法-容積極限遺傳算法。使用計算機輔助分析，可以同時計算出太陽對照射面的直接輻射熱和天空的散射熱，對建筑能耗的計算有著直接的幫助。建筑日照的基本原理地球繞太陽運行圖（黃道、節(jié)氣）資料來源：建筑熱環(huán)境清華大學出版社 葉歆 編著天球的概念資料來源：建筑熱環(huán)境清華大學出版社 葉歆 編著天球上太陽的運行規(guī)律太陽的位置參數(shù)太陽

9、的方位角太陽的高度角太陽的時角本圖來自建筑設計資料集（第二版）第1冊太陽的方位角和高度角本表來自建筑設計資料集（第二版）第1冊由于地球繞日運行的章動和歲差 造成赤緯和時差的擾動本表來自建筑設計資料集（第二版）第1冊我國主要城市各節(jié)氣太陽位置列表（建筑設計資料集1）用棒影圖來計算窗臺中點的有效日照時間（資料來源建筑熱環(huán)境）清華建筑日照分析軟件 Sunshine 2.0 D/M/P1996-2005天空圖法日照圓錐面法日照等時線返回光線法陽光通道法極限容積法可以在AutoCAD R14/2000/2002/2004/2005下運行.可以連接Acess數(shù)據庫.可以輸出曲線圖或偽彩色圖.多種原創(chuàng)的輔助

10、分析工具和算法，處國內領先地位.同時提供中文簡體、繁體以及英文版.計算原理和基本算法采用的主要公式采用的主要公式在精度要求低的場合，如容積測算等采用函數(shù)值表來替代上述過程以提高計算速度.采用的主要公式采用的主要公式采用的主要公式采用的主要公式天空圖法原理1.求出測試點的中心投影2.求出正南方畫面上的太陽規(guī)跡3.計算并繪制出時間的刻度（時標）天津吉利花園某測點天空圖天空圖法的特點和使用場合直觀和明了不需要專業(yè)知識就能看懂.可以直接讀出大寒日或冬至日的有效日照時間.可以在住房銷售中向客戶提供住宅的日照條件.可以在現(xiàn)場拍攝天際線照片,然后在照片上用計算機添加太陽規(guī)跡和時標.不能處理新老建筑物混合造成

11、遮蔽的場合.日照圓錐面法日照圓錐面原理實際上日照圓錐投影到水平面就形成了棒影圖本圖來自建筑設計資料集（第二版）第1冊之p-189在新老建筑物混合造成遮蔽的場合，可以有效地判斷各自的影響程度?？梢杂糜谂f城改造中日照民事糾紛的責任確定中。日照圓錐實例一日照圓錐實例二地段上的超高建筑物將有較大的影響范圍北京市國貿中心三期方案（機械工業(yè)設計院算例）日照圓錐實例二日照等時線日照等時線是居住區(qū)規(guī)劃設計的日照指標的重要表示方法，某些國家的規(guī)劃管理部門已將它列項目報審的入必需內容，利用計算機繪制該類圖紙已經勢在必行。建筑日照等值線分析的重要意義水平面日照等時線圖可以清楚地表示出小區(qū)建筑物與綠地道路的日照情況垂

12、直面日照等時線圖可以準確地確定被遮建筑物立面上各個部位的有效日照時數(shù)，設計者可以進一步確定被遮方日照受損的程度作為居住區(qū)規(guī)劃報審日照條件的技術資料日照等時線圖的特點可以計算任意方位的測試平面可以輸出等值線圖或偽彩色圖可以有選擇地輸出需要的等值線可以使用其它CAAD軟件的圖形文件森淼花園水平面日照等時線圖（天津市規(guī)劃局算例）日照等時線參數(shù)輸入界面可以設置計算步長可以設置抽稀繪制格柵線的倍率可以選擇多種不同精度的等值線畫法可以繪制測試平面的日照時間偽彩色圖可以選擇網格所在平面的參考坐標系可以在圖重設置網格的位置和大小可以設置等值線、格柵、數(shù)字所在圖層的名稱可以選擇不同的等值線時間間隔可以選擇具體的

13、遮擋集合可以同時計算太陽直接輻射熱和天空的無遮擋散射熱建筑日照等值線算法根據日照數(shù)值場的特點，特別研制了多種不同的日照等值線算法.解決了存在孤島的非線性數(shù)值場的等值線畫法.提供了任意位置測試平面矩形網格分析.輸出結果可以是曲線圖或偽彩色圖.撤去多余的等值線將造成線條的殘缺和讀圖的困難跨越建筑物內外的方格中存在多余和不準確的等值線動態(tài)的搜索算法可以提供較為準確的等值線圖傳統(tǒng)的線性插值算法不能準確的描述非線性的二維日照數(shù)值場，它畫出的等值線圖有較大的畸變水平面日照等時線,采用邊界圈,動態(tài)搜索結果萬科星園片段 水平面日照等時線,采用邊界圈,動態(tài)搜索結果萬科星園片段 垂直面日照等時線,動態(tài)搜索結果垂直

14、面日照等時線,動態(tài)搜索結果建筑日照偽彩色圖必須在AutoCAD的shade命令下觀看，由于AutoCAD設置有默認光線，本圖中建筑物東立面發(fā)暗，用戶可以改變軸測投影方向使該部分立面變得明亮。北京某小區(qū)大寒日建筑日照偽彩色圖日照等值線實例北京國貿北邊住宅樓受國貿二期建筑物日照之影響日照等值線實例北京國貿北邊住宅樓受國貿三期建筑物日照之影響日照等值線實例呼和浩特市內蒙古高等法院宿舍樓受國航培訓中心大樓日照之影響坡地日照等值線坡地日照等值線采用和日照等值線相同的算法，采用了三角形計算單元，并采用了自動劃分和細分的自適應算法。它不再要求用戶建立每一個測試面的參考坐標系,可以一次計算完所有要求計算的建筑

15、物和坡地表面，繪制出等值線圖或偽彩色圖。它特別適用于以下的場合:帶有曲面和大曲率半徑的弧形墻面的建筑物.建于坡地的建筑群體.外墻曲折的抽槽過多的高層建筑物.園林和綠地的日照計算.坡地日照等值線對于各種不同的幾何形體集合，圖中后六個物體為計算集合，繪制表面的等值線；前兩個物體為遮蔽集合，不計算繪制等值線結果.坡地日照偽彩色圖對于各種弧形墻面的建筑集合，或帶抽槽的塔式高層建筑，圖面上繪制出的等時線較多，看起來比較吃力，采用坡地日照的偽彩色選項就能正確地繪制出上述對象的日照偽彩色圖，下面展示的是弧形建筑群的計算結果，其中分別是東南和東北方向的軸測視圖.坡地建筑群日照計算對于山區(qū)的建筑群的日照計算，地

16、面必須參加計算，繪制坡地表面最簡單的辦法是采用3DPolyline繪制母線，然后用RuleSurf 或 Edgesurf 命令繪制出polymesh曲面。并且要注意生成的曲面的法矢量與生成時選擇母線的次序相關，如果法線方向反了，將不參加本命令計算。左面展示的是坡地建筑群連同地面的計算結果，其中分別是軸測圖和等值線圖.圖中地理位置為煙臺，節(jié)氣為大寒，有效日照時間帶為8:00-16:00，地面是用rulesurf命令做的。這里展示的是坡地建筑群連同地面的偽彩色計算結果，其中分別是兩個不同方向的軸測圖.圖中地理位置為煙臺，節(jié)氣為大寒，有效日照時間帶為8:00-16:00。坡地建筑群日照計算窗同期日照

17、計算許多城市的規(guī)劃管理部門采用滿窗日照這個概念,滿窗日照實際上就是窗同期日照.它是指窗口完全在建筑陰影外的時間.從概念上來說對于日照的要求苛于國家規(guī)范.因為在國家規(guī)范中從來也沒出現(xiàn)過滿窗日照這個詞匯!實際計算時,我們只能采用計算窗口各個角點的日照時間段的交集來作為滿窗日照指標, 這種方法在存在著尺度小于窗口的建筑影子的場合會產生大的偏差. 好在這種情況不多見.在實際操作時,由專門的模塊幫助用戶依據總平面圖上建筑物添加的窗口線來自動生成立面的矩形窗口. 然后按設置的參數(shù)進行計算,計算結果標注到窗口的角點和窗口的中心部位. 也可以輸入到數(shù)據庫文件中. 用戶可以自行編制簡單的后處理程序,將不滿足日照

18、要求的窗口提取到另一個數(shù)據文件中. 如果在WORD編寫的報告文檔中鏈接入數(shù)據文件, 就可以實現(xiàn)自動報表的功能.建筑塊體和窗口的自動生成1.通過設置樓層和標高自動生成建筑物塊體2.通過選擇平面上繪制的窗位線自動生成窗口3.可以交互式設置窗位線的編號4.可以設置窗洞口的凈高和窗臺的高度5.自動的窗口編號窗口和建筑物的關聯(lián)1.交互方式定義建筑物和它的屬性.建筑以組（Group）的方式保存.2.當和數(shù)據庫鏈接時，可以以交互方式設置窗口的屬性并建立它和建筑物的關聯(lián)，相關數(shù)據進入對應的表中.3.窗口屬性組框中控件狀態(tài)的自動控制.窗口同期日照計算結果1.可以交互方式定義現(xiàn)狀和規(guī)劃建筑集合.2.如果連接了數(shù)據

19、庫,計算結果自動進入數(shù)據庫.窗口顯示控制1.連接Access數(shù)據庫2.采用十進制3.選擇真太陽時4.顯示窗口法線5.計算結果的報出6.窗口角點的計算極限容積計算的意義當前在我國許多城市房地產開發(fā)處在高潮，在規(guī)劃地段的初步方案階段必須綜合考慮多種多樣的因素。這些因素直接關系到地塊的容積率，其中日照在北方城市的規(guī)劃設計中直接影響地塊的容積率。房地產投資方如果過高的估計了開發(fā)地塊的容積率，將會造成盲目的樂觀情緒，而真正進行規(guī)劃設計的初期階段就會遇到不可克服的困難，并將影響最終的投資效益。地塊容積形體測算地塊蜂巢積木體的生成陽光通道返回光線切割器極限容積遺傳算法地塊蜂巢積木體的生成1.可以預設置網格控

20、制參數(shù),其中的DX和DY表示方柱的邊長.2.可以按網格范圍生成積木體也可以以建筑底座邊界生成積木體.3.可以設置地塊積木體的名稱和它的顏色.4.可以設置場地區(qū)位的建筑控制高度.5.設置建筑平均的層高6.交互選取地塊邊界線逆日影法應用（陽光通道-虧）逆日影法應用（蜂巢積木體方式盈）日照組團參數(shù)設置1.可以選擇不同的地塊積木體.2.可以為當前地塊定義多個日照組團,這些組團的日照時間要求構成了對該地塊容積體的約束.3.可以為不同組團設置一個或多個節(jié)氣的日照時間要求.4.組團和地塊對應,它們的參數(shù)和相互關系被保留到工作文件中去.5.為綜合考慮冬季幾個連續(xù)節(jié)氣的日照條件創(chuàng)造可能返回光線切割器返回光線切割

21、器由返回光線組對而成,它使用了AutoDesk 公司提供的ObjectARX 中的Reactor 編程技術，在建筑師對返回光線進行夾點編輯的同時,反應器作出響應, 進而實現(xiàn)了對蜂巢積木體的切割.程序同時自動報出地塊的容積指標.返回光線切割器作為永久反映器被保存到DWG文件中.作為人工交互的優(yōu)化方式, 該方法直觀明了. 極限容積計算使用夾點編輯拖動返回光線來實現(xiàn)對積木塊的切削極限容積計算日照約束下的極限容積計算我們利用遺傳算法（GA）來優(yōu)化規(guī)劃地塊的極限容積取得初步成功，成功地求出規(guī)劃地塊在已有窗口集合的日照約束下，求得規(guī)劃地段的極限容積空間。計算中考慮了最小有效日照時間的限制、日照時段連續(xù)性的

22、要求。 提供了程序先決和建筑師先決這兩種工作模式。由于國內未見GA算法在建筑日照方面的應用的報導，所以此項成果處于領先地位。 控制窗口集合地塊周邊已有建筑物需要保證日照時間的窗口集合建設前上述窗口的有效日照時序日照染色體單個窗口的日照基因段窗口基因段中與地塊容積體有關和無關的基因座地塊的日照染色體遺傳過程第一代染色體交叉與變異適應度測試日照遺傳算法建立地塊周邊建設前已有建筑物和它們需要保證日照時間的底層窗口設置上述窗口的最小有效日照時間和最小連續(xù)時間要求選出本次計算要求的遮蔽集合和控制窗口集合設置一代種群中的個體總數(shù)設置最大的遺傳代數(shù)設置選擇優(yōu)化和變異的控制值設置基因座對應的時間碎片的長度設置

23、凝聚結束的控制條件日照遺傳算法極限容積遺傳算法由周邊已有建筑底層窗口日照約束生成的積木體逆日影法原理共軛太陽共軛時段逆日影影子邊界圈逆日影法的用途可以決定受原有建筑物日照條件控制下的建筑容積可以合理地規(guī)劃日照組團可用于遮陽的設計和計算可用于太陽能裝置、泳池及綠地設計逆日影法應用（陽光通道）逆日影法應用（多層遮陽板原理）長方體上方不同高度的水平遮陽板逆日影法應用（垂直與水平遮陽板）門連窗的垂直和水平遮陽板示例使用方法和注意事項建筑三維模型建立不管是自建模型或調用其它軟件模型也好，都必須保證原始數(shù)據的精確性。特別是在計算日照民事糾案例時應要求委托方提供正確可靠的總平面等圖紙，并由司法部門認可。對于

24、一個案例,只能作一次測算。采用米制系統(tǒng)的線性單位精度和角度單精度位設置為保留小數(shù)點后4位 模型的WCS坐標系的Y軸必須指向正北方 建筑三維模型建立可以采用不帶寬度的PolyLine(閉合或不閉合均可)、circle、arc、3Dface、Pface、RuleSurf、TabSurf、RevSurf等三維面命令和DrawSolid下的實體命令來建模 建立三維面、多義線網格面等曲面時要準確設置系統(tǒng)變量 SURFTAB1 與 SURFTAB2 的數(shù)值，使得有足夠的精度的分度值。對于使用RuleSurf、TabSurf、RevSurf、EdgeSurf等命令繪制的表面其生成的面元的外法線方向和這些曲面

25、生成時母線的選擇序列相關，如果方向反了，不能在這些面上計算繪制出正確的等值線?？梢哉{用reverse命令將法線反轉。建筑三維模型建立用戶在用帶厚度的 PLINE 線來繪制樓房時，注意該線不能有端點重疊，也不能自身絞繞。程序在計算中能自動對閉合的PLINE 線加上頂面和底面。PLINE 線必須逆時針方向回路，可以用PEDIT命令來檢查頂點回路的方向。如果方向錯誤，最簡單的解決方法是按正確方向將錯誤的PLINE 線重新勾一遍，再將錯誤的線刪除。程序提供了兩條命令來幫助用戶在平面圖中繪制建筑物的邊界圈，這兩條命令分別適用于不同的場合，請用戶使用時加以注意。建筑三維模型建立建模時不要采用大地測繪坐標系

26、。如果已經采用了大地測繪坐標系，可以將需要計算的部分單獨作為塊寫出，將塊的插入點作為坐標系的原點。特別提醒大家注意：不要把大地測繪坐標系單位搞錯，如果原來的圖采用毫米作單位，此時大地測繪坐標也采用毫米作單位。如果在圖中調用Scale命令隨意選取一點將建筑模型縮小1000倍，則建筑物變成采用米為單位，而它的坐標數(shù)值可能已經變成幾百萬公里。這將導致計算過程中雙精度運算達不到要求的控制精度而造成錯誤。此時即便圖中繪出一些結果，然而很可能就是錯誤的結果。這種情況經常發(fā)生，一定要對計算結果仔細校核！建筑三維模型建立 本軟件要求對3DSOLID實體施加EXPLODE命令，并且采用除了“W”窗口選擇方式之外的方式來選擇它們。一般情況下不建議用戶用3DSOLID建模。不要將模型建得過于復雜，模型的面數(shù)量太多將增加計算時間和邊界連接的復雜性。所以對于復雜的建筑物應該進行一些簡化.日照參數(shù)選擇用戶必須按照規(guī)范規(guī)定的氣候分區(qū)來選擇節(jié)氣。計算的有效時間段必須符合當?shù)爻鞘幸?guī)劃管理部門的規(guī)定。對于日照的連續(xù)性要求各地規(guī)定不同；北京市為連續(xù)時間不足小時的時段不予考慮，上海市規(guī)定連續(xù)時間不足小時的時段不予考慮.如果弄錯