基于日照圓錐模型的日照分析研究

鄭 虹 于博洋 郭 巍

（山東科技大學(xué)測繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590）

1 引言

日照指標是衡量住宅建筑環(huán)境質(zhì)量高低的一項重要指標，能夠保證適宜的采光是建筑物可以入住或使用的基本條件之一。為獲得良好的日照，古代時我國建筑就基本以朝南向為房屋的主要朝向。建國初期，建筑日照主要采用前蘇聯(lián)的標準。改革開放之后，隨著城市規(guī)模的不斷擴大和現(xiàn)代化程度的不斷提高，高層和密集的建筑開始日益增多，日照問題逐漸開始被人們重視起來。

為了保障居民健康的居住環(huán)境同時為城市規(guī)劃管理提供科學(xué)的依據(jù)，有必要進行科學(xué)準確的建筑物日照分析。在日照分析模型的發(fā)展歷程中，主要出現(xiàn)了棒影模型，日照圓錐模型，陰影輪廓模型，實驗?zāi)Ｐ偷葞追N模型。各種模型各有特點和優(yōu)勢，其中日照圓錐模型符合日常所見的太陽運行的變化規(guī)律，并且有更好的直觀性。在計算機技術(shù)的推動下，此種模型使計算分析更加精確化，實時化，可視化，同時隨著軟件優(yōu)化，計算的效率也不斷改善，成為日照計算分析的重要方法。

2 日照圓錐模型原理

日照圓錐模型由棒影模型發(fā)展而來，是以選定的參考點為基準，將每個時刻的太陽位置與參考點相連得到的三維曲面模型，其二維模型為正投影日照模型。所謂日照圓錐面，是模擬太陽一天內(nèi)在空間運行軌跡的曲面。以被測點為基準，沿太陽位置方向做射線。若分別做出一天中每一時刻的光線射線，則將形成一個曲面，即日照圓錐曲面，該曲面將天球分成兩個球錐體。在春分和秋分時，該曲面將平分天球。

如圖1所示，O點為觀測點，圖中所示曲面即為以O(shè)為頂點的日照圓錐圖。由圖可以看出，從8時—16時為一天中的有效日照時間段，其中曲線1、2、3、4為與地面平行的平面與日照圓錐面相交的曲線。建筑物與日照圓錐面相交的部分即為遮擋物對O點的遮擋時間。

根據(jù)太陽位置計算公式可以得出日照圓錐曲面方程組，如（1）式所示：

其中L為圓錐母線長，φ為地理緯度，δ為赤緯角，Ω為時角。計算單點日照時間關(guān)鍵是求出遮擋建筑的各個面與日照圓錐面的交點。首先對遮擋建筑進行建模，使其各面可以通過方程的形式表達出來，通過聯(lián)立方程組求解，可求出日照圓錐面與建筑的交點，根據(jù)交點所對應(yīng)的太陽時角，可求得交點對應(yīng)的時間，判斷陰影時間和日照時間，將日照時段累加可得該點總的日照時長［2］。

3 日照分析類型

3.1 日照分析類型

建筑的日照分析主要進行單點分析、窗戶分析、沿線分析、陰影分析、及多點區(qū)域分析幾個方面。單點分析是計算待測區(qū)域內(nèi)的任意坐標和高度的點，分析該點的日照時長，分析結(jié)果用表格表示出來；窗戶分析是進行建筑物窗戶左端、右端、滿窗日照分析詳細報表統(tǒng)計；沿線分析需要計算待測區(qū)域內(nèi)的高度的直線或曲線，分析該線段的日照時長，并將分析結(jié)果標注于所分析的線上，沿線分析實際是沿選定分析線按照一定的采樣間隔進行單點分析；陰影分析則是分析待測區(qū)域在任意時間段在任意高度上的陰影動態(tài)及輪廓曲線；多點區(qū)域分析是分析待測區(qū)域中任意閉合形狀在設(shè)定的時間和高度的日照時長，分析結(jié)果用圖表表示。本文主要采用日照圓錐模型對測量建筑進行窗戶分析及沿線分析。

3.2 窗戶分析規(guī)范

進行窗戶分析時，對于一般形狀窗戶，按其窗臺外墻（線AB）中點（圖中點C）為日照分析計算點，如圖2所示；對于轉(zhuǎn)角直角窗、弧形窗、凸窗等，如圖3到圖5所示，一般以外墻延長線中位于南向或偏南向（圖中線AB）的中點，圖中C點表示的位置為日照分析計算點，如南側(cè)或偏南側(cè)日照時數(shù)不滿足日照標準，應(yīng)增加分析另一側(cè)窗戶；對于如南側(cè)或偏南側(cè)日照時數(shù)不滿足日照標準，應(yīng)增加分析另一側(cè)窗戶。因窗戶的形式多種多樣，其他特殊形式的采光窗，則以最接近上述情況的形狀來確定日照分析計算點位置［3］。

4 實例分析

本文日照分析項目以青島某擬建建筑為對象，利用飛時達FastSun日照分析軟件分析其對后方現(xiàn)有建筑日照的影響情況。FastSun是基于CAD環(huán)境下的日照分析軟件，完全依照國家有關(guān)法規(guī)、規(guī)范，面向客戶需求開發(fā)而成，提供了日照建模、單點分析、多點分析、窗戶分析、陰影分析、等時線分析以及生成日照分析報告等多種功能，全面解決各種日照分析問題，具有計算結(jié)果精確可靠，參數(shù)設(shè)置靈活、操作簡單的特點，同時支持計算報表自動導(dǎo)出，是規(guī)劃管理、規(guī)劃設(shè)計、建筑設(shè)計、房地產(chǎn)開發(fā)等領(lǐng)域強有力的專業(yè)日照分析工具。

4.1 技術(shù)規(guī)程

根據(jù)《青島市日照分析技術(shù)規(guī)程》（表1），每套住宅至少應(yīng)該有一個居住空間獲得日照，當(dāng)一套住宅中居住空間總數(shù)超過四個時，其中宜有二個獲得日照。依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)、規(guī)范、標準和規(guī)定以及青島市地理位置，日照計算相關(guān)參數(shù)應(yīng)符合表規(guī)定，對于特定情況還應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）老年人居住建筑不應(yīng)低于冬至日日照2小時的標準；

表1 青島市日照分析規(guī)范

2）托兒所、幼兒園的主要生活用房，能獲得冬至日不小于3小時的日照標準；

3）中小學(xué)半數(shù)以上的教室應(yīng)能獲得冬至日不小于2小時的日照標準；

4）宿舍半數(shù)以上的居室，應(yīng)能獲得同住宅居住空間相等的日照標準。

其中，計算標準日為分析當(dāng)年的大寒日或冬至日，如當(dāng)年是閏年則順延一年；活動場地等場所的分析高程以地面平均高程為準；底層窗臺面是指距室內(nèi)地坪0.9米高的外墻位置；上述技術(shù)參數(shù)如國家有關(guān)規(guī)范和法規(guī)有特殊要求按國家規(guī)范和法規(guī)執(zhí)行［3］。

4.2 建筑數(shù)據(jù)采集及建模

本次測量建筑為N10＃樓和N11＃樓。根據(jù)技術(shù)規(guī)程規(guī)定，外業(yè)測量完成后需將測得數(shù)據(jù)展繪成圖，其平面圖與采光面立面圖如圖6所示：

建筑建模是日照分析前的最后一步準備工作。根據(jù)測量的數(shù)據(jù)及委托方提供的設(shè)計資料，可相應(yīng)的對已建建筑和規(guī)劃建筑進行建筑建模。通過定義建筑的室內(nèi)地坪、層高、窗戶、陽臺、屋頂?shù)葦?shù)據(jù)，可得三維建筑模型如圖7所示：

4.3 窗戶日照分析

按規(guī)范要求，窗戶日照分析點為窗口連線的中心點。對窗戶中點進行分析即單點分析，主要采用的模型為日照圓錐面模型。分別對N10棟和N11棟受光面的窗戶中點進行日照分析，以最底層窗戶為例，部分分析結(jié)果如表2所示：

根據(jù)分析數(shù)據(jù)可以看出，擬建建筑對現(xiàn)有兩棟建筑的日照均產(chǎn)生了影響，其中C2＃窗受影響最大，影響時間為2小時16分鐘，C9＃窗受影響最小，影響時間為35分鐘。本次共分析窗戶位置24個，規(guī)劃建筑建設(shè)后無不符規(guī)范窗戶。

表2 遮擋影響分析表

4.4 沿線分析

沿線分析主要針對無法確定待測建筑窗戶位置的情況，其主要應(yīng)用模型也是日照圓錐模型。在選取的分析線上，通過采樣獲得分析點的位置，采樣值由人工設(shè)定，軟件利用模型將采樣點的遮擋情況分別計算出來并標注。如圖8所示，以N11棟建筑為例，采樣間隔1m，可得到建筑受光面的沿線分析結(jié)果，其中所標數(shù)字為日照時長。

5 結(jié)論

住宅的采光與人們的生活息息相關(guān)，根據(jù)日照分析模型，利用相應(yīng)軟件可以快速有效地從多個方面對建筑物的日照影響做出分析。本文圍繞日照圓錐分析的模型和原理，將模型理論與實踐結(jié)合，以具體日照分析項目為例，根據(jù)實測數(shù)據(jù)和送審資料，在對規(guī)劃建筑和現(xiàn)有建筑進行三維建模后，從窗戶分析、沿線分析等角度分析規(guī)劃建筑對現(xiàn)有建筑的影響。隨著法律法規(guī)的不斷完善，日照分析已經(jīng)成為建筑設(shè)計、城市規(guī)劃等相關(guān)部門和單位必不可少的工作，得到了廣泛的實踐應(yīng)用。日照分析是一項精度要求較高的分析工作，誤差的產(chǎn)生也包括多個方面。對設(shè)計建筑的自動化的調(diào)整和分析結(jié)果量化的精度計算將是以后研究的方向。