基于日照分析的建筑棒影研究與設計

孫文坡 李文娟 黨向盈

摘要：城市建筑設計過程中，需要對日照棒影長度進行自動精準計算，研究日照分析理論，設計輸入預設日照參數，自動獲得棒影長度，進而滿足建筑日照時間最低約束的要求。該軟件核心算法主要依賴于棒影計算模型。首先，根據已知條件獲得太陽高度角，然后，通過分析太陽高度角、赤緯角、時角和積日等一系列參數，得到時間切片內，不同的棒影長度；最后，計算判斷是否滿足建筑日照時間最低約束。該文方法將日照棒影圖應用到建筑優化設計中，保證房屋有充足的日照時間，提高房屋的居住舒適度。

關鍵詞：日照分析；日照約束；棒影長度；建筑優化；日照累計時間

中圖分類號：TU972，TP399 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）06-0207-03

隨著國民經濟建設的迅速發展和人民生活水平的不斷提高，居住條件的改善和節省建筑用地之間的矛盾也日益突出。城市居住規劃設計對各氣候區不同規模城市的住宅大寒日、冬至日日照時間規定了最低時間，并要求老年人居住建筑冬至日日照時間不應低于兩小時標準。日照時間不足不僅達不到國家標準，還會導致居住環境寒冷影響住戶居住舒適度與衛生健康。很多學者提出很多有效的方法來改善室內氣候條件，滿足人們工作生活所需的舒適環境。本軟件通過一系列方法計算出棒影長度，再將有效時間劃分若干個時間切片，將擬建建筑區域劃分為與時間切片等量的方格，計算出窗口日照累計時間。本文將人工智能的一些方法，應用到實際建筑規劃優化設計中，為建筑規劃設計領域實現合理的設計提供了一種有效途徑。

1軟件系統概述

本軟件采用C#Lambda編程技術，使得軟件實施中，縮短計算時間，減少計算復雜度，滿足用戶的性能要求。本軟件主要功能是計算日照棒影長度。本軟件主要有3大功能模塊，它們分別是：主函數、日照分析模塊、棒影長度計算模塊。棒影長度計算模塊又分為日照光影計算和窗口與日照棒影關系。其框架圖如圖1所示：

軟件從主函數開始運行。主函數調用各函數，實現被測程序的運行。可以調用的函數有主模塊、日照分析模塊、棒影長度計算模塊。

2日照分析

2.1日照參數

太陽日照時間的長短、時角、太陽高度角引起的太陽光輻射度的強弱，太陽入射角與建筑陽臺的關系等都是確定建筑物得到日照標準的要素。我國位于北半球，太陽東升西落，對于朝南的房子而言：夏季太陽高度角較大，陽光從門窗射入的時間較短，故夏季室內陰涼；冬季太陽高度角較小，陽光射入房間的時間較長，室內溫度升高。建筑物的日照時間不僅僅和太陽高度角有關，與各緯度，地方時間，建筑物的間距都有密切的關系。因此這使得同一天同一地區同一時刻的有效日照不同。

1）太陽高度角：太陽光線與地平面間的夾角。

2）太陽方位角：即太陽光線在地平面上的投影線與地平面正南線所夾的角。

3）時角：地球自轉一周為1d，24h，不同的時間用不同的時角表示。地球自轉一周為360°，每小時時角就是15°。

2.2計算規則

設太陽赤緯角為δ。日照棒影分析系統基于給定維度，由維度和當前日期得到相應的赤緯角。赤緯角δ值在每年同日期都有微差，可以從天文資料中查到，也可以通過公式計算得到。

3棒影長度計算

3.1日照光影計算

如圖2所示為日照光影計算界面。左側即用戶需要輸入的參數，分別為觀測點維度，時角單位，日期，棒高（米），用戶通過簡單的設定相應的參數，計算得到棒影長度值。

以圖3中午日照光影列表圖為例，顯示用戶所設定參數后，系統自動計算得到的日照光影列表圖。

地球自西向東自轉，因此太陽高度角也隨之呈現相應的變化規律。早晨太陽從東邊升起，晨昏線上太陽高度角為0°，隨著太陽逐漸升高，太陽高度角也逐漸增加。當地方時為正午12點時，此時太陽高度角達到最大。下午，太陽漸漸落下，太陽高度角也隨之減小，到西邊地平線落下時，太陽高度角為0°。通過圖3亦可以看出，棒影長度在8：00-16：00這個時間段內先變短后變長，對稱軸在12：00左右，即在12：00左右太陽高度角最大，棒影長度達到最小值。

3.2窗口與日照棒影關系

由于太陽位置隨著時間的變化而處于不斷變化中，擬建建筑在不同時間段內所產生的影子長度也是不一樣的。對擬建建筑而言，當影子長度大于窗口到擬建建筑的距離時，太陽射向擬建建筑的光線被遮擋住，窗口無法接受到此時的光照。當影子長度小于窗口到擬建建筑的距離時，窗口能夠獲得這一時刻的光照。為了計算窗口獲得的日照累計時間，需要先計算出不同窗口到擬建建筑的距離以及擬建建筑不同時刻影子的長度，再進行一系列的分析與判斷。圖4所示為棒影長度與窗口到小柱距離關系圖。

3.3圖表模擬

在用戶預先生成棒影計算結果后，通過圖表顯示日照時角變化，太陽高度角變化和棒影長度變化。如圖5所示為太陽高度角變化曲線圖，如圖6所示為日照時角變化曲線圖。圖7所示為2016年12月21日不同時間片段棒影長度曲線圖。

4結論

本文研究日照棒影長度的計算，在保證房屋有充足的光照下提供合理的建筑設計方案。棒影長度與太陽高度角，時角等日照參數有關，設置合理的日照參數，然后通過一系列參數以及棒高計算出不同時間切片內不同的棒影長度。滿足日照最低要求提供核心計算結果。可以幫助建筑商在建筑申報之前設計出一個優化的建筑方案。本軟件可以自動計算日照光影，軟件中詳細地列出時間，太陽高度角，棒高，棒影長度等數據，結論明確，效果直觀，說服力強。