建筑日照的计算机辅助分析方法介绍

建筑日照的计算机辅助分析方法介绍清华大学建筑学院CAAD教研室2005.2.28居住建筑的日照和采光•近年来由于我国住房私有化以及国民收入的提高，居住的环境受到重视。建筑日照、采光是居住区规划的一个重要内容，也是近几年来引发民事纠纷最多的焦点。•日照和采光在建筑物理上是两个不同的概念，它们的原理和计算方法各不相同。现代计算机辅助计算已经可以较好地胜任这两方面的工作。它们将逐步取代过去的人工作图和诺模图计算方法。•由于目前各学科技术发展的不一致性，建筑设计人员还不能很好地使用这些近代计算手段。本世纪初由于世界各国学界的努力，这种滞后的状态将开始得以改变，它将影响现有建筑物理环境的设计方法和设计规范。居住建筑的日照标准•在《城市居住区规划设计规范》GB50180-93中存在着两个标准:•有效日照时数:按照气候区规定了各类居住建筑具体的日照指标，即以大寒日或冬至日必须满足的有效日照时间来表示。这个条文属于强制性法规。有效日照时间已经成为法律上的标准。在日照民事纠纷中以此进行补偿。（此条为强制性法规条文）•日照间距系数:现行规范中列出了建筑物必须满足的日照间距.它是作为设计的参照标准.日照间距系数表是90年代初期根据当时一般的建筑形式测算的，它已经不能适用于当前城市居住区多种多样的建筑形式。（此条为推荐指标）•由于这两个标准分别采用了时间和空间两个不同的物理参数,因此在许多场合它们并不统一。就北京市来说,间距系数是依据大寒日制订的,对于南北向排列的建筑物它为1.70。与它对应的太阳高度角为31度，远大于北京冬至日正午的太阳高度角26.5度。居住建筑的采光•建筑采光(daylight)在我国规范中直接用采光系数描述，规范中建筑物采光是作为推荐指标加以规定的。目前国内关于采光遮挡控制一般采用限定建筑物的间距。•目前我院在HP工作站上使用引进的Radiance程序可以较好地计算相临建筑物对采光的遮挡效应。这种手段难于被一般的建筑设计人员掌握。•因此目前还不能定量地处理建筑采光遮蔽民事纠纷，在处理此类纠纷时，一定要向当事人详细告知上述原因。•我们已经作了许多模拟计算，足以对北京地区现在流行的住宅单元形式中“间接采光的起居室”以及一梯多户的“抽槽”做出断论。但是无论是房地产商或设计方大都不愿意承认和考虑这样的事实。建筑日照分析的常用手段•建筑日照计算在上世纪上半叶主要采用两类方法：•正日影图、棒影图、瞬时阴影图及影子信封•缩尺模型分析(日规仪)•上世纪80年代开使国外采用计算机辅助分析方法•采用计算机绘制阴影图及日照等时线图•对已建成的建筑物，为了避免收集图纸或现场测绘的困难。只要在现场拍摄天际线照片，然后采用计算机加以分析的方法来解决。•由于天体运动是按照精确规律，所以现行的解析算法可以保证日照计算结果达到预定的精度，例如1.00E-5小时。采用这种算法的程序可以满足日照民事纠纷中的测算要求。采用其它方法的日照软件只能达到5%左右的精度，不能用于上述测算中。建筑日照分析常见的问题•日照间距系数不能用于如下场合•单幢建筑物纵向长度过长的情况•如六层楼长度超过50米•多幢建筑物混合遮蔽的场合•小区中存在着超高建筑物•我国个别城市规划部门过去确定的日照间距系数过低如北纬39度日照间距系数下限取1.20。这种做法加大了设计标准和补偿标准之间的不一致性，使得批审通过的大量工程引发与周围邻里的日照纠纷。建筑日照分析的误区设计者简单地采用按图面测量建筑之间的距离，计算间距系数容易导致失误。这种失误表示在如下的方面：纵向长度超过50米时，后排建筑首层不能满足日照要求。按间距系数来设计建筑物退台直接导致缪误条形住宅和点式住宅混排时间距系数无从依据，也不能反映出日影线的摄动现象特种体形的建筑物间距系数无从依据。一、二期建筑日照资源分配的不平衡。如果不采用棒影图分析或借助计算机计算，设计者往往心中无数，甚至不知道错误已经发生。建筑日照手工作图分析的局限性•日照间距系数只能用于建筑布置严格附合制表时测算条件的场合，不能用于复杂的布置场合，单体建筑物的日照等值线场不可以简单线性叠加.对于不同朝向的日照计算，由于存在太阳光对墙面的入射角的关系，使用棒影图已经不能精确求解。•居住区众多点式和条式住宅混合形成的日照等值线场存在着日照等值线的摄动现象，这种现象是不能用间距系数来描述的。除了使用棒影图方法外，只有采用计算机分析才能完成.简单地从图纸上量取间距系数是极不可靠的方法,它导致失误，在方案后期发现的问题将给设计单位和甲方造成直接经济损失。•传统的人工作图方法难于在规划设计中对居住区日照进行优化，难于对复杂布置的建筑环境做多个节气的综合分析。并且无法从能源角度进行更深入的研究。•计算机辅助建筑日照分析方法势在必行，2002年新版规范明确指出对于建筑物复杂布置的场合必须进行测算。希望各地的规划管理部门引起重视。计算机辅助建筑日照分析的重要意义•法院在日照民事诉讼的责任认定中，作为仲裁的依据只能根据窗口实际接受的有效日照时间，间距系数不能作为依据。由于现场观察受天气条件约束，指定日期常常无法进行。因此模拟分析手段占有重要的一席。•计算机辅助日照计算中,太阳被简化为理论上的点光源,影子边界明确,所以精度可达10-5小时,而现场实际观察时,由于太阳影子边界存在着过渡区域,目察精度根本无法达到这个量级。•小区方案初期阶段必须进行快速可靠的日照分析。计算机辅助建筑日照分析可以提供多种实时交互分析手段；对于规划建筑的容积形体，计算机辅助分析提供了交互方式的优化工具-返回光线切割器，以及全自动的优化方法-容积极限遗传算法。•使用计算机辅助分析，可以同时计算出太阳对照射面的直接辐射热和天空的散射热，对建筑能耗的计算有着直接的帮助。建筑日照的基本原理地球绕太阳运行图（黄道、节气））资料来源：《建筑热环境》清华大学出版社叶歆编著天球的概念资料来源：《建筑热环境》清华大学出版社叶歆编著天球上太阳的运行规律太阳的位置参数太阳的方位角太阳的高度角太阳的时角Aht本图来自《建筑设计资料集》（第二版）第1册太阳的方位角和高度角本表来自《建筑设计资料集》（第二版）第1册由于地球绕日运行的章动和岁差造成赤纬和时差的扰动本表来自《建筑设计资料集》（第二版）第1册我国主要城市各节气太阳位置列表（《建筑设计资料集1》）用棒影图来计算窗台中点的有效日照时间（资料来源《建筑热环境》）清华建筑日照分析软件Sunshine2.0D/M/P1996-2005•天空图法•日照圆锥面法•日照等时线•返回光线法•阳光通道法•极限容积法可以在AutoCADR14/2000/2002/2004/2005下运行.可以连接Acess数据库.可以输出曲线图或伪彩色图.多种原创的辅助分析工具和算法，处国内领先地位.同时提供中文简体、繁体以及英文版.计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场合，如容积测算等采用函数值表来替代上述过程以提高计算速度.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图法原理BMPSDAsun1.求出测试点的中心投影2.求出正南方画面上的太阳规迹3.计算并绘制出时间的刻度（时标）天津吉利花园某测点天空图天空图法的特点和使用场合•直观和明了不需要专业知识就能看懂.•可以直接读出大寒日或冬至日的有效日照时间.•可以在住房销售中向客户提供住宅的日照条件.•可以在现场拍摄天际线照片,然后在照片上用计算机添加太阳规迹和时标.•不能处理新老建筑物混合造成遮蔽的场合.日照圆锥面法日照圆锥面原理实际上日照圆锥投影到水平面就形成了棒影图本图来自《建筑设计资料集》（第二版）第1册之p-189在新老建筑物混合造成遮蔽的场合，可以有效地判断各自的影响程度。可以用于旧城改造中日照民事纠纷的责任确定中。日照圆锥实例一日照圆锥实例二地段上的超高建筑物将有较大的影响范围北京市国贸中心三期方案（机械工业设计院算例）日照圆锥实例二日照等时线日照等时线是居住区规划设计的日照指标的重要表示方法，某些国家的规划管理部门已将它列项目报审的入必需内容，利用计算机绘制该类图纸已经势在必行。建筑日照等值线分析的重要意义•水平面日照等时线图可以清楚地表示出小区建筑物与绿地道路的日照情况•垂直面日照等时线图可以准确地确定被遮建筑物立面上各个部位的有效日照时数，设计者可以进一步确定被遮方日照受损的程度•作为居住区规划报审日照条件的技术资料日照等时线图的特点•可以计算任意方位的测试平面•可以输出等值线图或伪彩色图•可以有选择地输出需要的等值线•可以使用其它CAAD软件的图形文件森淼花园水平面日照等时线图（天津市规划局算例）日照等时线参数输入界面•可以设置计算步长•可以设置抽稀绘制格栅线的倍率•可以选择多种不同精度的等值线画法•可以绘制测试平面的日照时间伪彩色图•可以选择网格所在平面的参考坐标系•可以在图重设置网格的位置和大小•可以设置等值线、格栅、数字所在图层的名称•可以选择不同的等值线时间间隔•可以选择具体的遮挡集合•可以同时计算太阳直接辐射热和天空的无遮挡散射热建筑日照等值线算法•根据日照数值场的特点，特别研制了多种不同的日照等值线算法.解决了存在孤岛的非线性数值场的等值线画法.•提供了任意位置测试平面矩形网格分析.•输出结果可以是曲线图或伪彩色图.撤去多余的等值线将造成线条的残缺和读图的困难跨越建筑物内外的方格中存在多余和不准确的等值线动态的搜索算法可以提供较为准确的等值线图传统的线性插值算法不能准确的描述非线性的二维日照数值场，它画出的等值线图有较大的畸变水平面日照等时线,采用边界圈,动态搜索结果万科星园片段2000.7水平面日照等时线,采用边界圈,动态搜索结果万科星园片段2000.7垂直面日照等时线,动态搜索结果垂直面日照等时线,动态搜索结果建筑日照伪彩色图必须在AutoCAD的shade命令下观看，由于AutoCAD设置有默认光线，本图中建筑物东立面发暗，用户可以改变轴测投影方向使该部分立面变得明亮。北京某小区大寒日建筑日照伪彩色图日照等值线实例北京国贸北边住宅楼受国贸二期建筑物日照之影响日照等值线实例北京国贸北边住宅楼受国贸三期建筑物日照之影响日照等值线实例呼和浩特市内蒙古高等法院宿舍楼受国航培训中心大楼日照之影响坡地日照等值线坡地日照等值线采用和日照等值线相同的算法，采用了三角形计算单元，并采用了自动划分和细分的自适应算法。它不再要求用户建立每一个测试面的参考坐标系,可以一次计算完所有要求计算的建筑物和坡地表面，绘制出等值线图或伪彩色图。它特别适用于以下的场合:带有曲面和大曲率半径的弧形墙面的建筑物.建于坡地的建筑群体.外墙曲折的抽槽过多的高层建筑物.园林和绿地的日照计算.坡地日照等值线对于各种不同的几何形体集合，图中后六个物体为计算集合，绘制表面的等值线；前两个物体为遮蔽集合，不计算绘制等值线结果.坡地日照伪彩色图对于各种弧形墙面的建筑集合，或带抽槽的塔式高层建筑，图面上绘制出的等时线较多，看起来比较吃力，采用坡地日照的伪彩色选项就能正确地绘制出上述对象的日照伪彩色图，下面展示的是弧形建筑群的计算结果，其中分别是东南和东北方向的轴测视图.坡地建筑群日照计算对于山区的建筑群的日照计算，地面必须参加计算，绘制坡地表面最简单的办法是采用3DPolyline绘制母线，然后用RuleSurf或Edgesurf命令绘制出polymesh曲面。并且要注意生成的曲面的法矢量与生成时选择母线的次序相关，如果法线方向反了，将不参加本命令计算。左面展示的是坡地建筑群连同地面的计算结果，其中分别是轴测图和等值线图.图中地理位置为烟台，节气为大寒，有效日照时间带为8:00-16:00，地面是用rulesurf命令做的。这里展示的是坡地建筑群连同地面的伪彩色计算结果，其中分别是两个不同方向的轴测图.图中地理位置为烟台，节气为大寒，有效日照时间带为8:00-16:00。坡地建筑群日照计算窗同期日照计算许多城市的规划管理部门采用满窗日照这个概念,满窗日照实际上就是窗同期日照.它是指窗口完全在建筑阴影外的时间.从概念上来说对于日照的要求苛