建筑日照方案優化調整中的工具和思路

王會一 姜 立

(中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部，北京100013)

1 前言

目前，隨著國內商品住宅的發展，建設用地日趨緊張，高層住宅不斷涌現，某些地區甚至出現了超高層住宅。人們對居住環境的要求不斷提高，尤其是日照采光權的糾紛問題，已成為目前住宅業主民事訴訟的一個熱點問題。國內專門針對日照分析的《建筑日照計算參數標準》已經編制并處于報批階段，相信不久就會正式執行，各個地方都在不斷出臺有關日照分析的技術規程，國內日照分析軟件在建筑日照分析中迅速得到了廣泛的應用。除了提供日照時數達標驗算外，國內日照分析軟件普遍提供了較為豐富的日照輔助分析工具，部分軟件進一步提供了較為先進的智能體量容積輔助計算分析工具用于建筑方案的優化設計。

隨著規劃部門的嚴格管理，設計人員的日照分析的意識加強，日照軟件功能的完善，更多的設計人員從日照分析主要做為設計人員后期驗算日照時間的工具，用于規劃報批，逐步提升為使用日照分析軟件做為方案優化和調整的工具，主動地參與到日照分析優化工作中來。

日照方案優化是近幾年來設計師非常關心的話題，本文結合筆者的理論研究和實際工作，總結了日照方案優化中使用的幾種日照分析工具，探討了改善現有日照方案優化工作中的幾個解決思路。

2 日照方案優化中的工具

使用工具對方案針對日照情況進行優化，要做到有的放矢，就必須先掌握住宅獲取日照的原理。目前住宅獲取日照的方式，也就是陽光照射到建筑物外圍護結果的通道有兩種方式，即高度通道和方位通道。

高度通道一般是指通過建筑物的上方光線直接照射到被遮擋建筑物的計算基準面的，一般為底層窗臺的位置。通過高度通道方式獲取日照一般多見于低層和多層建筑物，建筑單體形式多為條式建筑物，小區整體布局也比較規則，遮擋形式比較簡單。通過高度通道日照情況的特點是比較明顯的，一般日照時段是連續的，多接近于正午時段，這個時段日照光線強，日照質量最好，也利于節能保溫等。國內的日照間距系數中的日照間距的的計算原理就是基于高度通道的方式計算的，認為光線從遮擋建筑物的上方照射到被遮擋建筑物的底層窗臺下沿。

方位通道如圖1所示，一般是光線通過前方遮擋建筑物的縫隙或者兩側直接照射到被遮擋建筑物的計算基準面的。和高度通道不同，方位通道方式獲取日照一般多見于高層建筑物，一般建筑物的整體布局也比較靈活，如建筑物整體布局為混合式、自由式布置，前方遮擋建筑物遮擋形式也比較復雜，一般多是疊加遮擋互相影響。可以看到方位通道日照情況的特點也是比較明顯的，日照時段一般是不連續的，至少有兩個時段，或更多日照時段，很多情況下方案調整盡量利用調整建筑物的朝向來獲取偏東西向的日照時間。雖然有時候利用方位通道更容易日照時數“達標”，但是也要充分認識到，和高度通道相比，這種日照通道方式下，同樣的日照時間，日照質量相對比較差，尤其是東西向建筑，多有接近早晚的日照時段，光線和窗的夾角即掃掠角比較小，容易出現陽光“擦窗而過”，光線很難照射到室內的問題。目前很多地方對方位通道獲取日照的方式進行了限制，如上海使用建筑朝向表，北京、大連等地使用“掃掠角”限制東西向建筑的日照時間統計，對于光線和窗口夾角較小的時段，忽略日照時間。

也可以看到，高度通道和方位通道會隨著遮擋建筑物的高度和面寬發生變化。

圖1 方位通道獲取日照時段

2.1 手工輔助工具

日照方案優化中，手工輔助工具一直發揮著重要的作用，也被很多設計師靈活使用，尤其在局部方案調整中使用更為廣泛。明前使用比較多的工具為點日照光線圓錐和窗日照光線圓錐工具。應用這些工具，可以直觀觀察某一個采樣點或者窗位在分析日期有效日照時間帶內的日照遮擋情況。

應用光線圓錐工具，設計師可以直觀地通過不同的光線顏色判斷出哪個時段被遮擋，哪個時段沒有被遮擋，通過判斷光線和遮擋建筑物的相交位置，還可以推算出遮擋建筑物的遮擋高度，還可以借助此工具，調整客體建筑物的朝向，充分利用前方遮擋建筑物的空隙，增加日照時段長度。

隨著應用工具的發展，目前窗日照光線工具衍生出很多其它分析工具，如建設前后窗日照分析工具，這個工具可以直觀地區分出建設前、后對被遮擋的日照時段遮擋造成的結果，如圖2所示，紅色代表建設前遮擋的時段，黃色光線代表建設后的遮擋時段，使用不同顏色光線對于區分自身遮擋、建設前和建設后遮擋，在目前住宅自身遮擋越來越嚴重的情況下理清遮擋關系有著重要的作用和意義。

手工輔助工具使用起來靈活方便，便于規劃設計師掌握使用，尤其在方案局部調整、后期調整時候作用很大。日照方案的后期調整，很多時候都是局部戶型不達標造成的，可以通過這些手動工具，借助建筑師的分析經驗，進行快速的方案調整和優化。

2.2 自動輔助工具

隨著計算機硬件和軟件技術的發展，日照軟件的計算能力越來越強，很多重復性、規律性比較明顯的調整和驗算可以通過軟件自動完成。比如需要推算前方遮擋建筑物的最大高度，設計師可以通過手工反復驗算的方式進行推算，但相對來說，周期相對較長，計算結果精度不會太高。但使用推算建筑物最大高度工具，如圖2所示情況，只要設置好相關計算控制參數，如控制達標窗和相關計算參數后，軟件會自動的計算出滿足后方控制窗日照達標情況下的建筑物的最大高度，計算速度快，計算精度高，可以在幾分鐘內就推算到毫米精度的最大擬建高度。

這種自動化的輔助工具種類比較多，實用性也相對較強，除了推算建筑物最大高度，還有推算建筑物最佳朝向，建筑物最佳位置等其它同類性質的自動化輔助方案優化工具。顯然這類工具大都具有一定的使用約束條件，適應于于一些相對控制條件簡單的推算，適合代替繁瑣的手工簡單調整推算工作。

2.3 采用遺傳算法的極限容積計算

圖2 建設前后窗日照光線分析

圖3 自動推算建筑物高度

圖4 極限容積工程實例

一定容積率下，給定地塊的建筑方案設計是有無窮解的，如何從日照角度找出容積最大的建筑體量，是極限容積計算專門解決的問題。目前國內日照分析軟件多數提供了極限容積計算功能，內部原理是采用遺傳算法，簡單說遺傳算法就是一種在無窮多解中快速的找出最優解的查找算法，該算法相對成熟，有理論依據。目前國內計算方式都是在給定地塊內計算單體或者群體的最大極限容積，目前該功能雖然在國內日照軟件中比較普及，但是實用程度相對較差，約束條件多，一般比較適合用于早期的地塊體量推敲和初步方案設計階段，后期設計師還要做很多手工調整和優化。

3 日照方案優化調整中的思路

3.1 研究建筑單體日照特點

建筑單體形式越來越復雜，但是可以通過研究簡單的建筑單體的基本日照特點，先掌握單體日照影響規律，進而研究復雜的組合單體、群體日照影響規律。筆者認為，只有在清楚了建筑單體的日照遮蔽規律后，才可以研究復雜的群體疊加下的日照影響規律，而且確實是有一定規律可循的。

單體的日照影響區域分為兩個范圍，一個為日照不達標區域，也就是日照標準時數等照時線圍合成的區域，也被稱為“全日陰影區”，這個區域內是不能布置有日照要求的建筑物的。對于板式建筑，一般為一個梯形區域，對于塔式建筑，一般為三角形區域。這個區域和建筑單體平面形式、高度、朝向等因素有關。在這個區域內是布置客體建筑物，日照肯定是無法滿足規范要求的時數的。一般來說這個區域越小越好，也是單體要重點研究掌握的區域。

另外一個是建筑物的影響范圍區域，有的地區按照真實陰影范圍計算，如杭州，有些地區按照客體范圍來進行評估計算，如上海、天津地區。一般來說，在這個范圍內，或多或少都會對范圍內的客體建筑日照情況產生影響。在實際日照分析時候，尤其要注意對東西向建筑物的影響，容易造成現有建筑物日照標準降低和惡化情況，如圖5所示。

圖5 建筑單體遮擋范圍

對建筑單體的日照影響，很重要一部分來源是建筑自身遮擋造成的。現在國內單體建筑形式越來越復雜，立面形式也越來越豐富，圍合式轉角樓也越來越常見。在一梯多戶的塔樓單元中，尤其要注意東向、西向單元造成的自身遮擋問題，同時要對套型中的小戶型的日照情況進行足夠的關注，在設計中，小戶型經常被安排在日照較為不利的朝向上，居室數量少，日照相對更難達標。

3.2 研究典型規劃布局的日照特點

圖6 行列式東西向錯位布局

規劃設計中的建筑小區布局形式靈活多變，設計形式越來越豐富，除了傳統的行列式布局外，比較常見的還有周邊式、混合式和自由式布局等。比如周邊圍合式布局可以提高小區組團，增強庭院效果，有的自由式布局可更好的適應周圍環境和景觀。混合式兼有行列式和周邊式特點等。

雖然各種布局形式有很多種變化形式，但是其日照影響的基本特征是有一定規律的。研究各種布局及其變化形式的日照特點，對方案優化工作有很好的指導意義。下面以常見的行列式和周邊式布局為例進行分析。

如圖6的行列式布局，進行東西錯位式變化后，可以明顯的增加北側居中窗口的日照時間，中間窗口的采光形式也發生變化，由方位通道變為高度通道獲取日照，日照時間變為接近正午的連續日照時間，對于上海等地區要求連續日照時間的地方規范要求是非常有利的。

也可以看到有些行列式有其它的變化形式，如南北錯位式布局，整體調整建筑物朝向等方式，上述幾種變化形式對改善整體日照效果是非常明顯的。以天津市項目為例，行列式布局改為東西錯位式布局并整體旋轉建筑物朝向為南偏東15°后，可以將日照時間從55分鐘提高到4個小時以上。

圖7 行列式整體偏轉朝向

對于圍合式布局，為了提高容積率和庭院效果，也是現在常見的一種布局形式，我們也不難看到相當多朝向不好或者拐角位置的房間得不到良好的日照，對自然通風也不利。轉角自身陰影遮擋是無法克服的日照缺陷。陰影角設計成小戶型、輔助房間或者局部架空，避免居住空間設計在日照不達標區域。減少東西向的圍合，即使圍合，層數也不應太高，東西向盡可能通透，增加方位通道的日照，圍合處的建筑最好能夠架空幾層等設計手段。

3.3 早期引入日照計算，避免后期驗算反復調整

相當一段時間，國內建筑設計院內專職做日照分析的人員和團隊很少，多是由其它設計人員兼任的，有的設計人員一年內接觸的日照工程很少，各地規劃設計部門主要做當地規劃審批工作，掌握的分析方法局限于當地規劃部門的要求幾種方式，如平面等時線等。除了一些日照分析推廣較早的城市和地區外，很多地方日照分析相對起步較晚，有相當一部分地區當地沒有日照規范，日照分析水平參差不齊。很多設計人員前期日照分析投入不夠，而是到了詳細設計或者報批階段時候，才進行正式的日照分析評估計算，這樣造成的問題就是，日照的調整越到后期，調整起來越困難。早期可以對整體規劃布局、建筑單體形式、戶型等很多方面進行優化，后期調整的手段就非常有限，只能通過整體或局部降低建筑物高度、調整單體建筑物朝向等手段進行局部調整，或者通過其它手段，如改變房間功能修改底層住宅為商業用房等手段。經常碰到很多項目因為日照問題被迫進行大的調整而改變方案設計初衷的例子。

筆者認為，日照分析越早引入，對方案的指導意義越大，從最早的整體項目規劃階段，到最終的施工圖階段，日照分析應該是一個主動積極參與的過程，而不是一個被動驗算的工作，設計師不再到了項目后期去想盡辦法“湊夠”日照要求的最低日照標準時數。

在整個項目進行中，日照分析的工作也是不一樣的，比如項目前期，可以借助極限容積分析工具，對地塊上的建筑物單體和群體體量進行推算，群體布置后可以結合平面等時線分析整體掌握項目內的日照情況并進行控制和優化，到了施工圖后期階段，可以采用較為精細的立面等時線分析、窗日照分析等手段，統計到戶分析日照達標情況。

我們也可以看到，日照介入項目較晚有很多原因，除了缺乏專業的日照人員外，目前日照分析工作量大，分析周期長也是一個客觀原因。目前國內日照分析軟件普遍計算速度較慢，當分析規模較大，分析精度如時間步長較小的時候，每次常用的分析以平面等時線為例，需要幾十分鐘才能完成一次計算，新的《建筑日照計算參數標準》(報批稿)中對于時間間隔的要求為不宜大于1分鐘，高精度下很多軟件計算速度很慢，方案一般都需要幾十次以上的調整計算，如圖8所示，日照方案優化對設計師來說是一個費時費力的工作。

目前國內日照軟件不斷改善性能，提高運算速度，如中國建筑科學研究院PKPM SUNLIGHT三維日照分析軟件的核心計算速度已遠遠領先于國內同類軟件，日照常用分析命令如線上點日照分析、窗日照分析和坡地等時線等都已經采用該核心加速算法，參與遮擋建筑物數量越多，計算精度越高越能體現出該算法速度的巨大優越性，分析計算時間都能控制在幾分鐘內完成，大大節省了用戶日照分析所用時間，對于分析時間較長的命令如平面等時線、全天陰影輪廓等讓用戶徹底告別了一次大容量分析計算需要等待幾十分鐘甚至幾個小時的漫長過程，大大縮短了建筑方案設計周期，并且能夠勝任完成數十萬個三角面片遮擋規模日照分析模型的計算，對提高日照方案優化有著重要的意義。

圖8 日照方案的多次優化調整

[1]三維日照分析軟件 SUNLIGHT用戶手冊.中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部

[2]三維日照分析軟件SUNLIGHT操作指南與實例.中國建筑工業出版社，2006.03.01.

[3]建筑設計資料集.北京:中國建筑工業出版社，1994.06.01.

[4]姜立.建筑日照分析原理與計算方法的研究[J].土木建筑工程信息技術，2009，2(2):63-69.

[5]王會一.計算機在日照分析領域的應用與發展[J].第十四屆全國工程設計計算機應用學術會議論文集.2008.11:302-307.

[6]王會一.日照分析軟件技術的新特點[J].工程圖學學報.2009.6:1-7.

[7]王會一.三維日照分析系統仿真與虛擬現實表現[J].第二屆工程建設計算機應用創新論壇.2009.9:105-111.

[8]王會一.日照軟件復雜建模和大體量計算創新性應用研究[J].土木建筑工程信息技術，2013.5(3):110-117.

[9]云朋.建筑光環境模擬.中國建筑工業出版社.2010.07.01

[10]北京照明學會照明設計專業委員會 編.照明設計手冊(第二版)中國電力出版社.2006.12.1

[11] Ibrahim Reda and Afshin Andreas.Solar Position Algorithm for Solar Radiation Applications.National Renewable Energy Laboratory.Revised January 2008

[12]建筑日照計算參數標準(報批稿)