玻璃幕墻光反射對居民住宅的影響預測軟件的設計與實現

⊙課題由來及意義

由于玻璃幕墻光反射的計算和評估具有一定的專業性，一般市民如要了解自身受到的玻璃幕墻光反射影響有一定困難。因此，我們想到了通過運用 Google地圖、HTML. JavaScript等工具，將光反射評估的光學、數學模型等進行整合，開發一款基于互聯網的玻璃幕墻光反射評估軟件，以方便一般市民對自己的住宅或將要購買的住宅受到的光反射影響進行預測和快速評估。

鑒于目前民用領域還沒有光反射影響預測軟件，在玻璃幕墻光反射這一領域內，目前市民能得到的信息嚴重缺乏，這影響了市民了解自己的居住環境、選擇自己居住環境的權利。通過這款軟件，可以讓市民方便地了解到自己住宅正受到或可能受到的光反射情況。

本課題的創新點體現在：

◇目前尚未有商業化的用于計算、預測玻璃幕墻光反射影響情況的計算機軟件，也沒有基于網絡地圖的光反射快速評估軟件。本課題通過制作相應軟件填補了這一空缺。

◇上海市環保局發布的《建筑玻璃幕墻光反射影響分析報告編制要求（試行）》的反射光計算方法中，對于受照建筑能否被照射到的部分僅研究了與玻璃幕墻正對的建筑的受照射情況，本課題通過光學、數學模型的拓展研究，將其推廣到分析在一個三維空間中任意位置墻面的受照射情況。

⊙軟件設計

軟件設計基本思路

玻璃幕墻光反射計算軟件采用 HTML. JavaScript語言作為開發工具，實現了模型建立、計算與輸出一體化。軟件操作簡單，計算結果采用圖形方式顯示，直觀易懂。軟件的運行分為3個部分：①用戶輸入有關建筑與玻璃幕墻建筑的位置數據；②將用戶輸入的數據進行轉換，代入模型中進行計算；③根據計算結果輸出數據。各模塊之間的關系如圖1所示。

⊙軟件制作

界面與控件

軟件界面在jQuery、jQuery UI、 D3.js及Google Maps API v3腳本庫的基礎上開發。在網頁及腳本加載完畢的情況下（使用jQuery的$（document）. ready），先按實際瀏覽器寬度調整頁面布局，然后使用D3創建圖表及其圖例，再用jQuery UI創建頁面上的按鈕、滑動條、調節器等控件。最后調用已寫好的地圖初始化函數創建Google Maps。

光反射影響計算模塊

◇影響情況計算核心函數

影響情況計算核心函數（Calc（）） 主要是根據太陽光線、玻璃幕墻和居民住宅的位置關系，通過建立光學及數學模型，計算出陽光入射情況，預測并分析出住宅受光照影響情況，并通過光照強度、角度，初步判斷是否受到光反射。主要工作包括：計算太陽赤緯，計算太陽高度角和方位角，計算建筑方位角，計算反射光影響范圍并判斷受照建筑是否受照射，計算反射光亮度、住宅窗戶所受反射光的入射角，將多面玻璃幕墻反射光照度、持續時間進行疊加，返回影響情況。

計算核心邏輯框圖如圖2。

◇光反射影響計算模型的拓展和完善

《建筑玻璃幕墻光反射影響分析報告編制要求（試行）》中反射光計算模型在判斷受照建筑是否被反射光照射到這一點上不夠完善，僅考慮了玻璃幕墻與受照建筑平行且正對的情況，也沒有判斷陽光或反射光是否照射到墻面背面。

鑒于原模型的局限性，我們對它進行了改進，將玻璃幕墻與受照墻面放在一個三維坐標系中進行計算，并在建模過程中明確了以下重要判據和環節：

◇判斷是否照射到墻背面；

◇確定投影范圍和窗坐標；

◇判斷反射光是否照射到受照建筑。

為了確保建模后軟件中算法的正確性，我們進行了太陽赤緯公式驗證、太陽高度角公式驗證和太陽方位角公式驗證。

光反射影響情況圖

在HTML5新版本網頁標準中，有（畫布）標記和嵌入式SVG 可被用作即時繪圖的載體。經過比較，我們發現，嵌入SVG比使用畫布繪圖可擴展性更好、能更好地交互、圖形質量更好等優點，于是選擇SVG作為繪圖載體。

圖例見圖3。下方文字顯示了當日影響情況的統計信息，包括對光反射情況的預測。

⊙結論

本課題瞄準了玻璃幕墻光反射影響預測這一空白領域，開發了相應的平民化軟件。該軟件能實現以下功能：①在網絡地圖上畫出簡易建筑模型；②即時繪制全年影響情況圖；③通過與影響情況圖聯動，繪制確定日期、時間的玻璃幕墻反射光照射范圍俯視圖。本課題開發的軟件實用、直觀、有效，借助網絡地圖，市民能直觀地了解到住宅光反射的影響情況，從而使他們日益增加的對生活環境的關注進一步得到滿足。

⊙展望

◇本軟件用到的評價標準僅僅為環境科學意義上的影響標準，定量化的數據與市民直觀感受之間有一定差距。將來可以本軟件為基礎，對受到玻璃幕墻光反射影響的居民感受進行調查，建立類似舒適度的評價標準，使評價結果更加貼近市民的生活。

◇隨著城市建筑物信息網絡化的不斷完善，未來可以借助網絡云服務獲取建筑信息，免去用戶自己標記建筑信息的過程，消除用戶獲取及輸入信息時可能造成的誤差，讓軟件變得更方便且精確。

◇本次研究未完成對眩光照度計算公式的實測驗證。今后，隨著照度測量儀的不斷發展和改進，有可能實現實測驗證。

該項目獲得第29屆全國青少年科技創新大賽創新成果競賽項目中學組計算機科學一等獎。

專家評審

項目結合電子地圖和交互式玻璃幕墻輸入，可計算和評價住宅的玻璃墻光反射程度。項目較好地利用了網絡電子地圖、HTML.Java等計算機和網絡工具及玻璃墻光反射計算模型，實現了完整的應用軟件，體現了較好的科學性和體系性。