基于日照圓錐模型的日照分析研究

鄭 虹 于博洋 郭 巍

（山東科技大學測繪科學與工程學院，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)劃管理提供科學的依據(jù)，有必要進行科學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，實驗模型等幾種模型。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)交點所對應的太陽時角，可求得交點對應的時間，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)設置靈活、操作簡單的特點，同時支持計算報表自動導出，是規(guī)劃管理、規(guī)劃設計、建筑設計、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），每套住宅至少應該有一個居住空間獲得日照，當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)應符合表規(guī)定，對于特定情況還應符合下列規(guī)定：

1）老年人居住建筑不應低于冬至日日照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）中小學半數(shù)以上的教室應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年的大寒日或冬至日，如當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)及委托方提供的設計資料，可相應的對已建建筑和規(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。