建筑日照設計中基準點相關問題的探討

劉 琦 高程翔 謝云濤 劉兆宇

隨著城市土地價值的不斷提升和城市化進程的不斷加快，國內(nèi)城市建設多以高層高密度的方式不斷擴張，使得建筑之間的日照矛盾越來越突出。目前的工程建設標準如GB 50180—2018《城市居住區(qū)規(guī)劃設計標準》對各類生活居住建筑和場地的日照標準做出了規(guī)定[1]，并且通過計算機模擬等操作性較強的技術手段得到落實。由于我國地域廣闊，不同城市所處地理位置和氣候特征不同，國家住建部又進一步頒布了《建筑日照計算參數(shù)標準》（GB /T50947—2014）來進行規(guī)范。《建筑日照計算參數(shù)標準》中對日照基準年、日照標準日、日照時數(shù)做了詳細的規(guī)定，且在實際操作中爭議很少，但日照基準點即時間計算起點規(guī)定較為籠統(tǒng)。建筑日照計算基準點不同，計算結果的差異非常大。因此需要對計算基準點相關問題進行深入探討，明晰影響因素，解決日照設計中影響結果的這一關鍵環(huán)節(jié)。

1 基準點位置選擇

目前，關于建筑日照基準點位置的選擇，國家標準《城市居住區(qū)規(guī)劃設計標準》（GB 50180—2018）中指出為日照時間的計算起點為底層窗臺面，是指距室內(nèi)地坪0.9m高的外墻位置。根據(jù)《建筑日照計算參數(shù)標準》，分別對落地窗、凸窗以及轉角窗的計算起點提出了具體要求[2]（圖1～2）。

圖1 落地窗和凸窗的計算起點

圖2 直角轉角窗和弧形轉角窗的計算起點

窗臺的高度根據(jù)設計的不同，可能不一樣，但考慮到不加設防護設施，多數(shù)居住建筑臨空外窗的窗臺距樓地面凈高不低于0.9m，公共建筑臨空外窗的窗臺距樓地面凈高不低于0.8m。窗臺面的高度不同，日照時間差別較大。標準統(tǒng)一要求為距室內(nèi)地坪0.9m高的外墻位置，可使計算高度相同，避免因低窗臺、落地窗等情況引起的結果差異。

然而，在實際設計中，窗戶的形式更為多樣，標準所描述的計算起點并不完全適應所有的日照計算情況。下面以圖3中A#為目標建筑進行模擬，模擬時取最大窗寬1.8m最優(yōu)，并分別探討凸窗、轉角窗以及陽臺日照基準點的位置選擇。

圖3 模擬布局總圖

1.1 凸窗基準點的位置選擇

針對凸窗日照基準點的選擇，《建筑日照計算參數(shù)標準》中規(guī)定如圖4所示，但實際實施中有諸多問題。凸窗我們可以分成兩側有垂直擋板、兩側無垂直擋板及單側有垂直擋板三種類型（圖5）。

圖4 常規(guī)凸窗的日照基準點的位置

圖5 凸窗日照基準點AB

如圖6所示，利用日照圓錐面對建筑一層窗臺左右端點進行測量，測量范圍僅考慮自我遮擋，忽略南側建筑的遮擋，然后取左右端測量結果的交集即達到滿窗日照的區(qū)域進行觀察。通過觀察日照圓錐面的結果可以看出，側墻遮擋對凸窗的日照影響十分明顯。

圖6 凸窗不同遮擋情況的日照圓錐面

下面，將基準點放在標準要求AB點及外窗A′B′處，如圖7所示，在相同的日照條件下，進行模擬計算，得出日照分析結果并取首層的日照時數(shù)進行對比，如表1所示。

圖7 凸窗優(yōu)化后日照基準點A′B′

表1 凸窗日照基準點模擬分析日照時數(shù)對比表

通過對比分析可以看出，由于基準點位置不同，計算得出的結果也不同，單側墻遮擋影響了一半的日照時間，雙側墻幾乎完全遮擋。因此，應當將有側墻遮擋的凸窗基準點置于外窗處，這樣計算結果符合客觀情況。

1.2 轉角窗基準點的位置選擇

轉角窗主要分為直角轉角窗與弧形轉角窗，其設計的初衷是為了提高房間的采光及視野效果，其本身在日照計算時，基準點位置的問題也引來了一定爭議。

如圖8，根據(jù)標準要求，轉角窗的日照基準點是以窗洞口所在的虛擬的窗臺面位置為計算起點。這樣的計算基準面已經(jīng)處于建筑內(nèi)部，而且隨著轉角窗增大，基準點的位置逐漸靠近室內(nèi)，這樣得出的結果既不合理也不符合事實（圖9）。

圖8 轉角窗日照計算基準點AB

圖9 轉角窗日照計算基準點A′B′

同時，利用日照圓錐面也可以清楚地看出，當轉角窗采用基準點AB進行日照計算時（圖10），靠近建筑內(nèi)部的基準點在進行日照分析時會受到自身的遮擋影響，當采用基準點A′B′時就會消除這樣的問題（圖11）。

圖10 轉角窗基準點AB的日照圓錐面

圖11 轉角窗基準點A′B′的日照圓錐面

為進一步探究轉角窗基準點位置選擇的問題，根據(jù)已建模型進行模擬分析，分析時分別設計4個分組，轉角窗L長度依次為1.0m、1.5m、1.8m以及2.0m。再分別以兩種不同的基準點位置進行分析，并以窗臺角點的取值方式計算日照時數(shù)，最后對比模擬結果表2可以看出取基準點A′B′位置的日照情況更加合理。

表2 轉角窗日照基準點模擬分析日照時數(shù)對比表

由于轉角窗可以看作南向窗戶與東、西向窗戶組合而成，因此在模擬分析時可以優(yōu)先考慮南向窗戶的日照情況，選擇基準點A′B′位置也更為合理。

1.3 陽臺基準點的位置選擇

日常生活中常見的陽臺主要為：凸陽臺、凹陽臺以及半凸半凹陽臺，針對陽臺日照基準點的選擇，標準比較模糊，僅提出“凹陽臺或半凹半凸陽臺，由于兩側（ 或一側） 墻體的遮擋（圖12～13），如果以窗臺作為計算點，則窗臺上的日照時間很難滿足標準要求，這將對住宅設計帶來很大的限制”[3]，由圖14可以看到。

圖12 陽臺頂板剖面分析圖

圖13 陽臺日照計算基準點AB

與此同時，在進行日照計算建模過程中，陽臺頂板可能也會帶來遮擋影響，筆者利用日照圓錐面對不同進深的陽臺頂板進行分析。通過陽臺剖面圖可以看出，太陽與窗臺之間形成夾角θ，而該夾角θ影響著陽臺頂板進深D的尺寸大小，當θ為45°時，D最大值為2.0m。由于實際設計過程中陽臺進深達到2.0m及以上的情況很少，且夾角θ通常情況下小于45°，例如北京地區(qū)為29°49′，濟南地區(qū)為33°05′[3]，因此陽臺頂板建模與否對陽臺的日照并無實際影響。

除陽臺頂板外，陽臺側板也會帶來遮擋影響，以基準點AB對凹陽臺、半凹半凸陽臺進行計算既不符合客觀事實，日照也會受到自遮擋的影響（圖14）。為探究基準點位置選擇，筆者根據(jù)已建模型依次對凸陽臺、凹陽臺以及半凹半凸陽臺進行模擬分析，且窗戶的滿窗日照時間均按照窗戶底部兩側同時照到為準。

圖14 陽臺基準點AB日照圓錐面分析圖

與此同時，通過對基準點AB與基準點A′B′的模擬得出表3，對比模擬結果可以發(fā)現(xiàn)：選擇基準點A′B′的日照情況要優(yōu)于基準點AB的日照情況。因此，當陽臺為凸陽臺時，其自身沒有側板的遮擋影響，因此仍可按基準點AB進行計算。當陽臺為凹陽臺或半凹半凸陽臺時，可將基準點設定為與外墻同一水平線的位置，見圖15基準點A′B′。

圖15 凹陽臺與半凹半凸陽臺日照計算基準點A′B′

表3 陽臺日照基準點模擬分析日照時數(shù)對比表

2 基準點取值方法

2.1 常見基準點取值方式

目前在日照分析過程中，常見基準點的取值方式主要為：窗臺中點、窗臺角點以及窗臺多點。其中，當太陽光線直射到窗臺中點時即為滿窗日照，這樣的取值方式為窗臺中點取值；當太陽光同時照到窗臺兩個底角點為有效照射，即窗臺左右端同時照到為滿窗日照，這樣的方式為窗臺角點取值[4]；當太陽光同時照到窗臺上多個點才為有效照射，那么這樣的方式就是窗臺多點取值（圖16）。

圖16 三種不同基準點取值方法

三種方式在一定程度上各有利弊，且取值條件的嚴格程度也各不相同。下面利用上文相同的模型數(shù)據(jù)，通過模擬計算，分析不同取值方法的特點。

2.2 不同基準點取值方式對其日照的影響

基準點的取值方式在一定程度上來說就是窗戶日照分析過程中如何界定滿窗日照，取窗臺角點與窗臺中點的方法是簡化為窗戶下沿水平線上左右兩個端點和中心點一個點去進行計算的[5]。因此，為了解不同取值方式帶來的分析結果，采用相同的模型數(shù)據(jù)，利用模擬實驗分別進行計算，得出結果如表4所示。

表4 不同日照分析取值方式模擬結果對比表

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可以看出：①當選擇窗臺中點作為滿窗日照時間時取值相對寬松，日照時間最長，但計算結果并不嚴謹。②以窗臺角點作為基準點的取值方式是利用窗臺左端日照時間和窗臺右端日照時間的交集，使其滿窗日照時間減少。③當選擇窗臺多點的取值方式在一定程度上最為嚴格，但可以達到多點取值的時刻并不多，往往會與窗臺角點的取值方式相同，即窗臺左右端同時照到的時刻也是窗臺多點同時照到的時刻，從而使得兩種取值方式得出的日照時間相同。但在特殊情況下窗臺多點的取值方式更加合理，例如當陽光僅照到窗臺角點而未照到窗臺的其他區(qū)域也可以算作滿窗日照，在實際生活當中這種方式并不能達到滿窗的要求，而窗臺多點取值就避免了這一現(xiàn)象的發(fā)生。

因此，我們在進行日照分析時，應預先了解項目當?shù)赜嘘P部門對取值方式的規(guī)定，選取科學、合理的方式進行日照分析計算，從而提高土地利用率，避免出現(xiàn)因取值方式問題造成的日照糾紛。

結語

在建筑日照計算過程中，以不同基準點進行計算結果完全不同，從而使得基準點的選擇至關重要。因此，在選擇日照計算基準點時，應具體問題具體分析，將理論與實際相結合，針對不同的窗戶或陽臺采取不同的方式，筆者也利用模擬分析提出了優(yōu)化建議，從而使得日照分析工作更加科學合理。同時，基準點的取值方法也同樣重要，甚至相同的窗戶因取值方式不同，日照計算的結果也會不同，這就需要我們進行日照設計時，應選擇合適的取值方式，保證日照結果的科學嚴謹。

資料來源：

圖1～2：《建筑日照計算參數(shù)標準》GB/T50947-2014）；

文中其余圖表均為作者自繪。