鄭 虹 于博洋 郭 巍

（山東科技大學(xué)測(cè)繪科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島266590）

1 引言

日照指標(biāo)是衡量住宅建筑環(huán)境質(zhì)量高低的一項(xiàng)重要指標(biāo)，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(shí)我國(guó)建筑就基本以朝南向?yàn)榉课莸闹饕?。建?guó)初期，建筑日照主要采用前蘇聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)。改革開(kāi)放之后，隨著城市規(guī)模的不斷擴(kuò)大和現(xiàn)代化程度的不斷提高，高層和密集的建筑開(kāi)始日益增多，日照問(wèn)題逐漸開(kāi)始被人們重視起來(lái)。

為了保障居民健康的居住環(huán)境同時(shí)為城市規(guī)劃管理提供科學(xué)的依據(jù)，有必要進(jìn)行科學(xué)準(zhǔn)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?qǐng)A錐模型，陰影輪廓模型，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷葞追N模型。各種模型各有特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，其中日照?qǐng)A錐模型符合日常所見(jiàn)的太陽(yáng)運(yùn)行的變化規(guī)律，并且有更好的直觀性。在計(jì)算機(jī)技術(shù)的推動(dòng)下，此種模型使計(jì)算分析更加精確化，實(shí)時(shí)化，可視化，同時(shí)隨著軟件優(yōu)化，計(jì)算的效率也不斷改善，成為日照計(jì)算分析的重要方法。

2 日照?qǐng)A錐模型原理

日照?qǐng)A錐模型由棒影模型發(fā)展而來(lái)，是以選定的參考點(diǎn)為基準(zhǔn)，將每個(gè)時(shí)刻的太陽(yáng)位置與參考點(diǎn)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?qǐng)A錐面，是模擬太陽(yáng)一天內(nèi)在空間運(yùn)行軌跡的曲面。以被測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，沿太陽(yáng)位置方向做射線。若分別做出一天中每一時(shí)刻的光線射線，則將形成一個(gè)曲面，即日照?qǐng)A錐曲面，該曲面將天球分成兩個(gè)球錐體。在春分和秋分時(shí)，該曲面將平分天球。

如圖1所示，O點(diǎn)為觀測(cè)點(diǎn)，圖中所示曲面即為以O(shè)為頂點(diǎn)的日照?qǐng)A錐圖。由圖可以看出，從8時(shí)—16時(shí)為一天中的有效日照時(shí)間段，其中曲線1、2、3、4為與地面平行的平面與日照?qǐng)A錐面相交的曲線。建筑物與日照?qǐng)A錐面相交的部分即為遮擋物對(duì)O點(diǎn)的遮擋時(shí)間。

根據(jù)太陽(yáng)位置計(jì)算公式可以得出日照?qǐng)A錐曲面方程組，如（1）式所示：

其中L為圓錐母線長(zhǎng)，φ為地理緯度，δ為赤緯角，Ω為時(shí)角。計(jì)算單點(diǎn)日照時(shí)間關(guān)鍵是求出遮擋建筑的各個(gè)面與日照?qǐng)A錐面的交點(diǎn)。首先對(duì)遮擋建筑進(jìn)行建模，使其各面可以通過(guò)方程的形式表達(dá)出來(lái)，通過(guò)聯(lián)立方程組求解，可求出日照?qǐng)A錐面與建筑的交點(diǎn)，根據(jù)交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的太陽(yáng)時(shí)角，可求得交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的時(shí)間，判斷陰影時(shí)間和日照時(shí)間，將日照時(shí)段累加可得該點(diǎn)總的日照時(shí)長(zhǎng)［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(jìn)行單點(diǎn)分析、窗戶分析、沿線分析、陰影分析、及多點(diǎn)區(qū)域分析幾個(gè)方面。單點(diǎn)分析是計(jì)算待測(cè)區(qū)域內(nèi)的任意坐標(biāo)和高度的點(diǎn)，分析該點(diǎn)的日照時(shí)長(zhǎng)，分析結(jié)果用表格表示出來(lái)；窗戶分析是進(jìn)行建筑物窗戶左端、右端、滿窗日照分析詳細(xì)報(bào)表統(tǒng)計(jì)；沿線分析需要計(jì)算待測(cè)區(qū)域內(nèi)的高度的直線或曲線，分析該線段的日照時(shí)長(zhǎng)，并將分析結(jié)果標(biāo)注于所分析的線上，沿線分析實(shí)際是沿選定分析線按照一定的采樣間隔進(jìn)行單點(diǎn)分析；陰影分析則是分析待測(cè)區(qū)域在任意時(shí)間段在任意高度上的陰影動(dòng)態(tài)及輪廓曲線；多點(diǎn)區(qū)域分析是分析待測(cè)區(qū)域中任意閉合形狀在設(shè)定的時(shí)間和高度的日照時(shí)長(zhǎng)，分析結(jié)果用圖表表示。本文主要采用日照?qǐng)A錐模型對(duì)測(cè)量建筑進(jìn)行窗戶分析及沿線分析。

3.2 窗戶分析規(guī)范

進(jìn)行窗戶分析時(shí)，對(duì)于一般形狀窗戶，按其窗臺(tái)外墻（線AB）中點(diǎn)（圖中點(diǎn)C）為日照分析計(jì)算點(diǎn)，如圖2所示；對(duì)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(zhǎng)線中位于南向或偏南向（圖中線AB）的中點(diǎn)，圖中C點(diǎn)表示的位置為日照分析計(jì)算點(diǎn)，如南側(cè)或偏南側(cè)日照時(shí)數(shù)不滿足日照標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)增加分析另一側(cè)窗戶；對(duì)于如南側(cè)或偏南側(cè)日照時(shí)數(shù)不滿足日照標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)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(lái)確定日照分析計(jì)算點(diǎn)位置［3］。

4 實(shí)例分析

本文日照分析項(xiàng)目以青島某擬建建筑為對(duì)象，利用飛時(shí)達(dá)FastSun日照分析軟件分析其對(duì)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(guó)家有關(guān)法規(guī)、規(guī)范，面向客戶需求開(kāi)發(fā)而成，提供了日照建模、單點(diǎn)分析、多點(diǎn)分析、窗戶分析、陰影分析、等時(shí)線分析以及生成日照分析報(bào)告等多種功能，全面解決各種日照分析問(wèn)題，具有計(jì)算結(jié)果精確可靠，參數(shù)設(shè)置靈活、操作簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，同時(shí)支持計(jì)算報(bào)表自動(dòng)導(dǎo)出，是規(guī)劃管理、規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、房地產(chǎn)開(kāi)發(fā)等領(lǐng)域強(qiáng)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(yīng)該有一個(gè)居住空間獲得日照，當(dāng)一套住宅中居住空間總數(shù)超過(guò)四個(gè)時(shí)，其中宜有二個(gè)獲得日照。依據(jù)相關(guān)法律法規(guī)、規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定以及青島市地理位置，日照計(jì)算相關(guān)參數(shù)應(yīng)符合表規(guī)定，對(duì)于特定情況還應(yīng)符合下列規(guī)定：

1）老年人居住建筑不應(yīng)低于冬至日日照2小時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)；

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(shí)的日照標(biāo)準(zhǔn)；

3）中小學(xué)半數(shù)以上的教室應(yīng)能獲得冬至日不小于2小時(shí)的日照標(biāo)準(zhǔn)；

4）宿舍半數(shù)以上的居室，應(yīng)能獲得同住宅居住空間相等的日照標(biāo)準(zhǔn)。

其中，計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)日為分析當(dāng)年的大寒日或冬至日，如當(dāng)年是閏年則順延一年；活動(dòng)場(chǎng)地等場(chǎng)所的分析高程以地面平均高程為準(zhǔn)；底層窗臺(tái)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(guó)家有關(guān)規(guī)范和法規(guī)有特殊要求按國(guó)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(cè)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(cè)量完成后需將測(cè)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(zhǔn)備工作。根據(jù)測(cè)量的數(shù)據(jù)及委托方提供的設(shè)計(jì)資料，可相應(yīng)的對(duì)已建建筑和規(guī)劃建筑進(jìn)行建筑建模。通過(guò)定義建筑的室內(nèi)地坪、層高、窗戶、陽(yáng)臺(tái)、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(diǎn)為窗口連線的中心點(diǎn)。對(duì)窗戶中點(diǎn)進(jìn)行分析即單點(diǎn)分析，主要采用的模型為日照?qǐng)A錐面模型。分別對(duì)N10棟和N11棟受光面的窗戶中點(diǎn)進(jìn)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(duì)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(shí)間為2小時(shí)16分鐘，C9＃窗受影響最小，影響時(shí)間為35分鐘。本次共分析窗戶位置24個(gè)，規(guī)劃建筑建設(shè)后無(wú)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(duì)無(wú)法確定待測(cè)建筑窗戶位置的情況，其主要應(yīng)用模型也是日照?qǐng)A錐模型。在選取的分析線上，通過(guò)采樣獲得分析點(diǎn)的位置，采樣值由人工設(shè)定，軟件利用模型將采樣點(diǎn)的遮擋情況分別計(jì)算出來(lái)并標(biāo)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(biāo)數(shù)字為日照時(shí)長(zhǎng)。

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(yīng)軟件可以快速有效地從多個(gè)方面對(duì)建筑物的日照影響做出分析。本文圍繞日照?qǐng)A錐分析的模型和原理，將模型理論與實(shí)踐結(jié)合，以具體日照分析項(xiàng)目為例，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和送審資料，在對(duì)規(guī)劃建筑和現(xiàn)有建筑進(jìn)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(duì)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(shè)計(jì)、城市規(guī)劃等相關(guān)部門(mén)和單位必不可少的工作，得到了廣泛的實(shí)踐應(yīng)用。日照分析是一項(xiàng)精度要求較高的分析工作，誤差的產(chǎn)生也包括多個(gè)方面。對(duì)設(shè)計(jì)建筑的自動(dòng)化的調(diào)整和分析結(jié)果量化的精度計(jì)算將是以后研究的方向。