基于日照分析的建筑棒影研究與設(shè)計(jì)

孫文坡 李文娟 黨向盈

摘要：城市建筑設(shè)計(jì)過程中，需要對(duì)日照棒影長度進(jìn)行自動(dòng)精準(zhǔn)計(jì)算，研究日照分析理論，設(shè)計(jì)輸入預(yù)設(shè)日照參數(shù)，自動(dòng)獲得棒影長度，進(jìn)而滿足建筑日照時(shí)間最低約束的要求。該軟件核心算法主要依賴于棒影計(jì)算模型。首先，根據(jù)已知條件獲得太陽高度角，然后，通過分析太陽高度角、赤緯角、時(shí)角和積日等一系列參數(shù)，得到時(shí)間切片內(nèi)，不同的棒影長度；最后，計(jì)算判斷是否滿足建筑日照時(shí)間最低約束。該文方法將日照棒影圖應(yīng)用到建筑優(yōu)化設(shè)計(jì)中，保證房屋有充足的日照時(shí)間，提高房屋的居住舒適度。

關(guān)鍵詞：日照分析；日照約束；棒影長度；建筑優(yōu)化；日照累計(jì)時(shí)間

中圖分類號(hào)：TU972，TP399 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）06-0207-03

隨著國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的迅速發(fā)展和人民生活水平的不斷提高，居住條件的改善和節(jié)省建筑用地之間的矛盾也日益突出。城市居住規(guī)劃設(shè)計(jì)對(duì)各氣候區(qū)不同規(guī)模城市的住宅大寒日、冬至日日照時(shí)間規(guī)定了最低時(shí)間，并要求老年人居住建筑冬至日日照時(shí)間不應(yīng)低于兩小時(shí)標(biāo)準(zhǔn)。日照時(shí)間不足不僅達(dá)不到國家標(biāo)準(zhǔn)，還會(huì)導(dǎo)致居住環(huán)境寒冷影響住戶居住舒適度與衛(wèi)生健康。很多學(xué)者提出很多有效的方法來改善室內(nèi)氣候條件，滿足人們工作生活所需的舒適環(huán)境。本軟件通過一系列方法計(jì)算出棒影長度，再將有效時(shí)間劃分若干個(gè)時(shí)間切片，將擬建建筑區(qū)域劃分為與時(shí)間切片等量的方格，計(jì)算出窗口日照累計(jì)時(shí)間。本文將人工智能的一些方法，應(yīng)用到實(shí)際建筑規(guī)劃優(yōu)化設(shè)計(jì)中，為建筑規(guī)劃設(shè)計(jì)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)合理的設(shè)計(jì)提供了一種有效途徑。

1軟件系統(tǒng)概述

本軟件采用C#Lambda編程技術(shù)，使得軟件實(shí)施中，縮短計(jì)算時(shí)間，減少計(jì)算復(fù)雜度，滿足用戶的性能要求。本軟件主要功能是計(jì)算日照棒影長度。本軟件主要有3大功能模塊，它們分別是：主函數(shù)、日照分析模塊、棒影長度計(jì)算模塊。棒影長度計(jì)算模塊又分為日照光影計(jì)算和窗口與日照棒影關(guān)系。其框架圖如圖1所示：

軟件從主函數(shù)開始運(yùn)行。主函數(shù)調(diào)用各函數(shù)，實(shí)現(xiàn)被測程序的運(yùn)行?？梢哉{(diào)用的函數(shù)有主模塊、日照分析模塊、棒影長度計(jì)算模塊。

2日照分析

2.1日照參數(shù)

太陽日照時(shí)間的長短、時(shí)角、太陽高度角引起的太陽光輻射度的強(qiáng)弱，太陽入射角與建筑陽臺(tái)的關(guān)系等都是確定建筑物得到日照標(biāo)準(zhǔn)的要素。我國位于北半球，太陽東升西落，對(duì)于朝南的房子而言：夏季太陽高度角較大，陽光從門窗射入的時(shí)間較短，故夏季室內(nèi)陰涼；冬季太陽高度角較小，陽光射入房間的時(shí)間較長，室內(nèi)溫度升高。建筑物的日照時(shí)間不僅僅和太陽高度角有關(guān)，與各緯度，地方時(shí)間，建筑物的間距都有密切的關(guān)系。因此這使得同一天同一地區(qū)同一時(shí)刻的有效日照不同。

1）太陽高度角：太陽光線與地平面間的夾角。

2）太陽方位角：即太陽光線在地平面上的投影線與地平面正南線所夾的角。

3）時(shí)角：地球自轉(zhuǎn)一周為1d，24h，不同的時(shí)間用不同的時(shí)角表示。地球自轉(zhuǎn)一周為360°，每小時(shí)時(shí)角就是15°。

2.2計(jì)算規(guī)則

設(shè)太陽赤緯角為δ。日照棒影分析系統(tǒng)基于給定維度，由維度和當(dāng)前日期得到相應(yīng)的赤緯角。赤緯角δ值在每年同日期都有微差，可以從天文資料中查到，也可以通過公式計(jì)算得到。

3棒影長度計(jì)算

3.1日照光影計(jì)算

如圖2所示為日照光影計(jì)算界面。左側(cè)即用戶需要輸入的參數(shù)，分別為觀測點(diǎn)維度，時(shí)角單位，日期，棒高（米），用戶通過簡單的設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)，計(jì)算得到棒影長度值。

以圖3中午日照光影列表圖為例，顯示用戶所設(shè)定參數(shù)后，系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算得到的日照光影列表圖。

地球自西向東自轉(zhuǎn)，因此太陽高度角也隨之呈現(xiàn)相應(yīng)的變化規(guī)律。早晨太陽從東邊升起，晨昏線上太陽高度角為0°，隨著太陽逐漸升高，太陽高度角也逐漸增加。當(dāng)?shù)胤綍r(shí)為正午12點(diǎn)時(shí)，此時(shí)太陽高度角達(dá)到最大。下午，太陽漸漸落下，太陽高度角也隨之減小，到西邊地平線落下時(shí)，太陽高度角為0°。通過圖3亦可以看出，棒影長度在8：00-16：00這個(gè)時(shí)間段內(nèi)先變短后變長，對(duì)稱軸在12：00左右，即在12：00左右太陽高度角最大，棒影長度達(dá)到最小值。

3.2窗口與日照棒影關(guān)系

由于太陽位置隨著時(shí)間的變化而處于不斷變化中，擬建建筑在不同時(shí)間段內(nèi)所產(chǎn)生的影子長度也是不一樣的。對(duì)擬建建筑而言，當(dāng)影子長度大于窗口到擬建建筑的距離時(shí)，太陽射向擬建建筑的光線被遮擋住，窗口無法接受到此時(shí)的光照。當(dāng)影子長度小于窗口到擬建建筑的距離時(shí)，窗口能夠獲得這一時(shí)刻的光照。為了計(jì)算窗口獲得的日照累計(jì)時(shí)間，需要先計(jì)算出不同窗口到擬建建筑的距離以及擬建建筑不同時(shí)刻影子的長度，再進(jìn)行一系列的分析與判斷。圖4所示為棒影長度與窗口到小柱距離關(guān)系圖。

3.3圖表模擬

在用戶預(yù)先生成棒影計(jì)算結(jié)果后，通過圖表顯示日照時(shí)角變化，太陽高度角變化和棒影長度變化。如圖5所示為太陽高度角變化曲線圖，如圖6所示為日照時(shí)角變化曲線圖。圖7所示為2016年12月21日不同時(shí)間片段棒影長度曲線圖。

4結(jié)論

本文研究日照棒影長度的計(jì)算，在保證房屋有充足的光照下提供合理的建筑設(shè)計(jì)方案。棒影長度與太陽高度角，時(shí)角等日照參數(shù)有關(guān)，設(shè)置合理的日照參數(shù)，然后通過一系列參數(shù)以及棒高計(jì)算出不同時(shí)間切片內(nèi)不同的棒影長度。滿足日照最低要求提供核心計(jì)算結(jié)果?？梢詭椭ㄖ淘诮ㄖ陥?bào)之前設(shè)計(jì)出一個(gè)優(yōu)化的建筑方案。本軟件可以自動(dòng)計(jì)算日照光影，軟件中詳細(xì)地列出時(shí)間，太陽高度角，棒高，棒影長度等數(shù)據(jù)，結(jié)論明確，效果直觀，說服力強(qiáng)。