基于CityGML的住宅單元采光權(quán)空間表達(dá)

雷 媛，李 霖，朱海紅，湯 磊，羅 豐

（1. 武漢大學(xué) 資源與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430079；2. 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430056）

0 引 言

隨著我國城市化進(jìn)程的大大加快，城市人口急劇膨脹。為了加大土地資源的利用率，高層建筑的比率逐年增大。高樓在給人們提供更多活動(dòng)空間的同時(shí)，也遮擋住了身后建筑的日照[1]。而適量的自然光照對于保證居民的生活質(zhì)量與心理健康有著重要意義[2]。正因如此，人們越發(fā)關(guān)注住宅采光權(quán)的保護(hù)。采光權(quán)相關(guān)的法律法規(guī)也被逐步提出，力求保障居民基本的居住環(huán)境。

我國法律體系中存在多種不同性質(zhì)的采光權(quán)，如采光地役權(quán)和相鄰關(guān)系中的采光權(quán)。其中，采光地役權(quán)直接由雙方合同約束產(chǎn)生，是否存在權(quán)利侵害直接由合同所決定，較易做出判斷。而相鄰關(guān)系中的采光權(quán)的規(guī)定較為原則，存在的法律問題較多。因此目前司法案例中的采光權(quán)糾紛大都是指相鄰采光權(quán)的糾紛。故本文中所討論的采光權(quán)都只針對相鄰關(guān)系中的采光權(quán)而言。在我國，采光權(quán)這個(gè)概念主要體現(xiàn)在《中華人民共和國民法通則》和《中華人民共和國物權(quán)法》兩部法律之中[3]，它主要被定義為“不動(dòng)產(chǎn)的所有人或使用人為獲取日照而要求鄰人限制其房屋或其他構(gòu)造物的距離或高度的權(quán)利[4]。”梁彗星[5]、崔建遠(yuǎn)[6]等民法學(xué)專家對《物權(quán)法》進(jìn)行了深度解讀。為了保障采光權(quán)的實(shí)施，相關(guān)的建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)也逐步出臺(tái)，分別從不同角度規(guī)范化地描述了住宅建筑采光權(quán)的時(shí)空特性。

雖然已有的法律及標(biāo)準(zhǔn)文件為采光權(quán)的表達(dá)提供了比較一致的方法，但其中并不包含詳細(xì)的采光分析流程與計(jì)算方法。因此，一些經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蚚7-8]與評(píng)價(jià)指標(biāo)[9-10]也被逐步建立，用于定量評(píng)估住宅建筑物的光環(huán)境。同時(shí)，一系列日照模擬和節(jié)能分析的工具也相繼被開發(fā)出來。我國學(xué)者也對不同平臺(tái)下不同的數(shù)據(jù)格式的建筑日照分析模型進(jìn)行了大量的研究[11-13]。然而這些工具和方法都有各自的數(shù)據(jù)模型及定義幾何體的方式[14]，這使得各種工具平臺(tái)之間的數(shù)據(jù)難以共享和互操作。此外，這些分析軟件面向的是整棟建筑物，一般不包含建筑物的內(nèi)部空間結(jié)構(gòu)及屬性數(shù)據(jù)的表達(dá)，尤其是產(chǎn)權(quán)數(shù)據(jù)的表達(dá)。這也阻礙了住宅單元產(chǎn)權(quán)數(shù)據(jù)及其對應(yīng)的采光權(quán)數(shù)據(jù)的整合。

采光權(quán)本身是對不動(dòng)產(chǎn)所有權(quán)和使用權(quán)的一種延伸。研究采光權(quán)有助于更好地實(shí)現(xiàn)不動(dòng)產(chǎn)的所有權(quán)或使用權(quán)。為了解決采光權(quán)法律描述模糊性所引起的采光權(quán)時(shí)空范圍表達(dá)的技術(shù)問題，并推動(dòng)產(chǎn)權(quán)對象與采光權(quán)對象的統(tǒng)一管理，本文在當(dāng)前法律體系下，基于已有的CityGML產(chǎn)權(quán)管理模型，進(jìn)一步對采光權(quán)對象進(jìn)行補(bǔ)充，建立了結(jié)合建筑產(chǎn)權(quán)結(jié)構(gòu)描述住宅單元采光權(quán)時(shí)空特性的數(shù)據(jù)模型，明確了采光權(quán)的空間表達(dá)。此外，本文還針對采光權(quán)評(píng)估中關(guān)于日照時(shí)間定量分析的常見問題，提出了基于窗戶、基于房間和基于整套單元的采光權(quán)時(shí)空計(jì)算方法，并使用一個(gè)案例來分別對這3種方法進(jìn)行分析與討論，指出了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，為住宅建筑采光權(quán)定量計(jì)算提供了參考。

1 采光權(quán)概述

1.1 采光權(quán)法律概念

《民法通則》和《物權(quán)法》兩部法典均提供了保障居民采光權(quán)的法律基礎(chǔ)。然而這些法規(guī)在調(diào)整相鄰關(guān)系中確定的都是原則性的和指導(dǎo)性的規(guī)定，條文過于概括和簡略，缺乏具體操作性，給司法機(jī)關(guān)的處理帶來極大的困難。為了保證采光權(quán)的實(shí)施，我國又先后推行了相關(guān)的建筑采光設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。目前司法實(shí)踐中最常用的采光權(quán)妨害的認(rèn)定方式主要是參考作為國家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的《城市居民住宅區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》文件。因此，本文將在此標(biāo)準(zhǔn)文件的基礎(chǔ)上，建立相鄰采光權(quán)模型，并探討采光權(quán)表達(dá)中存在的不足。

1.2 采光權(quán)妨害判定標(biāo)準(zhǔn)

《城市居民住宅區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》指出，住宅日照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合表1中規(guī)定。

表1 住宅建筑日照標(biāo)準(zhǔn)[15]Tab.1 The sunlight standard for residential buildings

1）建筑氣候區(qū)劃應(yīng)符合《建筑氣候區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)》[16]中的規(guī)定。

2）底層窗臺(tái)面是指距離室內(nèi)地坪0.9m高的外墻位置。

綜上可知，《城市居民住宅區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》中主要通過日照時(shí)間段來描述采光權(quán)時(shí)間特性。司法鑒定中也通常從住宅日照時(shí)數(shù)著手，對采光權(quán)進(jìn)行量化分析。

1.3 日照司法鑒定中存在的問題

日照司法鑒定通常是按照被遮擋建筑遮擋前后的日照時(shí)間是否低于國家標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行判斷。雖然標(biāo)準(zhǔn)中已經(jīng)根據(jù)建筑所在的城市類型及光氣候環(huán)境類型分區(qū)，給出了日照標(biāo)準(zhǔn)日住宅首層滿窗日照時(shí)數(shù)的最小值，但實(shí)際上不同的建筑形式、不同房屋結(jié)構(gòu)、不同地理位置、不同窗戶設(shè)計(jì)的日照條件都是不同的[17]。上述標(biāo)準(zhǔn)雖然規(guī)定了樓與樓之間的關(guān)系，但忽略了一棟樓內(nèi)部的日照差異性。

例如，圖1a為北京市某住宅單元首層示意圖，圖1b為3號(hào)住宅單元的內(nèi)部結(jié)構(gòu)平面圖。顯然，受建筑自身形狀的影響，該住宅單元窗戶的日照時(shí)間各不相同。在此情況下，以何種形式對整個(gè)住宅單元的日照時(shí)間進(jìn)行計(jì)算，標(biāo)準(zhǔn)中并未做出明確說明。

圖1 住宅樣例圖Fig.1 The residential samples map

2 采光權(quán)空間表達(dá)

2.1 CityGML簡介

CityGML[18]是OCG定義的一種用來表達(dá)和交換三維城市模型的國際標(biāo)準(zhǔn)。它定義了大多數(shù)城市相關(guān)對象的三維幾何、拓?fù)洹⒄Z義和外觀信息。其中，建筑物專題模型是CityGML中最詳細(xì)的主題模型之一，它可以從5個(gè)不同尺度下對建筑物的專題與空間信息進(jìn)行表達(dá)，既能表達(dá)建筑物外部的空間形態(tài)，也能明確表達(dá)建筑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)劃分，并且對于建筑物內(nèi)部的語義對象，如門、窗及內(nèi)部設(shè)施等，都能進(jìn)行統(tǒng)一的建模管理，完全滿足采光權(quán)空間表達(dá)與管理的要求。對于特定的應(yīng)用領(lǐng)域，CityGML提供了一種統(tǒng)一的擴(kuò)展機(jī)制ADE[19]。CityGML可以結(jié)合ADE來對特定領(lǐng)域的專題要素?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行補(bǔ)充與完善。

目前，用ADE擴(kuò)展CityGML來整合法律與物理對象的工作也已逐步展開，力求在虛擬三維城市和地籍模型中整合法律和物理對象能使它們在不同應(yīng)用領(lǐng)域的適用性和靈活性最大化。開發(fā)了一個(gè)CityGML-ADE擴(kuò)展用于支持土耳其不動(dòng)產(chǎn)稅制度。Gozdz[21]通過引入CityGML-LADM ADE模型研究了把CityGML應(yīng)用到三維地籍目的中的可能性。吳金迪[22]等人也結(jié)合LADM和CityGML實(shí)現(xiàn)了公寓產(chǎn)權(quán)結(jié)構(gòu)的精細(xì)化描述。綜上，通過ADE機(jī)制對CityGML進(jìn)行專題擴(kuò)展的研究已經(jīng)具備一定的基礎(chǔ)，為本文構(gòu)建表達(dá)采光權(quán)時(shí)空模型提供了技術(shù)指導(dǎo)。

2.2 采光權(quán)空間模型

當(dāng)前CityGML模型中不具備表達(dá)采光權(quán)的類，為了描述建筑物采光的空間結(jié)構(gòu)及相關(guān)的法律屬性，本文所構(gòu)建的采光權(quán)模型如圖2所示。

圖2 描述采光權(quán)結(jié)構(gòu)的類圖Fig.2 The UML diagram describing the structure of lighting rights

該模型由兩部分組成：

1）物理數(shù)據(jù)：物理數(shù)據(jù)是包括模型建筑物輪廓在內(nèi)的物理元素的邊界。也包括一些包含具體語義的物理實(shí)體，如窗戶、房間等。它們的準(zhǔn)確性與詳細(xì)度直接關(guān)系到日照時(shí)間計(jì)算的精度。圖2中綠色部分是CityGML中已有的物理實(shí)體類。

2）法律數(shù)據(jù)：法律數(shù)據(jù)應(yīng)包含區(qū)域的所有權(quán)及其空間結(jié)構(gòu)。如房產(chǎn)單元及采光權(quán)的法律屬性與空間結(jié)構(gòu)。表2詳細(xì)介紹了模型中包含的法律數(shù)據(jù)類型。

表2 法律數(shù)據(jù)Tab.2 The legal data

3 采光權(quán)計(jì)算方法

《城市居民住宅區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》中給出了住宅單元最低日照時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》中補(bǔ)充說明：“每套居室至少應(yīng)有一個(gè)居住空間能獲得冬季日照，且獲得日照要求的居住空間，其日照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求?！逼渲校@里的居住空間是臥室、起居室的總稱。

綜上可知，已有的標(biāo)準(zhǔn)中對住宅單元日照時(shí)數(shù)提出了具體的要求，但并未給出住宅單元內(nèi)部窗體日照時(shí)間不一致時(shí)的計(jì)算方法。對于一套住宅單元，我們可根據(jù)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)特征，劃分為不同的尺度。描述住宅單元內(nèi)部尺度空間由小到大依次為窗戶、房間和整套住宅。因此，我們將在以上3個(gè)尺度下，結(jié)合已有標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行日照時(shí)間的計(jì)算，并分別提出基于窗戶的日照時(shí)間計(jì)算方法、基于房間的日照時(shí)間計(jì)算方法和基于整套住宅的日照時(shí)間計(jì)算方法。通過對比不同尺度下的日照時(shí)間計(jì)算結(jié)果，為日照標(biāo)準(zhǔn)中日照時(shí)間計(jì)算方法的確立提供一定的參考。

3.1 基于窗戶的日照時(shí)間計(jì)算

基于窗戶的日照時(shí)間計(jì)算步驟如下：

1）記錄住宅單元中所有從屬于居住空間的窗體；

2）使用采光分析軟件，分別計(jì)算在日照標(biāo)準(zhǔn)日的有效日照時(shí)間內(nèi)，每扇窗體的有效日照時(shí)間段及日照時(shí)間總和；

3）對所有從屬于居住空間的窗體日照時(shí)間取最大，作為該住宅單元的參考日照時(shí)數(shù)。

3.2 基于房間的日照時(shí)間計(jì)算

基于房間的日照時(shí)間計(jì)算步驟如下：

1）記錄住宅單元屬于居住空間的房間劃分，并建立房間與其從屬窗體的對應(yīng)關(guān)系；

2）使用采光分析軟件，分別計(jì)算在日照標(biāo)準(zhǔn)日的有效日照時(shí)間內(nèi)，每扇的窗體的有效日照時(shí)間段；

3）以房間為單位，求一個(gè)房間包含的所有窗體的日照時(shí)間段的并集，然后以并集所代表的日照時(shí)間段作為該房間的日照時(shí)間段，并計(jì)算各個(gè)房間的日照時(shí)間；

4）對所有房間的日照時(shí)間取最大，作為該住宅單元的參考日照時(shí)數(shù)。

3.3 基于整套住宅單元的日照時(shí)間計(jì)算

基于整套住宅單元的日照時(shí)間計(jì)算步驟如下：

1）記錄住宅單元中所有從屬于居住空間的窗體；

2）使用日照分析軟件，分別計(jì)算在日照標(biāo)準(zhǔn)日的有效日照時(shí)間內(nèi)，每扇窗體的有效日照時(shí)間段；

3）以整套住宅為單位，取所有從屬于居住空間的窗體的日照時(shí)間段的并集，然后以并集所代表的日照時(shí)間段作為該住宅的日照時(shí)間段，并計(jì)算對應(yīng)的日照時(shí)數(shù)作為該住宅單元的參考日照時(shí)數(shù)。

4 案例分析

4.1 數(shù)據(jù)簡介

為了對提出的模型及方法進(jìn)行驗(yàn)證，我們選取以某密集住宅區(qū)為例進(jìn)行分析。該建筑群既包括點(diǎn)式建筑又包括條式建筑。樣例數(shù)據(jù)如圖3所示，圖中所有的建筑物都為正南朝向。該樣例數(shù)據(jù)包含建筑物的外部輪廓信息及內(nèi)部結(jié)構(gòu)。本文研究的目標(biāo)建筑物為一棟九層樓的住宅建筑。受正南向其他建筑物的影響，目標(biāo)建筑物一樓西側(cè)住宅單元的不同窗戶存在日照時(shí)間不一致的現(xiàn)象。下面我們將重點(diǎn)對該住宅單元進(jìn)行采光權(quán)分析。同時(shí)，根據(jù)《城市居民住宅區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》，北京市屬于Ⅱ類氣候區(qū)，其日照標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足在大寒日當(dāng)天，該住宅單元從早上8點(diǎn)到下午4點(diǎn)的累積日照時(shí)間不得低于2 h。

圖3 樣例數(shù)據(jù)Fig.3 The sample data

4.2 方法流程及結(jié)果

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理流程如圖4所示。

圖4 方法流程圖Fig.4 The processing fl ow

1）在采光分析軟件Ecotect中打開數(shù)據(jù)，并導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)集合。

2）對已有的三維模型進(jìn)行日照分析，記錄每扇窗戶的采光權(quán)相關(guān)屬性。

3）在FME中將原始的建筑物數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為GML格式，并對模型的幾何及語義信息進(jìn)行重組，生成CityGML實(shí)例文件。依據(jù)上文中建立的采光權(quán)CityGML-LADM ADE文件和描述公寓產(chǎn)權(quán)結(jié)構(gòu)的ADE文件對實(shí)例文件進(jìn)行驗(yàn)證。

4）借助可視化軟件FME Data Inspector對生成的CityGML實(shí)例文件進(jìn)行可視化并查看其屬性。

模型構(gòu)建完成之后，得到的該住宅單元內(nèi)部的日照狀況，見表3。

表3 住宅單元日照時(shí)間表Tab.3 The sunshine schedule of the residential unit

1）由基于窗戶的日照時(shí)間計(jì)算方法可得：

①在該住宅單元的所有窗戶中，窗戶B對應(yīng)的為衛(wèi)生間，不屬于居住空間，因此，B窗戶不參與計(jì)算。只考慮窗戶A、C、D三扇窗戶的日照時(shí)間。

②對A、C、D三扇窗戶的日照時(shí)間取最大，得到窗戶D的日照時(shí)間1 h 45 min為該住宅單元的日照時(shí)數(shù)，該住宅單元日照時(shí)間不滿足日照標(biāo)準(zhǔn)的要求，存在采光權(quán)侵犯。

2）由基于房間的日照分析計(jì)算方法可得：

①同樣對窗戶所屬的居住空間進(jìn)行分析，排除窗戶B，考慮A、C、D三扇窗戶的日照時(shí)間。

②由于A，D兩扇窗戶從屬于同一居住空間，因此對兩者的日照時(shí)間取并集，得到臥室1的日照時(shí)間應(yīng)該為8:50～9:30，11:25～11:50，15:00～16:00。即該居住空間（臥室1）的日照時(shí)數(shù)應(yīng)為2 h。

③比較臥室1和臥室2兩個(gè)居住空間的日照時(shí)間，分別為2 h和1 h 45 min，取大即2h作為該住宅單元的日照時(shí)數(shù)。該住宅單元日照時(shí)數(shù)滿足日照標(biāo)準(zhǔn)的要求。

3）由基于整套住宅單元的日照時(shí)間計(jì)算方法可得：

①同樣對窗戶所屬的居住空間進(jìn)行分析，排除窗戶B，考慮A、C、D三扇窗戶的日照時(shí)間。

②對所有從屬于居住空間的窗戶日照時(shí)間取并集，即對A、C、D三扇窗戶的日照時(shí)間段取并集，得到該住宅單元對應(yīng)的日照時(shí)間段應(yīng)為8:50～9:50，11:25～11:50，11:55～12:50，15:00～16:00。即該住宅單元的參考日照時(shí)數(shù)為3 h20 min。該住宅單元日照時(shí)數(shù)滿足日照標(biāo)準(zhǔn)的要求。

4.3 結(jié)果分析

對比以上結(jié)果可知，3種計(jì)算方法所得到的住宅單元日照時(shí)數(shù)有顯著差異，且都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)：

基于窗戶的日照時(shí)間計(jì)算方法要求至少有一扇窗戶的日照時(shí)間達(dá)到2 h，該方法對于日照時(shí)間的要求更加嚴(yán)格，更能有效地保障住宅單元的采光時(shí)長從而有利于提高居民的生活質(zhì)量。

基于房間的日照時(shí)間計(jì)算方法則只要求至少一個(gè)房間的日照時(shí)間達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)日照時(shí)間即可。該方法為建筑的設(shè)計(jì)提供了更大的靈活性，開發(fā)商可以通過改變建筑結(jié)構(gòu)或布局來在有限的土地資源下盡可能地保證住宅單元的日照時(shí)間滿足最低標(biāo)準(zhǔn)。

基于整套住宅單元的日照分析計(jì)算方法則以住宅單元為一個(gè)整體，只要整體內(nèi)有居住空間接收到日照，則將其計(jì)入日照時(shí)間段，即得到的日照時(shí)數(shù)總體上會(huì)大于前兩種方法，使用該方法計(jì)算的住宅單元更容易達(dá)到采光標(biāo)準(zhǔn)。但該方法最大的缺點(diǎn)就是無法保障單一居室的日照時(shí)間，因而在保障居民采光權(quán)上效力最弱。

5 結(jié)束語

法律標(biāo)準(zhǔn)描述上的原則性與模糊性導(dǎo)致了采光權(quán)的空間表達(dá)及計(jì)算方法的不確定性。為了消除這一不確定性所帶來的采光權(quán)管理問題，本文分別從時(shí)間及空間的角度對采光權(quán)表達(dá)方式進(jìn)行了探討，提供了一個(gè)完整描述采光權(quán)的時(shí)空范圍的技術(shù)方案，具體如下：

通過建立采光權(quán)三維數(shù)據(jù)模型解決了采光權(quán)空間表達(dá)上的不確定性。模型中包括的采光相關(guān)的法律及物理數(shù)據(jù)，描述了住宅單元采光權(quán)的空間結(jié)構(gòu)及相關(guān)的法律屬性。此外，該模型是使用CityGML的ADEs機(jī)制在已有的產(chǎn)權(quán)數(shù)據(jù)模型基礎(chǔ)上擴(kuò)展所得，能廣泛適用于產(chǎn)權(quán)管理及三維地籍系統(tǒng)。對于采光權(quán)相關(guān)日照時(shí)間計(jì)算方法上的不確定性，本文在當(dāng)前的法律法規(guī)體系下，以住宅空間的物理結(jié)構(gòu)為劃分單元，提出了基于窗戶、基于房間和基于整套單元的日照時(shí)間計(jì)算方法，并給出了3種計(jì)算方法的具體步驟。

還通過一個(gè)案例驗(yàn)證了模型的有效性及計(jì)算方法的實(shí)用性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，提出的模型可以有效支持采光權(quán)的時(shí)空表達(dá)。但對于日照時(shí)間計(jì)算方面，不同的計(jì)算方法所得到的結(jié)果存在較大差異。合理科學(xué)的日照時(shí)間計(jì)算方法對于住宅單元的采光權(quán)評(píng)估至關(guān)重要。本文對已有的結(jié)果進(jìn)行分析與比較，指出了各方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為進(jìn)一步完善建筑日照時(shí)空表達(dá)和產(chǎn)權(quán)管理提供了一些參考。

研究尚有許多不足之處。鑒于數(shù)據(jù)的可信度和可獲得性，本文只在中國法律體系下，用一個(gè)簡單住宅建筑物對該模型及計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)結(jié)果的代表性及該模型對于復(fù)雜多功能建筑結(jié)構(gòu)的適用性還有待未來的研究中進(jìn)一步驗(yàn)證。