王會(huì)一 姜 立

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部，北京100013)

1 前言

目前，隨著國(guó)內(nèi)商品住宅的發(fā)展，建設(shè)用地日趨緊張，高層住宅不斷涌現(xiàn)，某些地區(qū)甚至出現(xiàn)了超高層住宅。人們對(duì)居住環(huán)境的要求不斷提高，尤其是日照采光權(quán)的糾紛問(wèn)題，已成為目前住宅業(yè)主民事訴訟的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)專門(mén)針對(duì)日照分析的《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》已經(jīng)編制并處于報(bào)批階段，相信不久就會(huì)正式執(zhí)行，各個(gè)地方都在不斷出臺(tái)有關(guān)日照分析的技術(shù)規(guī)程，國(guó)內(nèi)日照分析軟件在建筑日照分析中迅速得到了廣泛的應(yīng)用。除了提供日照時(shí)數(shù)達(dá)標(biāo)驗(yàn)算外，國(guó)內(nèi)日照分析軟件普遍提供了較為豐富的日照輔助分析工具，部分軟件進(jìn)一步提供了較為先進(jìn)的智能體量容積輔助計(jì)算分析工具用于建筑方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

隨著規(guī)劃部門(mén)的嚴(yán)格管理，設(shè)計(jì)人員的日照分析的意識(shí)加強(qiáng)，日照軟件功能的完善，更多的設(shè)計(jì)人員從日照分析主要做為設(shè)計(jì)人員后期驗(yàn)算日照時(shí)間的工具，用于規(guī)劃報(bào)批，逐步提升為使用日照分析軟件做為方案優(yōu)化和調(diào)整的工具，主動(dòng)地參與到日照分析優(yōu)化工作中來(lái)。

日照方案優(yōu)化是近幾年來(lái)設(shè)計(jì)師非常關(guān)心的話題，本文結(jié)合筆者的理論研究和實(shí)際工作，總結(jié)了日照方案優(yōu)化中使用的幾種日照分析工具，探討了改善現(xiàn)有日照方案優(yōu)化工作中的幾個(gè)解決思路。

2 日照方案優(yōu)化中的工具

使用工具對(duì)方案針對(duì)日照情況進(jìn)行優(yōu)化，要做到有的放矢，就必須先掌握住宅獲取日照的原理。目前住宅獲取日照的方式，也就是陽(yáng)光照射到建筑物外圍護(hù)結(jié)果的通道有兩種方式，即高度通道和方位通道。

高度通道一般是指通過(guò)建筑物的上方光線直接照射到被遮擋建筑物的計(jì)算基準(zhǔn)面的，一般為底層窗臺(tái)的位置。通過(guò)高度通道方式獲取日照一般多見(jiàn)于低層和多層建筑物，建筑單體形式多為條式建筑物，小區(qū)整體布局也比較規(guī)則，遮擋形式比較簡(jiǎn)單。通過(guò)高度通道日照情況的特點(diǎn)是比較明顯的，一般日照時(shí)段是連續(xù)的，多接近于正午時(shí)段，這個(gè)時(shí)段日照光線強(qiáng)，日照質(zhì)量最好，也利于節(jié)能保溫等。國(guó)內(nèi)的日照間距系數(shù)中的日照間距的的計(jì)算原理就是基于高度通道的方式計(jì)算的，認(rèn)為光線從遮擋建筑物的上方照射到被遮擋建筑物的底層窗臺(tái)下沿。

方位通道如圖1所示，一般是光線通過(guò)前方遮擋建筑物的縫隙或者兩側(cè)直接照射到被遮擋建筑物的計(jì)算基準(zhǔn)面的。和高度通道不同，方位通道方式獲取日照一般多見(jiàn)于高層建筑物，一般建筑物的整體布局也比較靈活，如建筑物整體布局為混合式、自由式布置，前方遮擋建筑物遮擋形式也比較復(fù)雜，一般多是疊加遮擋互相影響?？梢钥吹椒轿煌ǖ廊照涨闆r的特點(diǎn)也是比較明顯的，日照時(shí)段一般是不連續(xù)的，至少有兩個(gè)時(shí)段，或更多日照時(shí)段，很多情況下方案調(diào)整盡量利用調(diào)整建筑物的朝向來(lái)獲取偏東西向的日照時(shí)間。雖然有時(shí)候利用方位通道更容易日照時(shí)數(shù)“達(dá)標(biāo)”，但是也要充分認(rèn)識(shí)到，和高度通道相比，這種日照通道方式下，同樣的日照時(shí)間，日照質(zhì)量相對(duì)比較差，尤其是東西向建筑，多有接近早晚的日照時(shí)段，光線和窗的夾角即掃掠角比較小，容易出現(xiàn)陽(yáng)光“擦窗而過(guò)”，光線很難照射到室內(nèi)的問(wèn)題。目前很多地方對(duì)方位通道獲取日照的方式進(jìn)行了限制，如上海使用建筑朝向表，北京、大連等地使用“掃掠角”限制東西向建筑的日照時(shí)間統(tǒng)計(jì)，對(duì)于光線和窗口夾角較小的時(shí)段，忽略日照時(shí)間。

也可以看到，高度通道和方位通道會(huì)隨著遮擋建筑物的高度和面寬發(fā)生變化。

圖1 方位通道獲取日照時(shí)段

2.1 手工輔助工具

日照方案優(yōu)化中，手工輔助工具一直發(fā)揮著重要的作用，也被很多設(shè)計(jì)師靈活使用，尤其在局部方案調(diào)整中使用更為廣泛。明前使用比較多的工具為點(diǎn)日照光線圓錐和窗日照光線圓錐工具。應(yīng)用這些工具，可以直觀觀察某一個(gè)采樣點(diǎn)或者窗位在分析日期有效日照時(shí)間帶內(nèi)的日照遮擋情況。

應(yīng)用光線圓錐工具，設(shè)計(jì)師可以直觀地通過(guò)不同的光線顏色判斷出哪個(gè)時(shí)段被遮擋，哪個(gè)時(shí)段沒(méi)有被遮擋，通過(guò)判斷光線和遮擋建筑物的相交位置，還可以推算出遮擋建筑物的遮擋高度，還可以借助此工具，調(diào)整客體建筑物的朝向，充分利用前方遮擋建筑物的空隙，增加日照時(shí)段長(zhǎng)度。

隨著應(yīng)用工具的發(fā)展，目前窗日照光線工具衍生出很多其它分析工具，如建設(shè)前后窗日照分析工具，這個(gè)工具可以直觀地區(qū)分出建設(shè)前、后對(duì)被遮擋的日照時(shí)段遮擋造成的結(jié)果，如圖2所示，紅色代表建設(shè)前遮擋的時(shí)段，黃色光線代表建設(shè)后的遮擋時(shí)段，使用不同顏色光線對(duì)于區(qū)分自身遮擋、建設(shè)前和建設(shè)后遮擋，在目前住宅自身遮擋越來(lái)越嚴(yán)重的情況下理清遮擋關(guān)系有著重要的作用和意義。

手工輔助工具使用起來(lái)靈活方便，便于規(guī)劃設(shè)計(jì)師掌握使用，尤其在方案局部調(diào)整、后期調(diào)整時(shí)候作用很大。日照方案的后期調(diào)整，很多時(shí)候都是局部戶型不達(dá)標(biāo)造成的，可以通過(guò)這些手動(dòng)工具，借助建筑師的分析經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)行快速的方案調(diào)整和優(yōu)化。

2.2 自動(dòng)輔助工具

隨著計(jì)算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的發(fā)展，日照軟件的計(jì)算能力越來(lái)越強(qiáng)，很多重復(fù)性、規(guī)律性比較明顯的調(diào)整和驗(yàn)算可以通過(guò)軟件自動(dòng)完成。比如需要推算前方遮擋建筑物的最大高度，設(shè)計(jì)師可以通過(guò)手工反復(fù)驗(yàn)算的方式進(jìn)行推算，但相對(duì)來(lái)說(shuō)，周期相對(duì)較長(zhǎng)，計(jì)算結(jié)果精度不會(huì)太高。但使用推算建筑物最大高度工具，如圖2所示情況，只要設(shè)置好相關(guān)計(jì)算控制參數(shù)，如控制達(dá)標(biāo)窗和相關(guān)計(jì)算參數(shù)后，軟件會(huì)自動(dòng)的計(jì)算出滿足后方控制窗日照達(dá)標(biāo)情況下的建筑物的最大高度，計(jì)算速度快，計(jì)算精度高，可以在幾分鐘內(nèi)就推算到毫米精度的最大擬建高度。

這種自動(dòng)化的輔助工具種類比較多，實(shí)用性也相對(duì)較強(qiáng)，除了推算建筑物最大高度，還有推算建筑物最佳朝向，建筑物最佳位置等其它同類性質(zhì)的自動(dòng)化輔助方案優(yōu)化工具。顯然這類工具大都具有一定的使用約束條件，適應(yīng)于于一些相對(duì)控制條件簡(jiǎn)單的推算，適合代替繁瑣的手工簡(jiǎn)單調(diào)整推算工作。

2.3 采用遺傳算法的極限容積計(jì)算

圖2 建設(shè)前后窗日照光線分析

圖3 自動(dòng)推算建筑物高度

圖4 極限容積工程實(shí)例

一定容積率下，給定地塊的建筑方案設(shè)計(jì)是有無(wú)窮解的，如何從日照角度找出容積最大的建筑體量，是極限容積計(jì)算專門(mén)解決的問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)日照分析軟件多數(shù)提供了極限容積計(jì)算功能，內(nèi)部原理是采用遺傳算法，簡(jiǎn)單說(shuō)遺傳算法就是一種在無(wú)窮多解中快速的找出最優(yōu)解的查找算法，該算法相對(duì)成熟，有理論依據(jù)。目前國(guó)內(nèi)計(jì)算方式都是在給定地塊內(nèi)計(jì)算單體或者群體的最大極限容積，目前該功能雖然在國(guó)內(nèi)日照軟件中比較普及，但是實(shí)用程度相對(duì)較差，約束條件多，一般比較適合用于早期的地塊體量推敲和初步方案設(shè)計(jì)階段，后期設(shè)計(jì)師還要做很多手工調(diào)整和優(yōu)化。

3 日照方案優(yōu)化調(diào)整中的思路

3.1 研究建筑單體日照特點(diǎn)

建筑單體形式越來(lái)越復(fù)雜，但是可以通過(guò)研究簡(jiǎn)單的建筑單體的基本日照特點(diǎn)，先掌握單體日照影響規(guī)律，進(jìn)而研究復(fù)雜的組合單體、群體日照影響規(guī)律。筆者認(rèn)為，只有在清楚了建筑單體的日照遮蔽規(guī)律后，才可以研究復(fù)雜的群體疊加下的日照影響規(guī)律，而且確實(shí)是有一定規(guī)律可循的。

單體的日照影響區(qū)域分為兩個(gè)范圍，一個(gè)為日照不達(dá)標(biāo)區(qū)域，也就是日照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)數(shù)等照時(shí)線圍合成的區(qū)域，也被稱為“全日陰影區(qū)”，這個(gè)區(qū)域內(nèi)是不能布置有日照要求的建筑物的。對(duì)于板式建筑，一般為一個(gè)梯形區(qū)域，對(duì)于塔式建筑，一般為三角形區(qū)域。這個(gè)區(qū)域和建筑單體平面形式、高度、朝向等因素有關(guān)。在這個(gè)區(qū)域內(nèi)是布置客體建筑物，日照肯定是無(wú)法滿足規(guī)范要求的時(shí)數(shù)的。一般來(lái)說(shuō)這個(gè)區(qū)域越小越好，也是單體要重點(diǎn)研究掌握的區(qū)域。

另外一個(gè)是建筑物的影響范圍區(qū)域，有的地區(qū)按照真實(shí)陰影范圍計(jì)算，如杭州，有些地區(qū)按照客體范圍來(lái)進(jìn)行評(píng)估計(jì)算，如上海、天津地區(qū)。一般來(lái)說(shuō)，在這個(gè)范圍內(nèi)，或多或少都會(huì)對(duì)范圍內(nèi)的客體建筑日照情況產(chǎn)生影響。在實(shí)際日照分析時(shí)候，尤其要注意對(duì)東西向建筑物的影響，容易造成現(xiàn)有建筑物日照標(biāo)準(zhǔn)降低和惡化情況，如圖5所示。

圖5 建筑單體遮擋范圍

對(duì)建筑單體的日照影響，很重要一部分來(lái)源是建筑自身遮擋造成的。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)單體建筑形式越來(lái)越復(fù)雜，立面形式也越來(lái)越豐富，圍合式轉(zhuǎn)角樓也越來(lái)越常見(jiàn)。在一梯多戶的塔樓單元中，尤其要注意東向、西向單元造成的自身遮擋問(wèn)題，同時(shí)要對(duì)套型中的小戶型的日照情況進(jìn)行足夠的關(guān)注，在設(shè)計(jì)中，小戶型經(jīng)常被安排在日照較為不利的朝向上，居室數(shù)量少，日照相對(duì)更難達(dá)標(biāo)。

3.2 研究典型規(guī)劃布局的日照特點(diǎn)

圖6 行列式東西向錯(cuò)位布局

規(guī)劃設(shè)計(jì)中的建筑小區(qū)布局形式靈活多變，設(shè)計(jì)形式越來(lái)越豐富，除了傳統(tǒng)的行列式布局外，比較常見(jiàn)的還有周邊式、混合式和自由式布局等。比如周邊圍合式布局可以提高小區(qū)組團(tuán)，增強(qiáng)庭院效果，有的自由式布局可更好的適應(yīng)周圍環(huán)境和景觀。混合式兼有行列式和周邊式特點(diǎn)等。

雖然各種布局形式有很多種變化形式，但是其日照影響的基本特征是有一定規(guī)律的。研究各種布局及其變化形式的日照特點(diǎn)，對(duì)方案優(yōu)化工作有很好的指導(dǎo)意義。下面以常見(jiàn)的行列式和周邊式布局為例進(jìn)行分析。

如圖6的行列式布局，進(jìn)行東西錯(cuò)位式變化后，可以明顯的增加北側(cè)居中窗口的日照時(shí)間，中間窗口的采光形式也發(fā)生變化，由方位通道變?yōu)楦叨韧ǖ阔@取日照，日照時(shí)間變?yōu)榻咏绲倪B續(xù)日照時(shí)間，對(duì)于上海等地區(qū)要求連續(xù)日照時(shí)間的地方規(guī)范要求是非常有利的。

也可以看到有些行列式有其它的變化形式，如南北錯(cuò)位式布局，整體調(diào)整建筑物朝向等方式，上述幾種變化形式對(duì)改善整體日照效果是非常明顯的。以天津市項(xiàng)目為例，行列式布局改為東西錯(cuò)位式布局并整體旋轉(zhuǎn)建筑物朝向?yàn)槟掀珫|15°后，可以將日照時(shí)間從55分鐘提高到4個(gè)小時(shí)以上。

圖7 行列式整體偏轉(zhuǎn)朝向

對(duì)于圍合式布局，為了提高容積率和庭院效果，也是現(xiàn)在常見(jiàn)的一種布局形式，我們也不難看到相當(dāng)多朝向不好或者拐角位置的房間得不到良好的日照，對(duì)自然通風(fēng)也不利。轉(zhuǎn)角自身陰影遮擋是無(wú)法克服的日照缺陷。陰影角設(shè)計(jì)成小戶型、輔助房間或者局部架空，避免居住空間設(shè)計(jì)在日照不達(dá)標(biāo)區(qū)域。減少東西向的圍合，即使圍合，層數(shù)也不應(yīng)太高，東西向盡可能通透，增加方位通道的日照，圍合處的建筑最好能夠架空幾層等設(shè)計(jì)手段。

3.3 早期引入日照計(jì)算，避免后期驗(yàn)算反復(fù)調(diào)整

相當(dāng)一段時(shí)間，國(guó)內(nèi)建筑設(shè)計(jì)院內(nèi)專職做日照分析的人員和團(tuán)隊(duì)很少，多是由其它設(shè)計(jì)人員兼任的，有的設(shè)計(jì)人員一年內(nèi)接觸的日照工程很少，各地規(guī)劃設(shè)計(jì)部門(mén)主要做當(dāng)?shù)匾?guī)劃審批工作，掌握的分析方法局限于當(dāng)?shù)匾?guī)劃部門(mén)的要求幾種方式，如平面等時(shí)線等。除了一些日照分析推廣較早的城市和地區(qū)外，很多地方日照分析相對(duì)起步較晚，有相當(dāng)一部分地區(qū)當(dāng)?shù)貨](méi)有日照規(guī)范，日照分析水平參差不齊。很多設(shè)計(jì)人員前期日照分析投入不夠，而是到了詳細(xì)設(shè)計(jì)或者報(bào)批階段時(shí)候，才進(jìn)行正式的日照分析評(píng)估計(jì)算，這樣造成的問(wèn)題就是，日照的調(diào)整越到后期，調(diào)整起來(lái)越困難。早期可以對(duì)整體規(guī)劃布局、建筑單體形式、戶型等很多方面進(jìn)行優(yōu)化，后期調(diào)整的手段就非常有限，只能通過(guò)整體或局部降低建筑物高度、調(diào)整單體建筑物朝向等手段進(jìn)行局部調(diào)整，或者通過(guò)其它手段，如改變房間功能修改底層住宅為商業(yè)用房等手段。經(jīng)常碰到很多項(xiàng)目因?yàn)槿照諉?wèn)題被迫進(jìn)行大的調(diào)整而改變方案設(shè)計(jì)初衷的例子。

筆者認(rèn)為，日照分析越早引入，對(duì)方案的指導(dǎo)意義越大，從最早的整體項(xiàng)目規(guī)劃階段，到最終的施工圖階段，日照分析應(yīng)該是一個(gè)主動(dòng)積極參與的過(guò)程，而不是一個(gè)被動(dòng)驗(yàn)算的工作，設(shè)計(jì)師不再到了項(xiàng)目后期去想盡辦法“湊夠”日照要求的最低日照標(biāo)準(zhǔn)時(shí)數(shù)。

在整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行中，日照分析的工作也是不一樣的，比如項(xiàng)目前期，可以借助極限容積分析工具，對(duì)地塊上的建筑物單體和群體體量進(jìn)行推算，群體布置后可以結(jié)合平面等時(shí)線分析整體掌握項(xiàng)目?jī)?nèi)的日照情況并進(jìn)行控制和優(yōu)化，到了施工圖后期階段，可以采用較為精細(xì)的立面等時(shí)線分析、窗日照分析等手段，統(tǒng)計(jì)到戶分析日照達(dá)標(biāo)情況。

我們也可以看到，日照介入項(xiàng)目較晚有很多原因，除了缺乏專業(yè)的日照人員外，目前日照分析工作量大，分析周期長(zhǎng)也是一個(gè)客觀原因。目前國(guó)內(nèi)日照分析軟件普遍計(jì)算速度較慢，當(dāng)分析規(guī)模較大，分析精度如時(shí)間步長(zhǎng)較小的時(shí)候，每次常用的分析以平面等時(shí)線為例，需要幾十分鐘才能完成一次計(jì)算，新的《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(報(bào)批稿)中對(duì)于時(shí)間間隔的要求為不宜大于1分鐘，高精度下很多軟件計(jì)算速度很慢，方案一般都需要幾十次以上的調(diào)整計(jì)算，如圖8所示，日照方案優(yōu)化對(duì)設(shè)計(jì)師來(lái)說(shuō)是一個(gè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力的工作。

目前國(guó)內(nèi)日照軟件不斷改善性能，提高運(yùn)算速度，如中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM SUNLIGHT三維日照分析軟件的核心計(jì)算速度已遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先于國(guó)內(nèi)同類軟件，日照常用分析命令如線上點(diǎn)日照分析、窗日照分析和坡地等時(shí)線等都已經(jīng)采用該核心加速算法，參與遮擋建筑物數(shù)量越多，計(jì)算精度越高越能體現(xiàn)出該算法速度的巨大優(yōu)越性，分析計(jì)算時(shí)間都能控制在幾分鐘內(nèi)完成，大大節(jié)省了用戶日照分析所用時(shí)間，對(duì)于分析時(shí)間較長(zhǎng)的命令如平面等時(shí)線、全天陰影輪廓等讓用戶徹底告別了一次大容量分析計(jì)算需要等待幾十分鐘甚至幾個(gè)小時(shí)的漫長(zhǎng)過(guò)程，大大縮短了建筑方案設(shè)計(jì)周期，并且能夠勝任完成數(shù)十萬(wàn)個(gè)三角面片遮擋規(guī)模日照分析模型的計(jì)算，對(duì)提高日照方案優(yōu)化有著重要的意義。

圖8 日照方案的多次優(yōu)化調(diào)整

[1]三維日照分析軟件 SUNLIGHT用戶手冊(cè).中國(guó)建筑科學(xué)研究院PKPM CAD工程部

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[12]建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)(報(bào)批稿)