王會一 姜 立 張志遠(yuǎn) 張 雷

(中國建筑科學(xué)研究院PKPM設(shè)計(jì)軟件事業(yè)部，北京100013)

1 前言

目前，隨著國內(nèi)商品住宅的發(fā)展，城市住宅用地日趨緊張，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)的糾紛問題，成為目前住宅業(yè)主民事訴訟的一個熱點(diǎn)問題。各個地方都在不斷出臺有關(guān)日照分析的技術(shù)規(guī)程，國內(nèi)日照分析軟件在建筑日照分析中迅速推廣，得到了廣泛的應(yīng)用。除了提供日照時數(shù)達(dá)標(biāo)驗(yàn)算外，國內(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)。

早在上個世紀(jì)八十年代國內(nèi)日照計(jì)算就已經(jīng)應(yīng)用日照間距系數(shù)的方式進(jìn)行手工估算，使用計(jì)算機(jī)精確逐點(diǎn)分析計(jì)算在本世紀(jì)初也已經(jīng)逐漸普及開來并得到廣泛應(yīng)用，越來越多的規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)人員開始重視并參與日照分析計(jì)算。但是，我們也應(yīng)看到，日照分析目前還存在諸多問題，其中一個突出問題就是我國目前為止還沒有正式頒布實(shí)施專門針對日照分析的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行日照分析依據(jù)的條文多來自于規(guī)劃和建筑設(shè)計(jì)類標(biāo)準(zhǔn)，其中國家標(biāo)準(zhǔn)中關(guān)于日照計(jì)算相關(guān)的規(guī)范條文過于籠統(tǒng)，很難適應(yīng)各地具體情況，各個地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范又很多，日照分析參數(shù)設(shè)置、建模方法、分析方法又不統(tǒng)一，造成了日照分析管理日常工作的很多實(shí)際困難。

目前國內(nèi)專門針對日照分析的《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，相信不久就會正式執(zhí)行，該標(biāo)準(zhǔn)除了計(jì)算參數(shù)外，還針對性地涉及到和日照相關(guān)的多方面內(nèi)容，比如數(shù)據(jù)要求、建模要求、計(jì)算方法和計(jì)算結(jié)果誤差的條文。提前學(xué)習(xí)《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對日照分析實(shí)際工作具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義。本文結(jié)合該標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)條文，對日照設(shè)計(jì)人員關(guān)心的日照計(jì)算參數(shù)、日照建模等幾個問題結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)條文進(jìn)行解析并進(jìn)行討論。

2 建模要求

日照分析的一個顯著特點(diǎn)是用于日照分析的模型首先都是三維模型，設(shè)計(jì)人員必須基于建筑總圖，建筑平面、立面施工圖紙生成用于日照分析的三維模型才能夠進(jìn)行日照分析計(jì)算。目前建筑單體設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜，建筑平面、立面、屋頂?shù)仍煨驮絹碓截S富，如果需要進(jìn)行窗日照表分析，模型還需要布置用于窗分析的窗，在整個日照分析周期中，日照三維建模占有很大一部分的工作量。

日照建模有兩個重要的問題，問題一:日照建模如何整體控制分析模型精細(xì)程度，在不影響分析結(jié)果精度的前提下如何合理簡化，盡量減輕前期三維建模的工作量。問題二:哪些對象要考慮建模參與，如圍墻和地形是否要建模，造成自遮擋的陽臺隔板等是否要建模等問題。

圖1 建筑日照分析模型

目前國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中沒有明確的日照建模的條文要求，各個地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)程對日照建模要求又不盡相同，如轉(zhuǎn)角窗的處理、陽臺自身遮擋的處理，地形和立交橋是否建模等。

在日照分析工作中，各地日照分析模型的精細(xì)程度差異很大，有的只是建立簡單的拉伸體塊使用平面等照時線等方式進(jìn)行日照分析計(jì)算，如圖1左圖所示。有的地方建模細(xì)節(jié)考慮豐富，日照模型和建筑實(shí)際模型非常接近，日照分析模型非常復(fù)雜如圖1右圖所示。

日照分析中窗都按照矩形進(jìn)行簡化處理，不按照實(shí)際窗口形狀建模。以轉(zhuǎn)角窗的建模處理為例，實(shí)際建模中，上海和濟(jì)南的日照計(jì)算基準(zhǔn)面的規(guī)定就不一樣，如圖2左圖所示，上海轉(zhuǎn)角窗建模按照窗洞位置布置窗口，但是要考慮轉(zhuǎn)角窗實(shí)際形體對周邊窗口的遮擋影響。濟(jì)南轉(zhuǎn)角窗建模不按照窗洞位置，而是按照異形窗戶按正向最大投影近似為一般窗戶計(jì)算轉(zhuǎn)角窗日照時間，如圖2右圖所示?！督ㄖ照沼?jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定按照上海等地區(qū)窗洞方式插窗建模。

圖2 日照轉(zhuǎn)角窗建模(左:上海右:濟(jì)南)

對于日照模型精細(xì)度的問題，《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中給出了合理簡化的原則。在日照分析建模工作中，尤其是屋頂一直是分析建模中的難點(diǎn)。屋頂是造成遮擋必須要考慮的一部分因素，大多數(shù)情況下不應(yīng)該忽略不計(jì)，居建、公建的屋頂造型一般都比較復(fù)雜，很難直接用簡單的拉伸體對象直接模擬出來。《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》說明可以使用略大于實(shí)際形體的幾何包絡(luò)體來替代，也可以簡化建模過程和提高工作效率。如圖3所示，住宅的頂層和屋頂是使用一個拉伸包絡(luò)體來代替的，在保證不人為增加實(shí)際日照時間的情況下，大大簡化了建模工作。

圖3 建筑物屋頂?shù)暮喕?/p>

《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對遮擋建筑所建模型原則上應(yīng)完整準(zhǔn)確地反映實(shí)際情況，因此造成遮擋的部分都應(yīng)建模，但為了提高計(jì)算效率，確實(shí)不遮擋其他建筑的部分可以忽略。以圖4為例，遮擋建筑物南側(cè)立面的陽臺等構(gòu)件可以不建模。該規(guī)則很好的兼顧了原則性和靈活性的原則。

圖4 遮擋建筑物南側(cè)立面的簡化建模

《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》明確指出構(gòu)成遮擋的地形指的是山體、擋土墻等。在山地地區(qū)，基地周邊包括小區(qū)內(nèi)的地形都應(yīng)該考慮遮擋影響，如圖5所示。目前國內(nèi)日照部分地區(qū)是要考慮地形的影響的，如大連地區(qū)，部分地區(qū)還沒有考慮基地內(nèi)外地形的遮擋影響。

3 計(jì)算參數(shù)與方法

日照計(jì)算參數(shù)對日照分析結(jié)果影響很大，不同的日照計(jì)算參數(shù)設(shè)置，會造成不同的計(jì)算分析結(jié)果，也是《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中條文重點(diǎn)明確的部分。

目前國內(nèi)日照計(jì)算沒有出臺地方標(biāo)準(zhǔn)，地區(qū)基本使用《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50180-93(2002年版)中對于日照計(jì)算的要求，有地方標(biāo)準(zhǔn)的地區(qū)對日照計(jì)算參數(shù)要求不太一致。地方標(biāo)準(zhǔn)中對計(jì)算參數(shù)的規(guī)定多不一致，即使基本的日照標(biāo)準(zhǔn)日和有效日照時間帶，有地區(qū)為了在國家標(biāo)準(zhǔn)之上提高地方標(biāo)準(zhǔn)，也不盡一樣，如杭州地區(qū)大寒日日照有效時間帶為9:00-15:00，和冬至日日照時間帶一致，除此之外，有幾個參數(shù)的設(shè)置這里也討論一下。

《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》對很多計(jì)算參數(shù)的設(shè)置進(jìn)行了明確的說明，例如明確說明了計(jì)算元年為2001年，以日照計(jì)算最小連續(xù)日照時間為例，要求最小連續(xù)日照時間為5min，最小連續(xù)日照時間目前各地設(shè)置很不統(tǒng)一，有5min，10min，15min等，昆明地區(qū)要求的最小連續(xù)日照時間為60min。

但是也可以看到，標(biāo)準(zhǔn)對最大連續(xù)日照時段沒有涉及，目前國內(nèi)部分地區(qū)對參與日照統(tǒng)計(jì)的最大連續(xù)日照時間也有要求，例如煙臺地方要求時間統(tǒng)計(jì)累計(jì)的日照時段其中必須有一段連續(xù)日照時間，即最長的日照時段時間長度不少于1h。

目前建筑窗日照采光多從遮擋建筑物兩側(cè)縫隙獲取日照時間，某些窗口的日照拆分為多個日照時段，如圖5所示。標(biāo)準(zhǔn)沒有明確說明日照時段的統(tǒng)計(jì)方式，目前各地日照時段的統(tǒng)計(jì)方式有四種方法，默認(rèn)為累計(jì)全部時段為最終的日照時間，如天津、北京等多數(shù)地區(qū)，也有使用連續(xù)日照，取最大日照時段的統(tǒng)計(jì)方式，如上海地區(qū)。部分地區(qū)根據(jù)當(dāng)?shù)厝照諛?biāo)準(zhǔn)時數(shù)要求，如杭州地區(qū)，若日照要求為2h，可由兩個連續(xù)時段累加;日照要求為3h，可由3個連續(xù)時段累加。不同的時段統(tǒng)計(jì)方式對計(jì)算分析結(jié)果影響肯定是很大的，以累積方式統(tǒng)計(jì)最為有利，取連續(xù)日照方式能夠很好地保證日照的質(zhì)量。

圖5 周邊地形建模

圖6 窗有多個日照時段

《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》要求時間間隔不宜大于1min，明顯高于現(xiàn)行很多地方的標(biāo)準(zhǔn)要求，對日照分析軟件計(jì)算速度提出了很高的要求。時間間隔越小，軟件計(jì)算量越大，計(jì)算時間越長，在某些超大規(guī)模的情況下，甚至無法完成計(jì)算。目前國內(nèi)日照分析軟件提速水平很快，以中國建筑科學(xué)研究院PKPM SUNLIGHT三維日照分析軟件為例，該軟件可以在幾分鐘內(nèi)完成時間間隔1min高精度下的大規(guī)模群體日照分析計(jì)算。

為了保證非正南朝向窗口的日照質(zhì)量，《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了要考慮日照掃掠角的要求，目前國內(nèi)日照狀況不達(dá)標(biāo)的情況下，設(shè)計(jì)人員一般不愿意降低建筑高度，而是傾向于調(diào)整建筑朝向等增加有效日照時間。東西向窗口日照時間即使達(dá)標(biāo)，但是朝東西向的建筑會降低日照質(zhì)量，光線和外墻窗夾角太小，會造成光線很難照射到室內(nèi)，增加建筑能耗。雖然建筑日照只要求照射到建筑外墻面，但是保證有效的日照質(zhì)量也是建筑日照要考慮的問題，目前國內(nèi)很多地方規(guī)定了最小太陽掃掠角要求，如北京、天津按照15°，昆明 8°，長春10°，營口 14°等。

值得注意的是目前國內(nèi)如天津等地還規(guī)定了最小太陽高度角的設(shè)置要求，接近日出日落時刻的太陽高度角較小，當(dāng)?shù)卣鐣r刻即真太陽時12點(diǎn)時刻太陽高度角值最大，太陽位置最高，此項(xiàng)設(shè)置也可以忽略掉日期計(jì)算開始和結(jié)束時刻太陽高度角過低的時刻參與最終日照時間統(tǒng)計(jì)。

4 計(jì)算結(jié)果與誤差

《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定日照計(jì)算時間的輸出結(jié)果應(yīng)精確到分鐘。根據(jù)國家工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心對目前日常工作中唯一指定使用的PKPM SUNLIGHT日照軟件進(jìn)行檢測，日照計(jì)算軟件的計(jì)算誤差應(yīng)小于±3.0min。這對日照分析軟件提出了很高的要求，沒有很高的計(jì)算精度和較好的建模精度很難達(dá)到這項(xiàng)要求。

現(xiàn)在設(shè)計(jì)人員比較棘手的問題是經(jīng)常碰到不同日照軟件，不同分析方法之間的計(jì)算結(jié)果不一致的問題。下面簡單討論一下不同軟件之間和不同分析方法之間計(jì)算結(jié)果不一致的原因。目前國內(nèi)日照分析軟件有PKPM SUNLIGHT、天正、眾智、鴻業(yè)、清華大學(xué)、綠建斯維爾、飛時達(dá)等眾多廠商，都有一定的市場占有率。部分設(shè)計(jì)人員還使用其它規(guī)劃軟件中的日照功能進(jìn)行模擬，建筑師還可能使用國外軟件中的日照模擬功能評估日照遮擋影響，如Autodesk Ecotect Analysis等。目前各地一般要求必須使用通過建設(shè)部驗(yàn)收的軟件進(jìn)行日照分析計(jì)算，國內(nèi)多數(shù)軟件分別通過了建設(shè)部驗(yàn)收和國家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的實(shí)驗(yàn)檢測。但是實(shí)際工作中我們可以看到不同軟件之間計(jì)算結(jié)果會存在一定誤差，但是已經(jīng)可以很好地控制到一定范圍之內(nèi)。

《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》還提到了根據(jù)不同分析對象的日照分析方法，需要強(qiáng)調(diào)的是同一個軟件產(chǎn)品不同的計(jì)算方法其計(jì)算結(jié)果也肯定不是完全一樣的。

表1 日照計(jì)算方法

以窗日照分析為例，目前國內(nèi)有兩種窗計(jì)算分析方式，一種以窗臺下沿中心點(diǎn)為計(jì)算位置，如天津地區(qū)窗日照計(jì)算方式，一種以窗臺下沿兩個角點(diǎn)同時照到才計(jì)為有效日照，如圖7所示，如上海地區(qū)窗計(jì)算方式。對于窗臺左右角點(diǎn)同時照到取交集計(jì)為有效日照時間的計(jì)算方式，可以看到，窗戶寬度越大，窗臺AB兩個角點(diǎn)越難同時照到。一般來說滿窗日照時間要小于等于窗臺中心點(diǎn)方式的日照時間。

圖7 滿窗計(jì)算

又以日照掃掠角為例，掃掠角是光線和立面的夾角約束，平面等時線、線上日照(沿線)分析不會考慮立面上掃掠角的影響，如果當(dāng)?shù)赜袙呗咏且?guī)定，則平面等時線和立面等時線、窗的分析結(jié)果可能會不一致。

有效地規(guī)避不同軟件計(jì)算誤差，在分析模型一致的前提下，一定要使用相同的分析參數(shù)，相同的分析方法，才能夠?qū)⑷照沼?jì)算誤差合理控制在《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的范圍內(nèi)。

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

[2]三維日照分析軟件SUNLIGHT操作指南與實(shí)例.中國建筑工業(yè)出版社.2006.03.01

[3]建筑設(shè)計(jì)資料集.北京:中國建筑工業(yè)出版社.1994.06.01

[4]姜立.建筑日照分析原理與計(jì)算方法的研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2009，1(2):63-69.

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

[6]濟(jì)南市日照分析技術(shù)規(guī)程

[7]杭州市建筑工程日照分析技術(shù)管理規(guī)則

[8]煙臺市建設(shè)項(xiàng)目日照分析管理暫行規(guī)定

[9]王會一.三維日照分析系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實(shí)表現(xiàn)[J].第二屆工程建設(shè)計(jì)算機(jī)應(yīng)用創(chuàng)新論壇.2009.9:105-111.

[10]王會一.日照軟件復(fù)雜建模和大體量計(jì)算創(chuàng)新性應(yīng)用研究[J].土木建筑工程信息技術(shù)，2013，5(6):56 －63.

[11]王全一.建筑日照方案優(yōu)化調(diào)整中的工具和思路[J].土木工程信息技術(shù)，2014，6(1):76-81.

[12]云朋.建筑光環(huán)境模擬.中國建筑工業(yè)出版社.2010.07.01

[13]北京照明學(xué)會照明設(shè)計(jì)專業(yè)委員會編.照明設(shè)計(jì)手冊(第二版)中國電力出版社.2006.12.1