曲秀梅

（煙臺(tái)市牟平區(qū)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局,山東 煙臺(tái) 264100）

現(xiàn)代城市的發(fā)展,使得大量的人口向城鎮(zhèn)集聚,城區(qū)有限的土地資源促使人類建造更高更大的建筑物,以滿足人類對(duì)生存環(huán)境的改善需求和承載更多的人口居住,同時(shí)也為了滿足集約化地使用土地、充分利用寶貴的土地資源[1]。現(xiàn)代建筑工程力學(xué)理論的發(fā)展、新型建筑材料的研發(fā)以及先進(jìn)建筑制造裝備的應(yīng)用,加速了建筑工程的發(fā)展,建筑的體型和投資額度日益增加、建筑造型和建筑形式日益復(fù)雜、建筑技術(shù)和建筑高度也不斷提升[2]。在資本的裹挾下,為最大化地獲取土地開(kāi)發(fā)收益,建筑的容積率和建筑的樓間距也不斷縮小以提高土地的利用率,這就導(dǎo)致了建筑日照時(shí)長(zhǎng)不足,影響了建筑的使用品質(zhì),光照不足也會(huì)影響居住者的身心健康,比如局促黑暗的居住環(huán)境容易使人產(chǎn)生失眠和精神紊亂等不良反應(yīng),而陽(yáng)光充足的居住環(huán)境使人產(chǎn)生愉悅舒適的感受[3]。由于“日照權(quán)”產(chǎn)生的社會(huì)矛盾事件也逐步增多,因此受到城市規(guī)劃者和建筑研究人員的關(guān)注和研究。

1 城市規(guī)劃中建筑日照分析基本原理

在城市規(guī)劃中,為了分析建筑物的受光照時(shí)間,就應(yīng)對(duì)建筑的日照原理進(jìn)行分析。建筑日照分析的基礎(chǔ)是太陽(yáng)光隨著地球繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的變化而呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化[4]。由于太陽(yáng)與地球之間的距離約1.5×108公里,遠(yuǎn)大于地球的直徑,因而假設(shè)太陽(yáng)為點(diǎn)光源的情況下,光源視為無(wú)限遠(yuǎn),光線經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的傳播達(dá)到地球時(shí),可以認(rèn)為是平行光線,導(dǎo)致地球在自轉(zhuǎn)一周后（1d）建筑受到的光照角度和光照強(qiáng)度是不同的,另外建筑物受光照的影響也與其所處的緯度、海拔高度以及地球公眾位置有關(guān)。

在建筑物日照分析中,最為重要求解參數(shù)就是太陽(yáng)高度角和方位角。太陽(yáng)高度角是指地球某一時(shí)間內(nèi),太陽(yáng)平行光線照射到地平線（假設(shè)為水平線）上,兩者之間的夾角,如公式（1）所示；太陽(yáng)方位角是指地球某一時(shí)間內(nèi),太陽(yáng)平行光線照射到地平線（假設(shè)為水平線）上,太陽(yáng)光線投影與正南方向之間的夾角,規(guī)定以正南方向?yàn)?°,順時(shí)針向西旋轉(zhuǎn)為正值,逆時(shí)針向東旋轉(zhuǎn)為負(fù)值,太陽(yáng)方位角計(jì)算如公式（2）所示[5]。

式中,Hs 為太陽(yáng)的高度角,其變化區(qū)間為0°～90°；As為太陽(yáng)的方位角,其變化區(qū)間為-180°～180°；δ 為太陽(yáng)的赤道緯度角,可以按照 δ=23.40°×（N-80.25）×（1-N/9500）計(jì)算,N 為從1 月1 日至計(jì)算日的總天數(shù)；φ 為建筑物所處的緯度；τ 為太陽(yáng)所在照射的地球經(jīng)度平面與本初子午線的夾角。

在建筑日照計(jì)算中,按照不同假設(shè)原理,發(fā)展好處了不同高度日照分析方法,比如棒影日照?qǐng)D法、單點(diǎn)分析方法、平面分析方法等[6]。本文針對(duì)這些方法的計(jì)算原理進(jìn)行研究。

棒影日照?qǐng)D法是傳統(tǒng)的城市規(guī)劃日照分析方法,它利用的是垂直立棒棒高H 與太陽(yáng)照射的棒影L 之間關(guān)系,將其與建筑規(guī)劃圖相互疊加,由此求解公式（1）和公式（2）,棒影L 和太陽(yáng)方位角Hs、棒高H 的關(guān)系如公式（3）所示,棒影L 與正北方夾角A 與太陽(yáng)方位角As 的相互關(guān)系如公式（4）所示,其計(jì)算原理如圖1 所示。這種計(jì)算方法本質(zhì)上為幾何圖形法,繪制復(fù)雜,且依賴操作人員的熟練程度,且計(jì)算精度,導(dǎo)致分析計(jì)算結(jié)果與實(shí)際往往存在不同程度的偏差,在計(jì)算機(jī)設(shè)備發(fā)展還不完備的建筑規(guī)劃時(shí)代應(yīng)用較多,但在數(shù)字化和智能化的今天應(yīng)用較少[7]。

圖1 城市規(guī)劃中建筑日照分析棒影日照?qǐng)D法原理

單點(diǎn)分析方法在建筑日照分析中具有較好的計(jì)算精度、可靠性和穩(wěn)健性,它的基本原理通過(guò)連接被觀測(cè)點(diǎn)與太陽(yáng)在一天時(shí)間內(nèi)的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線的連線,形成日照?qǐng)A錐曲線,如圖2 所示,采用坐標(biāo)法求解日照?qǐng)A錐曲線的表達(dá)式如公式（5）所示,邊界約束為建筑為與圓錐曲面的重復(fù)陰影,由此可以求得太陽(yáng)時(shí)角如公式（6）所示,最后可以計(jì)算得到太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角,計(jì)算流程如圖3 所示。

圖2 城市規(guī)劃中建筑日照分析單點(diǎn)分析方法原理

圖3 城市規(guī)劃中建筑日照分析單點(diǎn)分析計(jì)算流程

式中,S 為日照?qǐng)A錐曲線的母線長(zhǎng)度,Ω 為太陽(yáng)時(shí)角。

平面分析方法是在單點(diǎn)分析方法的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái),它通過(guò)組合多個(gè)單點(diǎn)分析將平面進(jìn)行網(wǎng)格化,每一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)都是被觀測(cè)點(diǎn),可以依據(jù)單點(diǎn)分析的原理進(jìn)行日照?qǐng)A錐曲線繪制和求解太陽(yáng)高度角和太陽(yáng)方位角。由于平面網(wǎng)格法存在網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)目巨大等問(wèn)題,因此在計(jì)算過(guò)程中對(duì)于不在日照范圍內(nèi)的網(wǎng)格點(diǎn)進(jìn)行剔除,以提高計(jì)算效率。在太陽(yáng)光照的過(guò)程中,建筑物造型和體積大小會(huì)影響其照射范圍,建筑物周圍存在一定區(qū)域的終日陰影區(qū),如圖4 所示,這些區(qū)域的網(wǎng)格點(diǎn)的日照時(shí)間可以直接確定為零,在計(jì)算時(shí)也可以進(jìn)行剔除,以減少計(jì)算工作量?；谄矫娣治龇椒ǖ某鞘幸?guī)劃建筑日照分析流程如圖5 所示。

圖4 城市規(guī)劃中建筑日照分析平面分析方法原理

圖5 城市規(guī)劃中建筑日照分析平面分析方法計(jì)算流程

2 日照約束條件下的城市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)

在城市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)中,為城市建筑物提供良好的建筑光照環(huán)境不僅是人本思想的體現(xiàn),也是建筑設(shè)計(jì)技術(shù)的日臻成熟?；谇拔牡娜照辗治?可以對(duì)建筑空間內(nèi)的光照條件進(jìn)行分析,用于宏觀層面的整體規(guī)劃布局、到中觀的建筑單體設(shè)計(jì),再到微觀的建筑采光細(xì)部設(shè)計(jì)。

在日照約束條件下,人們對(duì)于人本思想的生態(tài)建筑設(shè)計(jì)提出了更高的要求。其一,對(duì)于建筑能源的消耗要求更少,以節(jié)約資源,達(dá)到綠色健康建筑的目的；其二,對(duì)健康居住環(huán)境的要求提高,健康宜居的生活環(huán)境是美好生活的體現(xiàn),也是高品質(zhì)生態(tài)住在的基本要求；其三,建筑與人、環(huán)境的融合,達(dá)到和諧共生的社會(huì)和自然形態(tài)。因此,通過(guò)有效的光照分析能夠?yàn)樯鷳B(tài)建筑設(shè)計(jì)光照需求。

在日照約束條件下,城市社區(qū)規(guī)劃也呈現(xiàn)多樣化的需求,對(duì)建筑物光照的影響因素也具有不確定性。在城市空間規(guī)劃、城市天際設(shè)計(jì)中,建筑的結(jié)構(gòu)和形態(tài)往往多變,城市住宅社區(qū)也發(fā)展出了多種多樣的建筑生態(tài),為城市面貌提供了張力,形成了各自魅力的風(fēng)貌。在社區(qū)規(guī)劃中,由于建筑設(shè)計(jì)、資金投入、生活品質(zhì)需求等因素的應(yīng)縣個(gè),往往在一個(gè)社區(qū)中,存在高層建筑、多層建筑和地層建筑,建筑的形態(tài)靈活多變,高低錯(cuò)落,這就給建筑的日照時(shí)間造成了諸多不確定的因素,在計(jì)算日照間距、最小樓間距時(shí),需要考慮建筑形態(tài)、日照環(huán)境以及社區(qū)規(guī)劃的影響。

在日照約束條件下,城市開(kāi)發(fā)對(duì)充足日照帶來(lái)的投資回報(bào)需求加大。在我國(guó),光熱分布存在地區(qū)和季節(jié)差異性,南方熱帶、溫帶地區(qū)的光熱與北方寒帶、亞寒帶的光熱存在明顯不同,即使在同一地方的建筑物,冬季與夏季之間的光熱量也不同。在土地開(kāi)發(fā)時(shí),由于城市土體面積的限制,一方面為了提高投資回報(bào),對(duì)城市社區(qū)建筑物的規(guī)劃進(jìn)行容積率降低,提高建筑物的高度和層數(shù),另一方面人們對(duì)建筑居住環(huán)境的光熱需求加大,為了享受充足的陽(yáng)光,光照良好的樓層或者容積率低的社區(qū)往往更受購(gòu)房者的歡迎,也給土地開(kāi)發(fā)更大的匯報(bào)。因此,在城市土地開(kāi)發(fā)中,對(duì)于建筑日照分析與土體利用率分析之間應(yīng)尋求一個(gè)平衡點(diǎn)。

3 日照約束條件下城市規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)實(shí)例分析

山東省煙臺(tái)市某房地產(chǎn)建設(shè)工程一期位于202-DC-A98 地塊,位于城區(qū)東北角區(qū)域核心商圈范圍,附近已有配套公用設(shè)施,交通便利。項(xiàng)目總投資95000 萬(wàn)元,項(xiàng)目建設(shè)用地約93.6畝, 總建筑面積約241353.70m2,其中地上約174487.20m2, 地 下 約66866.49m2,主要建設(shè)14 棟26-42 層單元高層住宅建筑、一棟三層幼兒園及四棟底商,居民戶數(shù)1372 戶,居住人數(shù)3582 人,容積率2.8,建筑密度19%,綠地率30%,車位配比1:1.1,涵蓋高層、復(fù)式、第四代住宅、九班制幼兒園、商業(yè)等多種業(yè)態(tài)。在設(shè)計(jì)取值中,住宅建筑的單層高為3.2m,總建筑高度變化范圍為83m～135m,鋼筋混凝土等級(jí)為C30 混凝土,鋼筋材質(zhì)為HRB335。

建筑日照分析時(shí),確定項(xiàng)目的經(jīng)度為37.463822,緯度為121.447935,以2021 年1 月20 日（大寒日）為計(jì)算基準(zhǔn)日,其有效時(shí)間帶的分布為早上8:00 至下午16:00,確定1.5 倍建筑物高度的扇形面積范圍為光照陰影區(qū)域,陰影半徑為150m。建筑設(shè)計(jì)滿窗日照不小于3h,以26 層高的10#為分析對(duì)象,建筑層高2.90m,其建筑光照時(shí)間受前方42 層高的36#影響,主要影響樓層為10 層以下,因此,經(jīng)過(guò)光照分析,計(jì)算36#樓建設(shè)前后10#樓10 層以下的光照時(shí)間,結(jié)果如表1 所示。

表1 基于日照分析的建筑物光照時(shí)間計(jì)算結(jié)果

從表中可以看出,10#樓10 層以下的建筑物光照受36#樓建設(shè)的影響程度不一,在建筑物修建前,建筑物的光照時(shí)間均大于3h,最大值為7.64h,最小值為4.17h；36#樓修建以后,10#樓建筑物的光照時(shí)間小于3h,最大值為2.87h,最小值為1.02h,光照時(shí)間差3 最大值為5.48h,最小值為1.59h。因此,對(duì)于規(guī)劃社區(qū)的建筑物日照時(shí)長(zhǎng)不足,應(yīng)調(diào)整建筑物的間距或者降低36#樓層以提供充足的日照時(shí)間。

4 結(jié)論

現(xiàn)代建筑工程力學(xué)理論的發(fā)展、新型建筑材料的研發(fā)以及先進(jìn)建筑制造裝備的應(yīng)用,加速了建筑工程的發(fā)展,為最大化地獲取土地開(kāi)發(fā)收益,建筑的容積率和建筑的樓間距也不斷縮小以提高土地的利用率,這就導(dǎo)致了建筑日照時(shí)長(zhǎng)不足,影響了建筑的使用品質(zhì)。本文以以山東省煙臺(tái)市某房地產(chǎn)建設(shè)工程一期為研究對(duì)象,分析了城市規(guī)劃中太陽(yáng)高度角和方位角的計(jì)算方法,研究了日照分析對(duì)生態(tài)建筑、社區(qū)規(guī)劃和土地開(kāi)發(fā)的影響,并結(jié)合實(shí)例將日照分析應(yīng)用于建筑的日照時(shí)長(zhǎng)計(jì)算,結(jié)果表明后建樓棟對(duì)先建樓棟存在光照影響,使得日照時(shí)長(zhǎng)不滿足要求,提出了提高建筑樓間距和降低樓層的解決方案。