基于日照圆锥模型的日照分析研究

郑 虹 于博洋 郭 巍

（山东科技大学测绘科学与工程学院，山东 青岛266590）

1 引言

日照指标是衡量住宅建筑环境质量高低的一项重要指标，能够保证适宜的采光是建筑物可以入住或使用的基本条件之一。为获得良好的日照，古代时我国建筑就基本以朝南向为房屋的主要朝向。建国初期，建筑日照主要采用前苏联的标准。改革开放之后，随着城市规模的不断扩大和现代化程度的不断提高，高层和密集的建筑开始日益增多，日照问题逐渐开始被人们重视起来。

为了保障居民健康的居住环境同时为城市规划管理提供科学的依据，有必要进行科学准确的建筑物日照分析。在日照分析模型的发展历程中，主要出现了棒影模型，日照圆锥模型，阴影轮廓模型，实验模型等几种模型。各种模型各有特点和优势，其中日照圆锥模型符合日常所见的太阳运行的变化规律，并且有更好的直观性。在计算机技术的推动下，此种模型使计算分析更加精确化，实时化，可视化，同时随着软件优化，计算的效率也不断改善，成为日照计算分析的重要方法。

2 日照圆锥模型原理

日照圆锥模型由棒影模型发展而来，是以选定的参考点为基准，将每个时刻的太阳位置与参考点相连得到的三维曲面模型，其二维模型为正投影日照模型。所谓日照圆锥面，是模拟太阳一天内在空间运行轨迹的曲面。以被测点为基准，沿太阳位置方向做射线。若分别做出一天中每一时刻的光线射线，则将形成一个曲面，即日照圆锥曲面，该曲面将天球分成两个球锥体。在春分和秋分时，该曲面将平分天球。

如图1所示，O点为观测点，图中所示曲面即为以O为顶点的日照圆锥图。由图可以看出，从8时—16时为一天中的有效日照时间段，其中曲线1、2、3、4为与地面平行的平面与日照圆锥面相交的曲线。建筑物与日照圆锥面相交的部分即为遮挡物对O点的遮挡时间。

根据太阳位置计算公式可以得出日照圆锥曲面方程组，如（1）式所示：

其中L为圆锥母线长，φ为地理纬度，δ为赤纬角，Ω为时角。计算单点日照时间关键是求出遮挡建筑的各个面与日照圆锥面的交点。首先对遮挡建筑进行建模，使其各面可以通过方程的形式表达出来，通过联立方程组求解，可求出日照圆锥面与建筑的交点，根据交点所对应的太阳时角，可求得交点对应的时间，判断阴影时间和日照时间，将日照时段累加可得该点总的日照时长［2］。

3 日照分析类型

3.1 日照分析类型

建筑的日照分析主要进行单点分析、窗户分析、沿线分析、阴影分析、及多点区域分析几个方面。单点分析是计算待测区域内的任意坐标和高度的点，分析该点的日照时长，分析结果用表格表示出来；窗户分析是进行建筑物窗户左端、右端、满窗日照分析详细报表统计；沿线分析需要计算待测区域内的高度的直线或曲线，分析该线段的日照时长，并将分析结果标注于所分析的线上，沿线分析实际是沿选定分析线按照一定的采样间隔进行单点分析；阴影分析则是分析待测区域在任意时间段在任意高度上的阴影动态及轮廓曲线；多点区域分析是分析待测区域中任意闭合形状在设定的时间和高度的日照时长，分析结果用图表表示。本文主要采用日照圆锥模型对测量建筑进行窗户分析及沿线分析。

3.2 窗户分析规范

进行窗户分析时，对于一般形状窗户，按其窗台外墙（线AB）中点（图中点C）为日照分析计算点，如图2所示；对于转角直角窗、弧形窗、凸窗等，如图3到图5所示，一般以外墙延长线中位于南向或偏南向（图中线AB）的中点，图中C点表示的位置为日照分析计算点，如南侧或偏南侧日照时数不满足日照标准，应增加分析另一侧窗户；对于如南侧或偏南侧日照时数不满足日照标准，应增加分析另一侧窗户。因窗户的形式多种多样，其他特殊形式的采光窗，则以最接近上述情况的形状来确定日照分析计算点位置［3］。

4 实例分析

本文日照分析项目以青岛某拟建建筑为对象，利用飞时达FastSun日照分析软件分析其对后方现有建筑日照的影响情况。FastSun是基于CAD环境下的日照分析软件，完全依照国家有关法规、规范，面向客户需求开发而成，提供了日照建模、单点分析、多点分析、窗户分析、阴影分析、等时线分析以及生成日照分析报告等多种功能，全面解决各种日照分析问题，具有计算结果精确可靠，参数设置灵活、操作简单的特点，同时支持计算报表自动导出，是规划管理、规划设计、建筑设计、房地产开发等领域强有力的专业日照分析工具。

4.1 技术规程

根据《青岛市日照分析技术规程》（表1），每套住宅至少应该有一个居住空间获得日照，当一套住宅中居住空间总数超过四个时，其中宜有二个获得日照。依据相关法律法规、规范、标准和规定以及青岛市地理位置，日照计算相关参数应符合表规定，对于特定情况还应符合下列规定：

1）老年人居住建筑不应低于冬至日日照2小时的标准；

表1 青岛市日照分析规范

2）托儿所、幼儿园的主要生活用房，能获得冬至日不小于3小时的日照标准；

3）中小学半数以上的教室应能获得冬至日不小于2小时的日照标准；

4）宿舍半数以上的居室，应能获得同住宅居住空间相等的日照标准。

其中，计算标准日为分析当年的大寒日或冬至日，如当年是闰年则顺延一年；活动场地等场所的分析高程以地面平均高程为准；底层窗台面是指距室内地坪0.9米高的外墙位置；上述技术参数如国家有关规范和法规有特殊要求按国家规范和法规执行［3］。

4.2 建筑数据采集及建模

本次测量建筑为N10＃楼和N11＃楼。根据技术规程规定，外业测量完成后需将测得数据展绘成图，其平面图与采光面立面图如图6所示：

建筑建模是日照分析前的最后一步准备工作。根据测量的数据及委托方提供的设计资料，可相应的对已建建筑和规划建筑进行建筑建模。通过定义建筑的室内地坪、层高、窗户、阳台、屋顶等数据，可得三维建筑模型如图7所示：

4.3 窗户日照分析

按规范要求，窗户日照分析点为窗口连线的中心点。对窗户中点进行分析即单点分析，主要采用的模型为日照圆锥面模型。分别对N10栋和N11栋受光面的窗户中点进行日照分析，以最底层窗户为例，部分分析结果如表2所示：

根据分析数据可以看出，拟建建筑对现有两栋建筑的日照均产生了影响，其中C2＃窗受影响最大，影响时间为2小时16分钟，C9＃窗受影响最小，影响时间为35分钟。本次共分析窗户位置24个，规划建筑建设后无不符规范窗户。

表2 遮挡影响分析表

4.4 沿线分析

沿线分析主要针对无法确定待测建筑窗户位置的情况，其主要应用模型也是日照圆锥模型。在选取的分析线上，通过采样获得分析点的位置，采样值由人工设定，软件利用模型将采样点的遮挡情况分别计算出来并标注。如图8所示，以N11栋建筑为例，采样间隔1m，可得到建筑受光面的沿线分析结果，其中所标数字为日照时长。

5 结论

住宅的采光与人们的生活息息相关，根据日照分析模型，利用相应软件可以快速有效地从多个方面对建筑物的日照影响做出分析。本文围绕日照圆锥分析的模型和原理，将模型理论与实践结合，以具体日照分析项目为例，根据实测数据和送审资料，在对规划建筑和现有建筑进行三维建模后，从窗户分析、沿线分析等角度分析规划建筑对现有建筑的影响。随着法律法规的不断完善，日照分析已经成为建筑设计、城市规划等相关部门和单位必不可少的工作，得到了广泛的实践应用。日照分析是一项精度要求较高的分析工作，误差的产生也包括多个方面。对设计建筑的自动化的调整和分析结果量化的精度计算将是以后研究的方向。