计算机辅助日照环境分析及图形显示

第10卷　第4期

1998年7月计算机辅助设计与图形学学报J.CAD &CG V o l .10,N o.4Jul .,1998计算机辅助日照环境分析及图形显示

黄汉文

(清华大学计算机科学与技术系　北京　100084)

摘要　利用计算机图形学技术进行日照环境分析,为城建规划审批部门,处理日照纠纷部门,建筑设计师及居民提供快捷可靠的分析手段和准确的日照数据.文中着重介绍日照环境分析的关键技术,包括对不同地区,不同季节的各种复杂建筑物进行日照计算,计算绘制各种日照数据图表,“等时间阴影图”、“逆日影图”等各种数据图表生成算法及日照环境分析系统的应用情况.

关键词　日照环境分析,等时间阴影图,逆日影图

中图分类号　T P 39

COM PUTER A I D ED S OLAR ENV IRON M ENT ANALY SIS

AND GRAPH I CS D ISPLAY

HUAN G H an 2W en

(D ep a rt m en t of Co mp u ter S cience and T echnology ,T sing hua U n iversity ,B eij ing 100084)

Abstract T he com pu ter aided So lar Environm en t A nalysis can be u sed fo r review ing of city bu ilding p lan ,supp ling reliab le and straigh tfo r w ard analysis m ethod fo r arch i 2tects and residen ts etc .In th is p ap er ,som e key techn iques fo r so lar environm en t analy 2sis are given ,w h ich include the calcu lati on of sun ′

s trajecto ry ,the generati on of Shadow

M ap w ith Con stan t T i m e ,and the generati on of Inverse M ap of Sun ′s Shadow .In addi 2ti on ,the app licati on s of So lar Environm en t A nalysis are also given .

Key words so lar environm en t analysis ,shadow m ap w ith con stan t ti m e ,inverse m ap of Sun ′s shadow

1996212225收稿,1997207226收到修改稿.黄汉文,1937年10月出生,大学本科,高级工程师1主要研究方向为计算机图形学及计算机辅助设计.

1　概　述

太阳能是宇宙为人类提供的最廉价的能源,建筑设计中如何充分利用太阳能建立良好的人居环境是非常重要的,每个家庭都希望住上一套阳光充足、空气新鲜、冬暖夏凉的

223计算机辅助设计与图形学学报1998年

理想住宅.我国城市规划部门已制订出有关法规,规定每户居民住宅,在冬至日必须有1小时以上的有效日照时间[1].但是,随着我国城市建设的飞速发展,高层建筑如雨后春笋,为了节约用地,不断提高楼群密度,缩短楼房间距,因此,节约土地与保证日照环境质量的矛盾日益尖锐,特别是在旧城区建设中,由于新建高层楼房遮档了原有房屋住户本可得到的阳光,从而引发出大量的日照纠纷.因此,科学的评价手段的迫切需要,促进了日照环境研究在方法上的发展和法规上的完善.

二次大战后的一些发达国家,如日本和美国,也都提出日照权问题以保证居民权益不受侵犯.70年代的石油危机,使节约能源、利用太阳能问题等又提上重要日程.日本有关日照方面的研究,在实用方面,走在其他国家的前面,制定了全国通用的日照法规,并推动了应用软件的研制.1985年东京建筑设计监理会调查了7家有代表性的公司从1984到1985年推出的日照软件,说明日照软件的用途有两方面:一方面是为了政府对建筑设计的报批;另一方面也是为了向居民作出解释,说明当局批准建设项目的准则,以期得到邻居的同意,否则当局不能随意批准建设项目.

美国与日本不同,其居住密度低,独户住宅占70%以上,因此日照问题不普遍.当然在芝加哥、旧金山等一些城市,日照纠纷也不少,有关专家也做过日照研究.如美国诺里斯教授就进行过“日照极限体”方面的研究.但依美国现有法规,房产主无权要求通过别人产地取得阳光照射.

在英国的隆冬季节,阳光被当作天赐能源引入室内,许多住宅使用了温室或日光门廊,在房间的南墙上装有大面积玻璃窗,一些住宅使用了太阳能热水器,节能的重要方法是使房屋面对好朝向,以获取更多的太阳能[2].但英国天气多雨多雾,晴天不多,理论上计算出的日照时间与实际相距甚远.为此,爱丁堡大学的研究人员统计分析了1959至1968年伦敦和爱丁堡的天气资料,完成了两城市的“可实现日照分度规”,用于计算某月21日一天可获得的日照时数.

国内也有不少单位做了大量的研制工作,并取得了相当成果.清华大学计算机系与清华大学建筑学院经过多年合作,完成了“七五”国家重点攻关项目和国家自然科学基金项目,成功地开发出实用的日照环境分析系统,并进行了多年的应用研究,取得了较好的效果.

在日照环境分析中需要解决的主要关键技术有:

(1)对各种复杂建筑形体采用较好的输入及表示方法,设计合理的数据结构,以提高计算速度,减少占用的存储空间;

(2)为求出空间任意点的日照时间,需采用太阳中心点与该空间任意点构成的日照光线与建筑形体求交算法;

(3)采用直接求交和时间采样求交算法,计算绘制“等时间阴影图”;

(4)用‘棒影图’原理,计算绘制“逆日影图”.

2　用图形学技术进行日照环境分析的主要技术关键及算法

2.1　复杂建筑形体的输入及其表示方法

本系统采用由简单形体组合成复杂形体的方法,选用4种基本建筑形体(见图1),将建