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 39COM PUTER A I D ED S OLAR ENV IRON M ENT ANALY SISAND GRAPH I CS D ISPLAYHUAN 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 ShadowM 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 shadow1996212225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),将建筑群的每栋建筑都分解为由若干简单建筑形体组成,并对其编号,逐一输入计算机.采用图1　四种基本建筑形体体、面、环、边、点表示4种基本形体,通过编号和指针构成复杂的建筑形体和建筑群.可绘出平面图(见图2)和立体图.(见图3)图2　清华中楼小区平面图图3　清华中楼小区立体图212　太阳运行轨迹的计算要想准确计算日照环境数据,必须计算太阳在任一时刻的位置,而太阳的位置可由太阳的高度角和方位角来确定.(1)求太阳高度角h ssin h s =sin Υ sin ∆+co s Υ co s ∆ co s t其中,h s 为太阳高度角,Υ为地理纬度,∆为赤纬角,t 为时角.(角度单位均为度)(2)求太阳方位角A sco s A s =(sin h s sin Υ-sin ∆) co s h s co s Υ其中,A s 为太阳方位角.根据上述计算公式,可计算出从日出至日落时的太阳运行轨迹数据[3].213　等时间阴影图的生成算法将指定季节中某一天的有效日照时间(如冬至日上午8时至下午4时),分成若干时间区段,计算出建筑小区内某一楼层水平面(或垂直面)上每个小方格一天中被遮档的阴影时间(或换算成日照时间),然后把同一时间区间的方格,填充相同的颜色或图案,即形成3234期黄汉文:计算机辅助日照环境分析及图形显示等时间阴影图(见图4)该算法计算步骤如下:(1)计算出地平面上建筑阴影可能到达的最大范围;(2)求出该范围内每个单元网格一天的阴影小时数;如图5所示:太阳一天的起算点为S ,终止点为E .被测点P 与太阳中心的连线与建筑物边线相交时刻可用式(1)计算出相交点的时刻t 1,t 2,t 3,t 4;从t 1至t 2,t 3至t 4为P 点一天的阴影时间.或t s 至t 1,t 2至t 3,t 4至t e 为P 点一天的日照时间.图4　清华中楼小区冬至日等时间阴影图图5　太阳运行轨迹图t =arcco s ((sin h s -sin Υ sin ∆) (co s Υ co s ∆))(1) (3)选定阴影时间间隔(如1小时),将同一阴影时区的网格填充上同一颜色或图案,即可得到等时间阴影图.除了水平等时间阴影图外,还有立面(即墙面)等时间阴影图,在计算过程中,存在有效日照时间和无效日照时间问题.太阳光线与墙面夹角小于某个指定角度(如15度)者,称为无效日照时间,夹角大于指定角度者称为有效日照时间.通过等时间阴影图可以清楚地看到一天中阴影时间的分布情况,得出正确而直观的评价.无论是计算水平的还是立面的等时间阴影图,其核心都是通过求空间任意一点在一天中日照被遮档的时间而得到的.为了提高速度,对于不同类型的几何形状,采用不同的算法来实现,对于由线框图组成的建筑形体(如坡顶建筑,棱柱体建筑)的算法是:将被测定点与太阳中心点的连线沿太阳运行轨迹形成的扫描线,与建筑物的外轮廓线直接求得有效的相交时刻,确定遮挡的时间区间,最后得到日光被遮档的总时间.对于由连续的二次曲面组成的建筑形体,(如圆柱体、半球体),则采用沿太阳运行轨迹定时采样(如每隔5分钟)判断的方法来确定被测点的日光被遮档的时间.2.4　提高等时间阴影图生成速度的措施计算等时间阴影图,需要较长的时间,建筑物越多,小区面积越大,计算时间也越长,为了缩短计算时间,本系统采取了如下措施:(1)设计较合理的数据结构.用体、面、环、边、点来表示建筑形体,给计算和判断带来很多好处;(2)增加判断,减少不必要的计算.如,用直线求交法生成等时间阴影图时,先对建筑423计算机辅助设计与图形学学报1998年的边进行判断,看其是否在太阳运行轨迹之内,如不在其内,则不进行求交计算,可减少许多不必要的计算;(3)对面进行分类,改进点面包含性测试算法,对不同的面采用不同的方法进行测试[4].2.5　逆日影图的生成算法生成逆日影图的目的是,当对一地区进行规划时,根据周边的日照限制条件,求出该地区所能允许的最大建筑体,又称“日照极限体”或“逆日影图”.H 的:)(见图=L ctg h s .(4)包括全部垂直棒允许高度的最大建筑体称为日照极限体,或称逆日影图(见图7).图6　地段和日照限制条件图图7　逆日影图(日照极限体)3　日照环境分析系统的主要功能根据上述算法,由清华大学计算机系与清华大学建筑学院经过多年合作研制的日照环境分析系统,其方框图见图8,由两大部分组成:(1)SUN 日照计算分析子系统:用于对建筑设计方案进行日照环境计算评价,可为不同地区(即不同经、纬度)、不同季节、不同楼层、各种朝向,不同建筑形体及布局的建筑・图8总体结构图返回绘图模块检测模块输出模块计算模块输入模块返回绘图模块检测模块输出模块计算模块窗户输入修改模块输入模块S UN 日照计算分析子系统BOX逆日影图子系统EX IT 退出THSE A日照环境分析系统图9　北京—居民小区大寒日等时间阴影图(笔式绘图机绘制)共44栋4层,5层,6层的楼房,图形说明如下:图 形 阴影小时010—116116—216216—316316—416图 形 阴影小时416—516516—616616—716>7.6群计算、绘制等时间阴影图,瞬时阴影图、太阳轨迹图(天空图)、建筑布局平面图、立体图、指定点或窗台中央点的日照时间及其统计表等.(2)BOX 逆日影图子系统:主要用于对尚待规划设计的小区,根据周边对日照限制条件,求出该地区的最大建筑体,称“逆日影图”(日照极限体).4　日照环境分析系统的应用日照环境分析系统在如下几方面得到较好的应用:(1)准确计算出已有建筑群给定点的日照数据,打印出数据表格,作为有关部门处理日照纠纷的科学依据.例如,某规划局法制处用我们提供的日照环境分析系统,多年来处理了大量日照纠纷,取得了良好的效果.(2)为多家设计院及房建公司新规划设计的住宅区进行日照分析评价,有的根据提供的日照分析数据及图表,作了局部设计修改,取得了满意的效果.见图9—11.(3)用该系统进行广场建筑的日照分析,研究建筑高度、密度及组团形式对建筑日照的影响,找出既可提高建筑密度、提高土地利用系数,又能充分利用太阳能,满足人体卫生要求,减少建筑能耗的最佳建筑群组织形式,为广场建筑的规划及设计提供可靠依据.623计算机辅助设计与图形学学报1998年图10　北京市百万庄双周边式居民小区冬至日等时间阴影图(屏幕彩照)共44栋4—6层的楼房颜 色: 白 黄 绿 天蓝 紫 蓝 红阴影小时:0～1.6116～2.6,216～3.6,316～4.6416～5.6>5.6,楼房图11　北京—居民小区大寒日等时间阴影图(屏幕彩照)5　结束语利用计算机图形学技术进行日照环境分析,取得较好的效果.用四种基本建筑形体表示复杂建筑形体的方法是实用有效的,但在表示特殊建筑形体方面仍须努力;采用直接求交和时间采样判断求交算法获得的数据准确,绘制的各种图表形象、直观、实用.参　考　文　献1　北京市城市规划管理局编.城市建设规划管理法规文件汇编1971-1989,1372　李爱新.英国能源村的住宅设计.世界建筑,1994,(2):663　同济大学编.城市规划原理.北京:中国建筑工业出版社,1991,4404　孙家广等编著.计算机辅助设计技术基础.北京:清华大学出版社,174-177723 4期黄汉文:计算机辅助日照环境分析及图形显示。