建筑日照分析CAD的方法

建筑日照分析CAD的方法

摘要：本文叙述了利用目前较为流行的AutoCAD软件求建筑瞬时日影图的“光柱剪切法”和计算日影遮挡的“天空图法”和“日照圆锥面法”。除AutoCAD 系统外这些方法同样也可用于其它的三维实体CAD系统。

关键词：瞬时日影图，日影遮蔽。

近年来，由于LAIJ技术的普及。国内许多单位推出了日照计算软件，其中有中国建筑物理研究所，大连工学院力学研究所和清华大学计算机系。这些软件的特点是开发得较早，建立在自行设计的图形支撑环境中，建筑模型的建立必须采用由开发者提供的具体方法。然而AutoDesk公司的AutoCAD 软件在我国设计部应用得较多，国内二次开发的建筑软件大都以它作为基础平台，目前它们还不能具体计算日影遮蔽时间。早期的日照分析软件没有提供DXF文件接口，不能直接利用AutoCAD 的模型，给应用上带来局恨性，因此当前寻找AutoCAD 环境H照计算的简明方法具有较大的实用意义。如果采用过去的解析法在AutoCAD 上作二次开发，其编程量甚大，涉及到AutoCAD 内部较多的数据结构。为此我们研制了一个半交互方式的求解法，即本文介绍的用AME模块求建筑瞬时日影图的“光柱剪切法”以及用于计算H影遮蔽的“天空图法”和“日照圆锥面法”，其实用性和精度不亚于过去开发的同类软件，概念明确，方法简便。如果用户已购置了AutoCAD 软件，则毋需为此再投入新的花费，因而值得推广。

一、求建筑瞬时日影圈的“光柱剪切法”

本方法利用了以光线矢量为法线的投影面上影子的积聚性，利用AME模块来求瞬时日影图。具体方法如下：

1．假如我们已经有一个在AutoCAD环境下建立的建筑物三维模型(如果是其它系统，可以通过DXF 图形交互文件传送到AutoCAD中来)，现求它的瞬时日影图。

2．从图1中可以看到，任何时间的太阳高度角和方位角由下述公式来计算；

其中h为太阳高度角；A为太阳方位角；为纬度角；6为赤纬角；t为时角。

图1

从位于建筑物后面的地平面上任意的被测点M引一根光线矢量，并作出过以该光线为法矢量的平面P(图2)。此时建筑物在P面上的正投影方向即光线方向，该正投影S具有积聚性。同样我们也可以作出被测点P面上的投影M，显然，被测点的阴蔽性和P面上M’点的阴蔽性等价。换言之，即M点在P面上落在建筑物投影S中则实际的M点被阴影遮挡，落在S外则 M 点未被遮挡。利用 AutoCAD 的UCS和PLAN命令可以实现上述过程。

图2

3．设置 AutoCAD 全局变量 elevation为 0．0，thinckness为一100．00或其它合适的数值，用宽度为0的PIine线勾画出封闭的影圈，并将它实体化成一个正棱柱V。很明显，棱柱的每一条母线都平行于光线矢量。

4．回到世界座标系，作一个顶面为地平面的方块实体G，如果V的高度和位置合适，V和G将相交，我们作实体的相减将V实体从G实体中减去，即可得到G实体顶面上的一个空洞，这个空洞的边缘便是建筑物在地面上实际的影圈。

5 因此问题的关键在于如何在(2)中进行UCS的设定。首先从天球上太阳的轨迹来看，

在春秋时分，正午12点时，时角为0，这时的光线矢量可以把z轴绕x轴旋转过一个纬度角：到z来实现，对于其它季节时分的正午12点时的光线矢量可同样把z轴绕x轴旋转过一个a=+6角到z．来实现。哪么对于其它时角的光线矢量是否可以在上述基础上进一步绕Y轴旋转一个时角0=t来实现。显然这种方法仅对于春秋时分是正确的，因为此时在天球的侧视图中太阳轨迹投影通过球心投影点。其它季节时分的太阳轨迹投影不通过球心投影，必须修正第一步中绕x旋转的角度和第二步绕Y轴旋转的角度e。为此，我们作出该时角的太阳光线在天球侧视图中的投影OD，并将它延长到天球边缘E点(见图3)，显然OE与z轴的交角即a角，太阳光线与OE的夹角即0角。统过简单的计算我们可以求得：

图3

6．P平面的法线矢量就是太阳光线矢量，过建筑物在P平面上的投影包络线的光线形一个光柱体，利用这个柱体对被遮蔽的实体作剪切，因此我把这个方法叫作“光柱剪切法”。它除了可以作出瞬时阴影图外还可以利用它进一步作出日照时间等值线图或日照时间等时伪彩色图，由于AutoCAD的ADS没提供读屏幕颜色数的功能，后者可在WINDOWS环境下利用Photostyler等图形编辑软件协助完成。细心的读者一定会间，为什么在第3步中不采用计算机自动绘出S圈的方法?当然用计算机来实现该步是可能的：可以直接利用ADS 提供的实体访问和座标变换来求得建筑物每一个面在地平面上的落影，将这些凸的或凹的多边形影圈调整成左手回转闭圈，此时的问题可以看成是一个有向图中求闭合路径的问

题。可以按照有向图有关的算法来求影子的边界线，影圈融合过程以据如下的推理：

(1)两个影圈相融，将形成一个新的影圈，同时可能形成数量不等的阴影中的空洞，我们且称之为孔圈。

(2)影圈和孔圈相贯，可形成一个或多个数量不等的孔圈，原影圈不变，新的孔圈集合取代原孔圈。

(3)影圈包含孔圈，原影圈不变，孔圈湮没。

(4)孔圈包含影圈，两者都不变。

但是上述过程必须访问建筑的每一个面，如果建筑模型有几万个不同类型的面，则不是

一件简单的事。特别在CAD系统数据结构不完全透明的情况下更为麻烦，这也正是过去开发该方面软件遇到的主要困难。因此我们建议采用交互方法为好。

二、计算日影迪蔽的”天空图法

目前在我国北方城市建设中发生了许多关于日影遮蔽的纠纷，为了解决引导纠纷，往往要求计算测试点的被遮挡时间，这一问题成了当前日影计算的热点。利用CAD软件求透视图的功能，我们可以作出被测点的天空图，利用天空图中的太阳轨迹和建筑物轮廓的交点可以求出日遮蔽时刻序列。具体过程如下：

假如已经有一个在AutoCAD环境下建立的建筑物三维模型B，现求它后面任一平面上被测

点在某一天的日影遮蔽时刻序列(见图4)。

图4

将相机放在被测点上，画面放在造成遮挡的建筑物之南边，作出该画面上的太阳轨迹，从测点向画面的投影处在画面上画一竖线S，从理论上来说画面上太阳轨迹上的任一点P的真太阳时可依据相机到画面的距离D以及画面上P点到S的距离来计算出来，具体的方法是先求出方位角A，再用本文后面叙述的牛顿一拉夫逊法可以求得遮蔽时刻的真太阳时时角t。然而在AutoCAD中上述方法行不通，原因在于在透视图中许多命令失效。因此我们利用诺模图方法，在太阳轨迹下作一条真太阳时刻度尺。借助AutoCAD的十字光标可方便地从刻度尺上读出交汇时刻(见图5)。

图5

三、计算日影遮蔽的“日照圆锥面法”

显而易见，上述的“天空图法”不能求得日影遗蔽的精确时间，为此解绍另一个较为精确的方法，“日照圆锥面法”。采取在现有的建筑三维计算机软模型中加入日照圆锥面，可方便的求出日影遮蔽时刻序列。