關于建筑的論文有關建筑論文：建筑日照分析原理與計算方法的研究

1、 關于建筑的論文有關建筑論文：建筑日照分析原理與計算方法的研究【摘要】本文全面系統(tǒng)總結介紹了開發(fā)建筑日照分析CAD軟件所涉及基本原理、核心計算加速技術、極限容積計算和目前工程實際應用情況。例如太陽位置計算原理、平面等時線百萬級采樣點大規(guī)模分析內部采用的計算加速技術，日照分析根據國內目前各地日照規(guī)范要求在工程應用中常用典型的分析方法，日照分析后期的結果表現、如實時表現建筑物陰影，日照分析表格和報告書，日照分析研究的擴展領域，如太陽能計算和綜合利用、玻璃幕墻反射光污染評估計算和遮陽裝置設計等內容進行了系統(tǒng)簡要的介紹。文中論述的許多核心技術和分析方法目前已經應用在PKPM建筑工程軟件研究所研發(fā)的SU

2、NLIGHT日照分析軟件中，對日照分析CAD軟件的進一步研究有一定的參考價值?！娟P鍵詞】計算機應用;日照分析;GPU計算;遺傳算法;太陽能利用1引言以往在規(guī)規(guī)劃管理理中涉及及到的有有關日照照方面的的問題，通常采采用傳統(tǒng)統(tǒng)的分析析方法，存在計計算規(guī)則則和方法法過于復復雜，現現狀數據據資料難難以收集集，數據據精度無無法保證證以及操操作性差差等問題題，需要要投入大大量人力力、物力力。同時時，傳統(tǒng)統(tǒng)設計方方式僅限限于滿足足規(guī)范中中的日照照要求，并未將將日照相相關分析析結果與與綠色建建筑設計計中的節(jié)節(jié)地、節(jié)節(jié)能及自自然能源源利用、建筑環(huán)環(huán)境控制制等因素素有效結結合，進進行整體體考慮。研發(fā)符合合綠色建建筑

3、設計計規(guī)范要要求，操操作簡便便，計算算結果合合理可靠靠的日照照分析CCAD輔輔助分析析系統(tǒng)對對建筑物物區(qū)進行行日照采采光分析析，對于于綠色建建筑的節(jié)節(jié)地、節(jié)節(jié)能設計計，解決決日益發(fā)發(fā)展的城城市規(guī)劃劃與公眾眾對于人人居環(huán)境境不斷增增長的需需求之間間的矛盾盾，對于于減少建建筑對自自然資源源的嚴重重消耗，對于前前瞻性地地對規(guī)劃劃設計方方案進行行合理分分析，避避免設計計中可能能產生的的日照問問題，對對于自然然能源的的合理有有效利用用，對于于城市建建設的理理性、有有序發(fā)展展都具有有較大意意義。2太陽位位置計算算原理日照分析析計算中中的基本本原理是是計算太太陽的位位置，即即太陽的的高度角角和方位位角。目目

4、前國內內計算基基本采用用建筑筑設計資資料集第二版版第9章章中提供供的計算算公式進進行計算算。2.1建建筑手冊冊推算公公式真太陽時時:太陽陽位置計計算采用用真太陽陽時。換算公式式:真太太陽時=北京時時間+時時差(1200當地地經度)/155(1)太陽方位位角計算算:coosA=(siinhsinnsiin)/(cosshcoss)(22)1800A1800或0A3600;1180t1800或0t3600。太陽高度度角:ssinhh=siinsinn+ccoscooscosst;90h90(3)日出時間間與日落落時間:cosst=tgtgg;(44)日出時角角，正值值為日落落時角。時角:t=115

5、(n12);(55)n為時間間(244時制)。赤緯緯近似公公式:=233.455(N880.225)(1N/995000);(6)式中:NN從從元旦到到計算日日的總天天數;緯緯度。日日影長度度計算公公式:ll=Hctggh;(7)式中:HH為建筑筑物高度度，h為為太陽高高度角，l為日日影長度度。2.2太太陽方位位高精度度算法目前國內內包括前前述算法法計算誤誤差均大大于0.001度。下面介介紹一種種新的太太陽方位位計算高高精度算算法Soo-laar PPosiitioon AAlgooritthm(太陽方方位算法法)，該該算法由由美國國國家可再再生能源源實驗室室NREEL提出出，可計計算2200

6、00到60000年年之間的的太陽方方位角和和高度角角，誤差差不大于于0.000033度，其其計算方方式更符符合計算算機計算算的特點點，能夠夠更好滿滿足某些些應用領領域對太太陽方位位計算精精度要求求很高的的場合。實際校校核后我我們發(fā)現現其誤差差如日出出日落時時間計算算和國內內權威天天文臺計計算結果果比較最最大時間間誤差不不大于11分鐘，其計算算結果和和第三方方如美國國海軍實實驗室等等計算結結果較好好的吻合合。使用用該算法法我們除除可以計計算出太太陽方位位角和高高度角外外，還可可以準確確的計算算出太陽陽入射角角、時差差、日出出、日落落、日午午和全天天日照時時間。使使用新算算法計算算出的太太陽位置置

7、，可以以得出很很高精度度的計算算結果，特別適適合一些些太陽能能利用等等擴展領領域，如如太陽能能板等安安裝需要要準確計計算太陽陽方位的的應用情情況。使使用該算算法可以以方便計計算出太太陽全天天或者全全年方位位，供用用戶計算算使用。3核心計計算技術術3.1點點日照時時間計算算國內日照照分析計計算的核核心是窗窗日照分分析計算算，目前前廣泛采采用的兩兩種計算算方式是是窗中點點分析和和滿窗分分析計算算，計算算的核心心原理實實質是進進行點日日照時長長計算。點日照照時長計計算包括括多點分分析、線線上點日日照分析析計算等等。目前前國外知知名軟件件如AUUTODDESKK ECCOTEECTAANALLYSEE

8、等軟件件只能對對陰影和和遮蔽進進行定性性分析，觀察陰陰影和遮遮蔽情況況，不能能計算出出采樣點點日照時時長，更更不能根根據國內內規(guī)范要要求進行行窗日照照時長的的計算，無法滿滿足國內內日照分分析的工工程計算算需求。點日照時時長計算算涉及到到空間線線面求交交計算，使用傳傳統(tǒng)空間間幾何算算法，完完全依賴賴CPUU進行計計算，遮遮擋實體體較多，多點分分析區(qū)域域較大，采樣點點間距較較小時，采樣點點可能達達到數百百萬個，每個點點進行數數百次空空間線面面求交計計算，分分析時間間可能需需要數個個小時甚甚至更長長時間才才能完成成。下面是自自主三維維圖形平平臺空間間線面求求交的CC+語語言代碼碼:BOOOL GeP

9、Planne:IntterssecttWitth(cconsst GGeLiine33dllinee，GeePoiint33diip，ddoubble toll)coonsttGeePoiint33d pp0;GGeVeectoor3dd diir;llinee.Geet(pp0，ddir);dooublle tt=A*dirr.x+B*ddir.y+CC*diir.zz;iff(faabs(t)toll)reeturrn FFALSSE;tt=(A*pp0.xx+B*p0.y+CC*p00.z+D)/t;iip=pp0+ddir*t;rretuurn TRUUE;3.2大大規(guī)模計計算加速速日

10、照分析析計算的的下述特特點:各各地經緯緯度不同同，全天天日照角角度隨時時變化;計算對對象體量量較大，參與分分析建筑筑物較多多，計算算總面片片數達到到幾百萬萬數量級級的問題題;分析析采樣點點數十萬萬甚至百百萬級;計算精精度高，比如計計算時間間步長為為1分鐘鐘，各地地技術規(guī)規(guī)程對時時間步長長、分析析點間距距都有嚴嚴格要求求;對較較大規(guī)模模的居住住小區(qū)的的高精度度計算，目前國國內日照照分析軟軟件往往往需要數數小時甚甚至數十十小時時時間。不不斷優(yōu)化化和采用用更為先先進的算算法，解解決日照照分析計計算時間間較長的的問題是是日照分分析開發(fā)發(fā)一直重重點發(fā)展展的一個個方向，這樣也也利用開開發(fā)更多多的要求求計算

11、速速度很快快的動態(tài)態(tài)實時分分析計算算功能。以往日日照分析析計算完完全依賴賴于空間間幾何方方法按時時刻循環(huán)環(huán)計算，對于一一些比較較耗時的的分析計計算，如如平面等等時線分分析、全全天最大大陰影輪輪廓計算算，計算算一些大大工程量量的題目目往往需需要幾個個小時甚甚至更長長時間才才能完成成。我們們研發(fā)使使用了新新的基于于GPUU的三維維投影方方式的圖圖像分析析法，充充分利用用了計算算機顯卡卡的硬件件加速能能力，同同時對遮遮擋實體體進行空空間KDD樹分區(qū)區(qū)，使得得內部計計算速度度得到了了近萬倍倍的提速速，以往往需要幾幾個小時時的計算算，現在在新版本本可以在在幾分鐘鐘甚至更更快的時時間內完完成計算算。平面面

12、等時線線分析是是日照分分析的重重要工具具，以此此命令為為例，全全天陰影影輪廓是是日照分分析的重重要的輔輔助分析析工具，可以直直觀的檢檢查建筑筑物的最最大遮擋擋范圍，舊的算算法使用用計算幾幾何多邊邊形求交交算法，參與合合并計算算的帶孔孔面片可可能達到到百萬數數量級，往往要要耗費數數個小時時完成計計算。我我們使用用基于GGPU的的新面片片合并算算法，并并針對問問題陰影影輪廓特特點設計計了獨創(chuàng)創(chuàng)的邊界界掃掠算算法，全全天陰影影輪廓的的計算速速度得到到了極大大的提高高，舊算算法需要要幾個小小時的計計算工程程，新算算法可以以在幾秒秒內完成成計算，而且消消除了傳傳統(tǒng)算法法中邊界界鋸齒等等問題。目前新新算法

13、軟軟件核心心計算速速度已經經得到很很大的提提高，大大大的節(jié)節(jié)省了用用戶日照照分析所所用時間間，讓用用戶徹底底告別了了一次大大容量分分析計算算需要等等待幾十十分鐘甚甚至幾個個小時的的漫長過過程。必必須看到到，目前前日照計計算針對對問題的的優(yōu)化還還有一定定提升空空間，特特別是在在某些擴擴展計算算方面，能夠做做到交互互實時顯顯示動態(tài)態(tài)分析結結果必將將大大提提高建筑筑師的設設計效率率。4極限容容積計算算自動化完完成輔助助優(yōu)化分分析一直直是計算算機輔助助設計追追求的目目標之一一，日照照分析軟軟件除了了可以動動態(tài)顯示示建筑物物不同位位置、不不同高度度下的日日照情況況外，還還可以幫幫助用戶戶確定滿滿足某些些

14、條件下下的最佳佳建筑物物日照間間距、最最佳建筑筑物高度度，分析析計算出出最合理理的值。極限容容積計算算可對任任意的單單個或多多個地塊塊范圍按按照一定定的日照照約束條條件進行行計算處處理，通通過類似似生物進進化的不不斷的搜搜索與優(yōu)優(yōu)化，得得到擬建建建筑物物的近似似的最大大體積與與容積率率。在規(guī)劃設設計中實實際建筑筑物的體體形只要要在求出出的極限限容積空空間內，就能保保證已有有建筑的的日照滿滿足規(guī)定定，使此此地塊發(fā)發(fā)揮最大大的作用用，此結結果對于于輔助規(guī)規(guī)劃、建建筑方案案設計和和設計省省地型建建筑均具具有較大大的實用用與指導導意義。極限容容積計算算命令主主要面向向城市規(guī)規(guī)劃、建建筑方案案設計及及房

15、產開開發(fā)商，應用于于在周圍圍建筑日日照滿足足規(guī)范前前提下，規(guī)劃地地塊上建建筑方案案的布局局、優(yōu)化化，指導導方案設設計的全全過程，并在此此基礎上上優(yōu)化計計算該地地塊的當當前容積積率。極極限容積積計算除除了可以以計算出出單體建建筑物的的最大容容積外，還可以以對群體體建筑物物進行容容積優(yōu)化化切割計計算。對對多棟互互不影響響的建筑筑區(qū)域在在周圍建建筑物窗窗戶影響響下同時時搜索計計算最大大可行空空間體積積的功能能。當計計算區(qū)域域為非住住宅性建建筑時，可以不不考慮該該建筑物物本身的的日照時時間，而而只需考考慮周圍圍住宅性性建筑物物所受到到的日照照時間影影響。在小區(qū)規(guī)規(guī)劃時有有多棟互互相影響響的住宅宅型建筑

16、筑區(qū)域情情況下，搜索計計算所有有計算區(qū)區(qū)域最大大可行空空間體積積的功能能。當計計算區(qū)域域為住宅宅性建筑筑時，建建筑物本本身的日日照時間間需要參參加計算算，而所所有建筑筑之間都都彼此都都受到影影響。新新功能使使生成削削切后的的建筑物物區(qū)域體體積滿足足所有窗窗子日照照時間的的要求，且體積積容積率率是所有有可能情情況中的的較大值值。我們們內部不不斷改進進算法，如增加加邊界切切割的準準確性，改進選選擇算子子，交叉叉算子和和變異算算子，最最優(yōu)解的的收斂準準確性已已經得到到了很大大的提高高，很好好的解決決了初期期存在的的提前收收斂早熟熟，易于于陷入局局部極值值，計算算效率隨隨問題規(guī)規(guī)模增大大而降低低等問題

17、題。5建筑日日照的常常用計算算方法5.1日日照規(guī)范范設置目前各地地規(guī)劃管管理部門門針對本本地區(qū)特特點，在在國家規(guī)規(guī)范城城市居住住區(qū)規(guī)劃劃設計規(guī)規(guī)范(GB550188093)對全國國各城市市的日照照時數提提出要求求的基礎礎上制定定了適合合本地區(qū)區(qū)的日照照分析計計算規(guī)范范要求。日照分分析必須須能夠根根據各地地日照規(guī)規(guī)范要求求，靈活活的設定定日照分分析參數數，以滿滿足各地地日照計計算要求求。日照照標準的的定制界界面可以以靈活設設定分析析參數，滿足目目前國內內各地計計算規(guī)范范需求，設定的的日照標標準可以以保存和和共享，內部存存儲于圖圖形數據據庫內。5.2窗窗日照分分析窗日照分分析出了了日照時時長的計計

18、算外，對建筑筑物建設設前后不不滿足窗窗口、惡惡化窗口口等各種種情況分分別進行行統(tǒng)計，也是窗窗日照分分析重要要內容。日照分分析軟件件可以對對建筑前前后窗日日照表中中的不滿滿足窗(表格中中紅色顯顯示)、惡化窗窗(表格格中按藍藍色顯示示)按窗窗、按戶戶進行統(tǒng)統(tǒng)計，提提供了詳詳細的按按戶統(tǒng)計計規(guī)則定定制，以以滿足全全國各地地戶統(tǒng)計計規(guī)則，同時能能夠在圖圖形上高高亮顯示示這些窗窗口，各各種分析析結果表表格可以以直接繪繪制在圖圖形上，或者插插入woord文文檔中。5.3等等時線分分析平面等時時線和多多點分析析是日照照分析的的重要命命令，可可以評估估整塊分分析區(qū)域域的整體體日照情情況。須須達到計計算參數數靈

19、活設設置，輸輸出方式式靈活，表現方方式豐富富，用戶戶可以選選擇小數數點輸出出位數(可精確確到保留留兩位小小數)，計算結結果精確確，可以以選用符符號方式式清楚表表達分析析點結果果是否滿滿足規(guī)范范時數，或使用用三維短短柱方式式，形象象表達等等時線分分析結果果，可對對分析滿滿足情況況進行整整體統(tǒng)計計。5.4窗窗日照圓圓錐窗日照圓圓錐是日日照分析析的重要要輔助分分析命令令，窗日日照圓錐錐可以選選擇結果果成面的的方式繪繪制分析析結果，并用紅紅色和綠綠色代表表有遮擋擋和無遮遮擋的日日照時刻刻，分析析結果一一目了然然。建設設前后窗窗日照光光線比較較可以通通過不同同顏色清清楚的標標示出建建設前不不遮擋而而建設

20、后后遮擋的的時刻，實際分分析應用用中可以以直觀觀觀察窗口口不同時時刻遮擋擋情況。6日照分分析結果果的后期期表現6.1實實時陰影影顯示基于OppenGGL窗口口的實時時陰影顯顯示，可可以直觀觀全天日日照陰影影情況。除了可可以觀察察多個建建筑物的的疊加陰陰影外，還可以以指定顯顯示若干干個建筑筑物，指指定了一一個建筑筑物顯示示陰影，幫助我我們觀察察單個建建筑物的的陰影遮遮擋情況況，也可可以給不不同建筑筑物指定定不同陰陰影顯示示顏色，便于區(qū)區(qū)分不同同建筑物物的陰影影遮擋情情況。6.2日日照渲染染渲染出某某一指定定時刻場場地內所所有物體體在日光光照射下下的情形形圖片，可以靈靈活調整整視口，如設置置為太陽

21、陽方向，直觀某某一時刻刻日照陰陰影遮蔽蔽情況。給不同同面片賦賦予透明明材質設設置透明明值后，可以渲渲染出光光線透過過窗口的的透明效效果。6.3日日照表格格和報告告書日照分析析計算的的多數分分析計算算結果以以表格形形式表現現，如點點分析結結果，窗窗日照分分析結果果等，提提供靈活活的表格格編輯功功能，滿滿足導出出到WOORD文文件和直直接繪制制圖形的的需求。日照報報告書除除了可以以自動填填寫外，還可以以根據計計算經緯緯度自動動選擇報報告模板板，適應應不同地地區(qū)日照照報告書書格式要要求。7擴展計計算和應應用7.1太太陽能計計算太陽能是是一種可可再生的的清潔能能源，被被人們譽譽為211世紀最最有希望望

22、的能源源。當前前太陽能能應用最最具發(fā)展展?jié)摿Φ牡念I域就就是太陽陽能在建建筑中的的應用，我國大大部分地地區(qū)都適適合利用用太陽能能，太陽陽能熱水水器等技技術已經經普及和和成熟。到達地地面的太太陽輻射射有兩部部分:一一是太陽陽以平行行光線的的形式直直接投射射到地面面上，稱稱為太陽陽直接輻輻射熱;一是經經過散射射后自天天空投射射到地面面的，稱稱為天空空散射熱熱，兩者者之和稱稱為總輻輻射。太太陽輻射射熱和散散射熱計計算對太太陽能的的評估利利用有很很大幫助助。太陽陽入射總總能量可可由下面面公式計計算E入入射=(E直直接x co(A入射射角)xx F陰陰影比例例)+(E散射射x FF天空可可見)x SS分析

23、受受熱區(qū)域域字母EE代表能能量，FF代表系系數。7.2反反射計算算上海、杭杭州、廣廣州等許許多城市市對光污污染問題題都有明明確的規(guī)規(guī)范性條條文，以以此控制制玻璃幕幕墻在使使用中所所帶來的的負面效效應。上上海市建建委對外外環(huán)線以以內(特特別是內內環(huán)線以以內)的的玻璃幕幕墻的比比例、玻玻璃的反反光率都都有嚴格格控制;對于不不能滿足足要求的的，必須須對幕墻墻的設計計進行修修改，并并經過專專項評審審，確定定不會造造成光污污染后，項目才才能順利利實施。使用反反射計算算可分析析計算出出玻璃幕幕墻一次次反射光光照區(qū)域域和光照照時間，可計算算周圍地地面和墻墻面上受受玻璃幕幕墻反射射的影響響，根據據分析結結果可

24、對對建筑的的光污染染程度進進行科學學的評估估，在設設計時，避免特特定時間間段內或或特定角角度下影影響周邊邊用戶，有效解解決常見見的光污污染問題題有很大大幫助。7.3遮遮陽裝置置設計在南方地地區(qū)，遮遮陽是實實現建筑筑節(jié)能的的一個重重要技術術手段。采用逆逆日影計計算方式式，可計計算出不不同日期期下建筑筑物窗口口上方或或周圍的的遮陽板板最小輪輪廓，設設計人員員可參考考此輪廓廓設計出出更經濟濟和更有有效的遮遮陽板，并對遮遮陽板遮遮陽效果果進行模模擬評估估，減少少建筑能能耗，改改善住宅宅性能。數值的的意義是是該日期期內窗口口的返回回光線在在遮陽板板上產生生照射的的時間總總和，該該值可以以被看作作遮陽板板上該點點對窗口口遮陽作作用的權權值。會會在遮陽陽板上沿沿著零數數值的邊邊界繪制制零時間間界線。8總結與與展望本文概括括介紹了了日照分分析軟件件的相關關原理、計算方方法和目目前工程程應用情情況，并并且對日日照分析析中遇到到的一些些難點問問題介紹紹了一些些相關解解決方法法。日照照分析經經過多年年的積累累和發(fā)展展，計算算從最初初的點日日照時長長計