关于建筑的论文有关建筑论文：建筑日照分析原理与计算方法的研究

1、 关于建筑的论文有关建筑论文：建筑日照分析原理与计算方法的研究【摘要】本文全面系统总结介绍了开发建筑日照分析CAD软件所涉及基本原理、核心计算加速技术、极限容积计算和目前工程实际应用情况。例如太阳位置计算原理、平面等时线百万级采样点大规模分析内部采用的计算加速技术，日照分析根据国内目前各地日照规范要求在工程应用中常用典型的分析方法，日照分析后期的结果表现、如实时表现建筑物阴影，日照分析表格和报告书，日照分析研究的扩展领域，如太阳能计算和综合利用、玻璃幕墙反射光污染评估计算和遮阳装置设计等内容进行了系统简要的介绍。文中论述的许多核心技术和分析方法目前已经应用在PKPM建筑工程软件研究所研发的SU

2、NLIGHT日照分析软件中，对日照分析CAD软件的进一步研究有一定的参考价值。【关键词】计算机应用;日照分析;GPU计算;遗传算法;太阳能利用1引言以往在规规划管理理中涉及及到的有有关日照照方面的的问题，通常采采用传统统的分析析方法，存在计计算规则则和方法法过于复复杂，现现状数据据资料难难以收集集，数据据精度无无法保证证以及操操作性差差等问题题，需要要投入大大量人力力、物力力。同时时，传统统设计方方式仅限限于满足足规范中中的日照照要求，并未将将日照相相关分析析结果与与绿色建建筑设计计中的节节地、节节能及自自然能源源利用、建筑环环境控制制等因素素有效结结合，进进行整体体考虑。研发符合合绿色建建筑

3、设计计规范要要求，操操作简便便，计算算结果合合理可靠靠的日照照分析CCAD辅辅助分析析系统对对建筑物物区进行行日照采采光分析析，对于于绿色建建筑的节节地、节节能设计计，解决决日益发发展的城城市规划划与公众众对于人人居环境境不断增增长的需需求之间间的矛盾盾，对于于减少建建筑对自自然资源源的严重重消耗，对于前前瞻性地地对规划划设计方方案进行行合理分分析，避避免设计计中可能能产生的的日照问问题，对对于自然然能源的的合理有有效利用用，对于于城市建建设的理理性、有有序发展展都具有有较大意意义。2太阳位位置计算算原理日照分析析计算中中的基本本原理是是计算太太阳的位位置，即即太阳的的高度角角和方位位角。目目

4、前国内内计算基基本采用用建筑筑设计资资料集第二版版第9章章中提供供的计算算公式进进行计算算。2.1建建筑手册册推算公公式真太阳时时:太阳阳位置计计算采用用真太阳阳时。换算公式式:真太太阳时=北京时时间+时时差(1200当地地经度)/155(1)太阳方位位角计算算:coosA=(siinhsinnsiin)/(cosshcoss)(22)1800A1800或0A3600;1180t1800或0t3600。太阳高度度角:ssinhh=siinsinn+ccoscooscosst;90h90(3)日出时间间与日落落时间:cosst=tgtgg;(44)日出时角角，正值值为日落落时角。时角:t=115

5、(n12);(55)n为时间间(244时制)。赤纬纬近似公公式:=233.455(N880.225)(1N/995000);(6)式中:NN从从元旦到到计算日日的总天天数;纬纬度。日日影长度度计算公公式:ll=Hctggh;(7)式中:HH为建筑筑物高度度，h为为太阳高高度角，l为日日影长度度。2.2太太阳方位位高精度度算法目前国内内包括前前述算法法计算误误差均大大于0.001度。下面介介绍一种种新的太太阳方位位计算高高精度算算法Soo-laar PPosiitioon AAlgooritthm(太阳方方位算法法)，该该算法由由美国国国家可再再生能源源实验室室NREEL提出出，可计计算2200

6、00到60000年年之间的的太阳方方位角和和高度角角，误差差不大于于0.000033度，其其计算方方式更符符合计算算机计算算的特点点，能够够更好满满足某些些应用领领域对太太阳方位位计算精精度要求求很高的的场合。实际校校核后我我们发现现其误差差如日出出日落时时间计算算和国内内权威天天文台计计算结果果比较最最大时间间误差不不大于11分钟，其计算算结果和和第三方方如美国国海军实实验室等等计算结结果较好好的吻合合。使用用该算法法我们除除可以计计算出太太阳方位位角和高高度角外外，还可可以准确确的计算算出太阳阳入射角角、时差差、日出出、日落落、日午午和全天天日照时时间。使使用新算算法计算算出的太太阳位置置

7、，可以以得出很很高精度度的计算算结果，特别适适合一些些太阳能能利用等等扩展领领域，如如太阳能能板等安安装需要要准确计计算太阳阳方位的的应用情情况。使使用该算算法可以以方便计计算出太太阳全天天或者全全年方位位，供用用户计算算使用。3核心计计算技术术3.1点点日照时时间计算算国内日照照分析计计算的核核心是窗窗日照分分析计算算，目前前广泛采采用的两两种计算算方式是是窗中点点分析和和满窗分分析计算算，计算算的核心心原理实实质是进进行点日日照时长长计算。点日照照时长计计算包括括多点分分析、线线上点日日照分析析计算等等。目前前国外知知名软件件如AUUTODDESKK ECCOTEECTAANALLYSEE

8、等软件件只能对对阴影和和遮蔽进进行定性性分析，观察阴阴影和遮遮蔽情况况，不能能计算出出采样点点日照时时长，更更不能根根据国内内规范要要求进行行窗日照照时长的的计算，无法满满足国内内日照分分析的工工程计算算需求。点日照时时长计算算涉及到到空间线线面求交交计算，使用传传统空间间几何算算法，完完全依赖赖CPUU进行计计算，遮遮挡实体体较多，多点分分析区域域较大，采样点点间距较较小时，采样点点可能达达到数百百万个，每个点点进行数数百次空空间线面面求交计计算，分分析时间间可能需需要数个个小时甚甚至更长长时间才才能完成成。下面是自自主三维维图形平平台空间间线面求求交的CC+语语言代码码: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大大规模计计算加速速日

10、照分析析计算的的下述特特点:各各地经纬纬度不同同，全天天日照角角度随时时变化;计算对对象体量量较大，参与分分析建筑筑物较多多，计算算总面片片数达到到几百万万数量级级的问题题;分析析采样点点数十万万甚至百百万级;计算精精度高，比如计计算时间间步长为为1分钟钟，各地地技术规规程对时时间步长长、分析析点间距距都有严严格要求求;对较较大规模模的居住住小区的的高精度度计算，目前国国内日照照分析软软件往往往需要数数小时甚甚至数十十小时时时间。不不断优化化和采用用更为先先进的算算法，解解决日照照分析计计算时间间较长的的问题是是日照分分析开发发一直重重点发展展的一个个方向，这样也也利用开开发更多多的要求求计算

11、速速度很快快的动态态实时分分析计算算功能。以往日日照分析析计算完完全依赖赖于空间间几何方方法按时时刻循环环计算，对于一一些比较较耗时的的分析计计算，如如平面等等时线分分析、全全天最大大阴影轮轮廓计算算，计算算一些大大工程量量的题目目往往需需要几个个小时甚甚至更长长时间才才能完成成。我们们研发使使用了新新的基于于GPUU的三维维投影方方式的图图像分析析法，充充分利用用了计算算机显卡卡的硬件件加速能能力，同同时对遮遮挡实体体进行空空间KDD树分区区，使得得内部计计算速度度得到了了近万倍倍的提速速，以往往需要几几个小时时的计算算，现在在新版本本可以在在几分钟钟甚至更更快的时时间内完完成计算算。平面面

12、等时线线分析是是日照分分析的重重要工具具，以此此命令为为例，全全天阴影影轮廓是是日照分分析的重重要的辅辅助分析析工具，可以直直观的检检查建筑筑物的最最大遮挡挡范围，旧的算算法使用用计算几几何多边边形求交交算法，参与合合并计算算的带孔孔面片可可能达到到百万数数量级，往往要要耗费数数个小时时完成计计算。我我们使用用基于GGPU的的新面片片合并算算法，并并针对问问题阴影影轮廓特特点设计计了独创创的边界界扫掠算算法，全全天阴影影轮廓的的计算速速度得到到了极大大的提高高，旧算算法需要要几个小小时的计计算工程程，新算算法可以以在几秒秒内完成成计算，而且消消除了传传统算法法中边界界锯齿等等问题。目前新新算法

13、软软件核心心计算速速度已经经得到很很大的提提高，大大大的节节省了用用户日照照分析所所用时间间，让用用户彻底底告别了了一次大大容量分分析计算算需要等等待几十十分钟甚甚至几个个小时的的漫长过过程。必必须看到到，目前前日照计计算针对对问题的的优化还还有一定定提升空空间，特特别是在在某些扩扩展计算算方面，能够做做到交互互实时显显示动态态分析结结果必将将大大提提高建筑筑师的设设计效率率。4极限容容积计算算自动化完完成辅助助优化分分析一直直是计算算机辅助助设计追追求的目目标之一一，日照照分析软软件除了了可以动动态显示示建筑物物不同位位置、不不同高度度下的日日照情况况外，还还可以帮帮助用户户确定满满足某些些

14、条件下下的最佳佳建筑物物日照间间距、最最佳建筑筑物高度度，分析析计算出出最合理理的值。极限容容积计算算可对任任意的单单个或多多个地块块范围按按照一定定的日照照约束条条件进行行计算处处理，通通过类似似生物进进化的不不断的搜搜索与优优化，得得到拟建建建筑物物的近似似的最大大体积与与容积率率。在规划设设计中实实际建筑筑物的体体形只要要在求出出的极限限容积空空间内，就能保保证已有有建筑的的日照满满足规定定，使此此地块发发挥最大大的作用用，此结结果对于于辅助规规划、建建筑方案案设计和和设计省省地型建建筑均具具有较大大的实用用与指导导意义。极限容容积计算算命令主主要面向向城市规规划、建建筑方案案设计及及房

15、产开开发商，应用于于在周围围建筑日日照满足足规范前前提下，规划地地块上建建筑方案案的布局局、优化化，指导导方案设设计的全全过程，并在此此基础上上优化计计算该地地块的当当前容积积率。极极限容积积计算除除了可以以计算出出单体建建筑物的的最大容容积外，还可以以对群体体建筑物物进行容容积优化化切割计计算。对对多栋互互不影响响的建筑筑区域在在周围建建筑物窗窗户影响响下同时时搜索计计算最大大可行空空间体积积的功能能。当计计算区域域为非住住宅性建建筑时，可以不不考虑该该建筑物物本身的的日照时时间，而而只需考考虑周围围住宅性性建筑物物所受到到的日照照时间影影响。在小区规规划时有有多栋互互相影响响的住宅宅型建筑

16、筑区域情情况下，搜索计计算所有有计算区区域最大大可行空空间体积积的功能能。当计计算区域域为住宅宅性建筑筑时，建建筑物本本身的日日照时间间需要参参加计算算，而所所有建筑筑之间都都彼此都都受到影影响。新新功能使使生成削削切后的的建筑物物区域体体积满足足所有窗窗子日照照时间的的要求，且体积积容积率率是所有有可能情情况中的的较大值值。我们们内部不不断改进进算法，如增加加边界切切割的准准确性，改进选选择算子子，交叉叉算子和和变异算算子，最最优解的的收敛准准确性已已经得到到了很大大的提高高，很好好的解决决了初期期存在的的提前收收敛早熟熟，易于于陷入局局部极值值，计算算效率随随问题规规模增大大而降低低等问题

17、题。5建筑日日照的常常用计算算方法5.1日日照规范范设置目前各地地规划管管理部门门针对本本地区特特点，在在国家规规范城城市居住住区规划划设计规规范(GB550188093)对全国国各城市市的日照照时数提提出要求求的基础础上制定定了适合合本地区区的日照照分析计计算规范范要求。日照分分析必须须能够根根据各地地日照规规范要求求，灵活活的设定定日照分分析参数数，以满满足各地地日照计计算要求求。日照照标准的的定制界界面可以以灵活设设定分析析参数，满足目目前国内内各地计计算规范范需求，设定的的日照标标准可以以保存和和共享，内部存存储于图图形数据据库内。5.2窗窗日照分分析窗日照分分析出了了日照时时长的计计

18、算外，对建筑筑物建设设前后不不满足窗窗口、恶恶化窗口口等各种种情况分分别进行行统计，也是窗窗日照分分析重要要内容。日照分分析软件件可以对对建筑前前后窗日日照表中中的不满满足窗(表格中中红色显显示)、恶化窗窗(表格格中按蓝蓝色显示示)按窗窗、按户户进行统统计，提提供了详详细的按按户统计计规则定定制，以以满足全全国各地地户统计计规则，同时能能够在图图形上高高亮显示示这些窗窗口，各各种分析析结果表表格可以以直接绘绘制在图图形上，或者插插入woord文文档中。5.3等等时线分分析平面等时时线和多多点分析析是日照照分析的的重要命命令，可可以评估估整块分分析区域域的整体体日照情情况。须须达到计计算参数数灵

19、活设设置，输输出方式式灵活，表现方方式丰富富，用户户可以选选择小数数点输出出位数(可精确确到保留留两位小小数)，计算结结果精确确，可以以选用符符号方式式清楚表表达分析析点结果果是否满满足规范范时数，或使用用三维短短柱方式式，形象象表达等等时线分分析结果果，可对对分析满满足情况况进行整整体统计计。5.4窗窗日照圆圆锥窗日照圆圆锥是日日照分析析的重要要辅助分分析命令令，窗日日照圆锥锥可以选选择结果果成面的的方式绘绘制分析析结果，并用红红色和绿绿色代表表有遮挡挡和无遮遮挡的日日照时刻刻，分析析结果一一目了然然。建设设前后窗窗日照光光线比较较可以通通过不同同颜色清清楚的标标示出建建设前不不遮挡而而建设

20、后后遮挡的的时刻，实际分分析应用用中可以以直观观观察窗口口不同时时刻遮挡挡情况。6日照分分析结果果的后期期表现6.1实实时阴影影显示基于OppenGGL窗口口的实时时阴影显显示，可可以直观观全天日日照阴影影情况。除了可可以观察察多个建建筑物的的叠加阴阴影外，还可以以指定显显示若干干个建筑筑物，指指定了一一个建筑筑物显示示阴影，帮助我我们观察察单个建建筑物的的阴影遮遮挡情况况，也可可以给不不同建筑筑物指定定不同阴阴影显示示颜色，便于区区分不同同建筑物物的阴影影遮挡情情况。6.2日日照渲染染渲染出某某一指定定时刻场场地内所所有物体体在日光光照射下下的情形形图片，可以灵灵活调整整视口，如设置置为太阳

21、阳方向，直观某某一时刻刻日照阴阴影遮蔽蔽情况。给不同同面片赋赋予透明明材质设设置透明明值后，可以渲渲染出光光线透过过窗口的的透明效效果。6.3日日照表格格和报告告书日照分析析计算的的多数分分析计算算结果以以表格形形式表现现，如点点分析结结果，窗窗日照分分析结果果等，提提供灵活活的表格格编辑功功能，满满足导出出到WOORD文文件和直直接绘制制图形的的需求。日照报报告书除除了可以以自动填填写外，还可以以根据计计算经纬纬度自动动选择报报告模板板，适应应不同地地区日照照报告书书格式要要求。7扩展计计算和应应用7.1太太阳能计计算太阳能是是一种可可再生的的清洁能能源，被被人们誉誉为211世纪最最有希望望

22、的能源源。当前前太阳能能应用最最具发展展潜力的的领域就就是太阳阳能在建建筑中的的应用，我国大大部分地地区都适适合利用用太阳能能，太阳阳能热水水器等技技术已经经普及和和成熟。到达地地面的太太阳辐射射有两部部分:一一是太阳阳以平行行光线的的形式直直接投射射到地面面上，称称为太阳阳直接辐辐射热;一是经经过散射射后自天天空投射射到地面面的，称称为天空空散射热热，两者者之和称称为总辐辐射。太太阳辐射射热和散散射热计计算对太太阳能的的评估利利用有很很大帮助助。太阳阳入射总总能量可可由下面面公式计计算E入入射=(E直直接x co(A入射射角)xx F阴阴影比例例)+(E散射射x FF天空可可见)x SS分析

23、受受热区域域字母EE代表能能量，FF代表系系数。7.2反反射计算算上海、杭杭州、广广州等许许多城市市对光污污染问题题都有明明确的规规范性条条文，以以此控制制玻璃幕幕墙在使使用中所所带来的的负面效效应。上上海市建建委对外外环线以以内(特特别是内内环线以以内)的的玻璃幕幕墙的比比例、玻玻璃的反反光率都都有严格格控制;对于不不能满足足要求的的，必须须对幕墙墙的设计计进行修修改，并并经过专专项评审审，确定定不会造造成光污污染后，项目才才能顺利利实施。使用反反射计算算可分析析计算出出玻璃幕幕墙一次次反射光光照区域域和光照照时间，可计算算周围地地面和墙墙面上受受玻璃幕幕墙反射射的影响响，根据据分析结结果可

24、对对建筑的的光污染染程度进进行科学学的评估估，在设设计时，避免特特定时间间段内或或特定角角度下影影响周边边用户，有效解解决常见见的光污污染问题题有很大大帮助。7.3遮遮阳装置置设计在南方地地区，遮遮阳是实实现建筑筑节能的的一个重重要技术术手段。采用逆逆日影计计算方式式，可计计算出不不同日期期下建筑筑物窗口口上方或或周围的的遮阳板板最小轮轮廓，设设计人员员可参考考此轮廓廓设计出出更经济济和更有有效的遮遮阳板，并对遮遮阳板遮遮阳效果果进行模模拟评估估，减少少建筑能能耗，改改善住宅宅性能。数值的的意义是是该日期期内窗口口的返回回光线在在遮阳板板上产生生照射的的时间总总和，该该值可以以被看作作遮阳板板上该点点对窗口口遮阳作作用的权权值。会会在遮阳阳板上沿沿着零数数值的边边界绘制制零时间间界线。8总结与与展望本文概括括介绍了了日照分分析软件件的相关关原理、计算方方法和目目前工程程应用情情况，并并且对日日照分析析中遇到到的一些些难点问问题介绍绍了一些些相关解解决方法法。日照照分析经经过多年年的积累累和发展展，计算算从最初初的点日日照时长长计