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19347.docx

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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】计计算机应应用;日日照分析析;GPPU计算算;遗传传算法;太阳能能利用1引言以往在规划划管理中中涉及到到的有关关日照方方面的问问题，通通常采用用传统的的分析方方法，存存在计算算规则和和方法过过于复杂杂，现状状数据资资料难以以收集，数数据精度度无法保保证以及及操作性性差等问问题，需需要投入入大量人人力、物物力。同同时，传传统设计计方式仅仅限于满满足规范范中的日日照要求求，并未未将日照照相关分分析结果果与绿色色建筑设设计中的的节地、节节能及自自然能源源利用、建建筑环境境控制等等因素有有效结合合，进行行整体考考虑

3、。研发符合绿绿色建筑筑设计规规范要求求，操作作简便，计计算结果果合理可可靠的日日照分析析CADD辅助分分析系统统对建筑筑物区进进行日照照采光分分析，对对于绿色色建筑的的节地、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，对对于前瞻瞻性地对对规划设设计方案案进行合合理分析析，避免免设计中中可能产产生的日日照问题题，对于于自然能能源的合合理有效效利用，对对于城市市建设的的理性、有有序发展展都具有有较大意意义。2太阳位置置计算原原理日照分析计计算中的的基本原原理是计计算太阳阳的位置置，即太太阳的高高度

4、角和和方位角角。目前前国内计计算基本本采用建建筑设计计资料集集第二二版第99章中提提供的计计算公式式进行计计算。2.1建筑筑手册推推算公式式真太阳时:太阳位位置计算算采用真真太阳时时。换算公式:真太阳阳时=北北京时间间+时差差(1120当地地经度)/155(1)太阳方位角角计算:cossA=(sinnhsinnsiin)/(cosshcoss)(22)180A1800或0A3600;1180t1800或0t3600。太阳高度角角:siinh=sinnssin+cooscossccostt;990h90(3)日出时间与与日落时时间:ccostt=ttgtg;(44)日出时角，正正值为日日落时角角

5、。时角角:t=15(n12);(55)n为时间(24时时制)。赤赤纬近似似公式:=233.455(N880.225)(1N/995000);(6)式中:N从元元旦到计计算日的的总天数数;纬纬度。日日影长度度计算公公式:ll=Hctggh;(7)式中:H为为建筑物物高度，hh为太阳阳高度角角，l为为日影长长度。2.2太阳阳方位高高精度算算法目前国内包包括前述述算法计计算误差差均大于于0.001度。下下面介绍绍一种新新的太阳阳方位计计算高精精度算法法So-larr Poosittionn Allgorrithhm(太太阳方位位算法)，该算算法由美美国国家家可再生生能源实实验室NNRELL提出，可可

6、计算20000到660000年之间间的太阳阳方位角角和高度度角，误误差不大大于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。实实际校核核后我们们发现其其误差如如日出日日落时间间计算和和国内权权威天文文台计算算结果比比较最大大时间误误差不大大于1分分钟，其其计算结结果和第第三方如如美国海海军实验验室等计计算结果果较好的的吻合。使使用该算算法我们们除可以以计算出出太阳方方位角和和高度角角外，还还可以准准确的计计算出太太阳入射射角、时时差、日日出、日日落、日日午和全全天日照照时间。使使用新算算法计算算出的

7、太太阳位置置，可以以得出很很高精度度的计算算结果，特特别适合合一些太太阳能利利用等扩扩展领域域，如太太阳能板板等安装装需要准准确计算算太阳方方位的应应用情况况。使用用该算法法可以方方便计算算出太阳阳全天或或者全年年方位，供供用户计计算使用用。3核心计算算技术3.1点日日照时间间计算国内日照分分析计算算的核心心是窗日日照分析析计算，目目前广泛泛采用的的两种计计算方式式是窗中中点分析析和满窗窗分析计计算，计计算的核核心原理理实质是是进行点点日照时时长计算算。点日日照时长长计算包包括多点点分析、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 ECCOTEECTAANAL

8、LYSEE等软件件只能对对阴影和和遮蔽进进行定性性分析，观观察阴影影和遮蔽蔽情况，不不能计算算出采样样点日照照时长，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，无无法满足足国内日日照分析析的工程程计算需需求。点日照时长长计算涉涉及到空空间线面面求交计计算，使使用传统统空间几几何算法法，完全全依赖CCPU进进行计算算，遮挡挡实体较较多，多多点分析析区域较较大，采采样点间间距较小小时，采采样点可可能达到到数百万万个，每每个点进进行数百百次空间间线面求求交计算算，分析析时间可可能需要要数个小小时甚至至更长时时间才能能完成。下面是自主主三维图图形平台台空间线线面求交交的C+语言言代码:B

9、OOOL GGePllanee:IInteerseectWWithh(coonstt GeeLinne3ddliine，GGePoointt3dip，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大规规

10、模计算算加速日照分析计计算的下下述特点点:各地地经纬度度不同，全全天日照照角度随随时变化化;计算算对象体体量较大大，参与与分析建建筑物较较多，计计算总面面片数达达到几百百万数量量级的问问题;分分析采样样点数十十万甚至至百万级级;计算算精度高高，比如如计算时时间步长长为1分分钟，各各地技术术规程对对时间步步长、分分析点间间距都有有严格要要求;对对较大规规模的居居住小区区的高精精度计算算，目前前国内日日照分析析软件往往往需要要数小时时甚至数数十小时时时间。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，这这样也利利用

11、开发发更多的的要求计计算速度度很快的的动态实实时分析析计算功功能。以以往日照照分析计计算完全全依赖于于空间几几何方法法按时刻刻循环计计算，对对于一些些比较耗耗时的分分析计算算，如平平面等时时线分析析、全天天最大阴阴影轮廓廓计算，计计算一些些大工程程量的题题目往往往需要几几个小时时甚至更更长时间间才能完完成。我我们研发发使用了了新的基基于GPPU的三三维投影影方式的的图像分分析法，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

12、时间内完完成计算算。平面面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，可可以直观观的检查查建筑物物的最大大遮挡范范围，旧旧的算法法使用计计算几何何多边形形求交算算法，参参与合并并计算的的带孔面面片可能能达到百百万数量量级，往往往要耗耗费数个个小时完完成计算算。我们们使用基基于GPPU的新新面片合合并算法法，并针针对问题题阴影轮轮廓特点点设计了了独创的的边界扫扫掠算法法，全天天阴影轮轮廓的计计算速度度得到了了极大的的提高，旧旧算法需需要几个个小时的的计算工工程，新新算法可可以在几几秒内完完成计算算，而且且消除了了传统算算法

13、中边边界锯齿齿等问题题。目前前新算法法软件核核心计算算速度已已经得到到很大的的提高，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，能能够做到到交互实实时显示示动态分分析结果果必将大大大提高高建筑师师的设计计效率。4极限容积积计算自动化完成成辅助优优化分析析一直是是计算机机辅助设设计追求求的目标标之一，日日照分析析软件除除了可以以动态显显示建筑筑物不同同位置、不不同高度度下的日日照情况况外，还还

14、可以帮帮助用户户确定满满足某些些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。极极限容积积计算可可对任意意的单个个或多个个地块范范围按照照一定的的日照约约束条件件进行计计算处理理，通过过类似生生物进化化的不断断的搜索索与优化化，得到到拟建建建筑物的的近似的的最大体体积与容容积率。在规划设计计中实际际建筑物物的体形形只要在在求出的的极限容容积空间间内，就就能保证证已有建建筑的日日照满足足规定，使使此地块块发挥最最大的作作用，此此结果对对于辅助助规划、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。极极限容积积计算命命令主要要面向城

15、城市规划划、建筑筑方案设设计及房房产开发发商，应应用于在在周围建建筑日照照满足规规范前提提下，规规划地块块上建筑筑方案的的布局、优优化，指指导方案案设计的的全过程程，并在在此基础础上优化化计算该该地块的的当前容容积率。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，还还可以对对群体建建筑物进进行容积积优化切切割计算算。对多多栋互不不影响的的建筑区区域在周周围建筑筑物窗户户影响下下同时搜搜索计算算最大可可行空间间体积的的功能。当计算区域为非住宅性建筑时，可以不考虑该建筑物本身的日照时间，而只需考虑周围住宅性建筑物所受到的日照时间影响。在小区规划划时有多多栋互相相影响的的住宅型型

16、建筑区区域情况况下，搜搜索计算算所有计计算区域域最大可可行空间间体积的的功能。当当计算区区域为住住宅性建建筑时，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，且且体积容容积率是是所有可可能情况况中的较较大值。我我们内部部不断改改进算法法，如增增加边界界切割的的准确性性，改进进选择算算子，交交叉算子子和变异异算子，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

17、低等问题题。5建筑日照照的常用用计算方方法5.1日照照规范设设置目前各地规规划管理理部门针针对本地地区特点点，在国国家规范范城市市居住区区规划设设计规范范(GGB500180093)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。日日照分析析必须能能够根据据各地日日照规范范要求，灵灵活的设设定日照照分析参参数，以以满足各各地日照照计算要要求。日日照标准准的定制制界面可可以灵活活设定分分析参数数，满足足目前国国内各地地计算规规范需求求，设定定的日照照标准可可以保存存和共享享，内部部存储于于图形数数据库内内。5.2窗日日照分析析窗日照分析析出了

18、日日照时长长的计算算外，对对建筑物物建设前前后不满满足窗口口、恶化化窗口等等各种情情况分别别进行统统计，也也是窗日日照分析析重要内内容。日日照分析析软件可可以对建建筑前后后窗日照照表中的的不满足足窗(表表格中红红色显示示)、恶恶化窗(表格中中按蓝色色显示)按窗、按按户进行行统计，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，同同时能够够在图形形上高亮亮显示这这些窗口口，各种种分析结结果表格格可以直直接绘制制在图形形上，或或者插入入worrd文档档中。5.3等时时线分析析平面等时线线和多点点分析是是日照分分析的重重要命令令，可以以评估整整块分析析区域的的整体日日照情况

19、况。须达达到计算算参数灵灵活设置置，输出出方式灵灵活，表表现方式式丰富，用用户可以以选择小小数点输输出位数数(可精精确到保保留两位位小数)，计算算结果精精确，可可以选用用符号方方式清楚楚表达分分析点结结果是否否满足规规范时数数，或使使用三维维短柱方方式，形形象表达达等时线线分析结结果，可可对分析析满足情情况进行行整体统统计。5.4窗日日照圆锥锥窗日照圆锥锥是日照照分析的的重要辅辅助分析析命令，窗窗日照圆圆锥可以以选择结结果成面面的方式式绘制分分析结果果，并用用红色和和绿色代代表有遮遮挡和无无遮挡的的日照时时刻，分分析结果果一目了了然。建建设前后后窗日照照光线比比较可以以通过不不同颜色色清楚的的

20、标示出出建设前前不遮挡挡而建设设后遮挡挡的时刻刻，实际际分析应应用中可可以直观观观察窗窗口不同同时刻遮遮挡情况况。6日照分析析结果的的后期表表现6.1实时时阴影显显示基于OpeenGLL窗口的的实时阴阴影显示示，可以以直观全全天日照照阴影情情况。除除了可以以观察多多个建筑筑物的叠叠加阴影影外，还还可以指指定显示示若干个个建筑物物，指定定了一个个建筑物物显示阴阴影，帮帮助我们们观察单单个建筑筑物的阴阴影遮挡挡情况，也也可以给给不同建建筑物指指定不同同阴影显显示颜色色，便于于区分不不同建筑筑物的阴阴影遮挡挡情况。6.2日照照渲染渲染出某一一指定时时刻场地地内所有有物体在在日光照照射下的的情形图图片

21、，可可以灵活活调整视视口，如如设置为为太阳方方向，直直观某一一时刻日日照阴影影遮蔽情情况。给给不同面面片赋予予透明材材质设置置透明值值后，可可以渲染染出光线线透过窗窗口的透透明效果果。6.3日照照表格和和报告书书日照分析计计算的多多数分析析计算结结果以表表格形式式表现，如如点分析析结果，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。日日照报告告书除了了可以自自动填写写外，还还可以根根据计算算经纬度度自动选选择报告告模板，适适应不同同地区日日照报告告书格式式要求。7扩展计算算和应用用7.1太阳阳能计算算太阳能是一一种可再再生的清

22、清洁能源源，被人人们誉为为21世世纪最有有希望的的能源。当当前太阳阳能应用用最具发发展潜力力的领域域就是太太阳能在在建筑中中的应用用，我国国大部分分地区都都适合利利用太阳阳能，太太阳能热热水器等等技术已已经普及及和成熟熟。到达达地面的的太阳辐辐射有两两部分:一是太太阳以平平行光线线的形式式直接投投射到地地面上，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

23、例)+(E散射射x FF天空可可见)x SS分析受受热区域域字母EE代表能能量，FF代表系系数。7.2反射射计算上海、杭州州、广州州等许多多城市对对光污染染问题都都有明确确的规范范性条文文，以此此控制玻玻璃幕墙墙在使用用中所带带来的负负面效应应。上海海市建委委对外环环线以内内(特别别是内环环线以内内)的玻玻璃幕墙墙的比例例、玻璃璃的反光光率都有有严格控控制;对对于不能能满足要要求的，必必须对幕幕墙的设设计进行行修改，并并经过专专项评审审，确定定不会造造成光污污染后，项项目才能能顺利实实施。使使用反射射计算可可分析计计算出玻玻璃幕墙墙一次反反射光照照区域和和光照时时间，可可计算周周围地面面和墙面

24、面上受玻玻璃幕墙墙反射的的影响，根根据分析析结果可可对建筑筑的光污污染程度度进行科科学的评评估，在在设计时时，避免免特定时时间段内内或特定定角度下下影响周周边用户户，有效效解决常常见的光光污染问问题有很很大帮助助。7.3遮阳阳装置设设计在南方地区区，遮阳阳是实现现建筑节节能的一一个重要要技术手手段。采采用逆日日影计算算方式，可可计算出出不同日日期下建建筑物窗窗口上方方或周围围的遮阳阳板最小小轮廓，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，并并对遮阳阳板遮阳阳效果进进行模拟拟评估，减减少建筑筑能耗，改改善住宅宅性能。数数值的意意义是该该日期内内窗口的的返回光光线在遮遮阳板

25、上上产生照照射的时时间总和和，该值值可以被被看作遮遮阳板上上该点对对窗口遮遮阳作用用的权值值。会在在遮阳板板上沿着着零数值值的边界界绘制零零时间界界线。8总结与展展望本文概括介介绍了日日照分析析软件的的相关原原理、计计算方法法和目前前工程应应用情况况，并且且对日照照分析中中遇到的的一些难难点问题题介绍了了一些相相关解决决方法。日日照分析析经过多多年的积积累和发发展，计计算从最最初的点点日照时时长计算算，到后后期的推推算建筑筑物最大大容积的的极限容容积计算算，从适适应各地地标准规规范的标标准设定定，到解解决计算算速度的的计算加加速技术术，日照照软件一一直在不不断丰富富和完善善分析功功能和使使用细

26、节节，结合合目前国国内绿色色建筑的的发展，计计算机硬硬件技术术的迅速速提示以以及数值值计算科科学发展展，相信信日照分分析作为为绿色建建筑的一一员，将将会大大大拓宽其其应用领领域，向向建筑物物室内自自然采光光分析、太太阳能相相关应用用、遮阳阳设计等等相关应应用领域域不断发发展。参考文献1三维维日照分分析软件件SUNNLIGGHT用用户手册册中国建建筑科学学研究院院PKPPM CCAD工工程部2三维维日照分分析软件件SUNNLIGGHT操操作指南南与实例例中国建建筑工业业出版社社3建筑筑设计资资料集。北北京:中中国建筑筑工业出出版社4王炳炳忠。太太阳辐射射能的测测量与标标准。北北京:科科学出版版社

27、5叶歆歆.建筑筑热环境境。北京京:清华华大学出出版社6王会会一.计计算机在在日照分分析领域域的应用用与发展展J.第十十四届全全国工程程设计计计算机应应用学术术会议论论文集.20008.111.3302-30777王会会一.日日照分析析软件技技术的新新特点J工工程图学学学报.20009.66.1-78王会会一.三三维日照照分析系系统仿真真与虚拟拟现实表表现JJ第二二届工程程建设计计算机应应用创新新论坛.20009.99.1005-11119AUUTODDESKK ECCOTEECT AN ALYYSE 20110 uuserr maanuaalAUUTODDESKK coompaany10SSolaar PPosiitioon AAlgooritthm forr Soolarr Raadiaatioon AAppllicaatioons.Nattionnal Rennewaablee Ennerggy LLaboorattoryy USSA