《建筑日照計算參數(shù)標準》中幾個問題的討論

王會一 姜 立 張志遠 張 雷

(中國建筑科學研究院PKPM設計軟件事業(yè)部，北京100013)

1 前言

目前，隨著國內商品住宅的發(fā)展，城市住宅用地日趨緊張，高層住宅不斷涌現(xiàn)，某些地區(qū)甚至出現(xiàn)了超高層住宅。人們對居住環(huán)境的要求不斷提高，尤其是日照采光權的糾紛問題，成為目前住宅業(yè)主民事訴訟的一個熱點問題。各個地方都在不斷出臺有關日照分析的技術規(guī)程，國內日照分析軟件在建筑日照分析中迅速推廣，得到了廣泛的應用。除了提供日照時數(shù)達標驗算外，國內日照分析軟件普遍提供了較為豐富的日照輔助分析工具，部分軟件進一步提供了較為先進的智能體量容積輔助計算分析工具用于建筑方案的優(yōu)化設計。

早在上個世紀八十年代國內日照計算就已經(jīng)應用日照間距系數(shù)的方式進行手工估算，使用計算機精確逐點分析計算在本世紀初也已經(jīng)逐漸普及開來并得到廣泛應用，越來越多的規(guī)劃和建筑設計人員開始重視并參與日照分析計算。但是，我們也應看到，日照分析目前還存在諸多問題，其中一個突出問題就是我國目前為止還沒有正式頒布實施專門針對日照分析的相關標準，現(xiàn)行日照分析依據(jù)的條文多來自于規(guī)劃和建筑設計類標準，其中國家標準中關于日照計算相關的規(guī)范條文過于籠統(tǒng)，很難適應各地具體情況，各個地方標準規(guī)范又很多，日照分析參數(shù)設置、建模方法、分析方法又不統(tǒng)一，造成了日照分析管理日常工作的很多實際困難。

目前國內專門針對日照分析的《建筑日照計算參數(shù)標準》已經(jīng)編制并處于報批階段，相信不久就會正式執(zhí)行，該標準除了計算參數(shù)外，還針對性地涉及到和日照相關的多方面內容，比如數(shù)據(jù)要求、建模要求、計算方法和計算結果誤差的條文。提前學習《建筑日照計算參數(shù)標準》對日照分析實際工作具有很強的指導意義。本文結合該標準的相關條文，對日照設計人員關心的日照計算參數(shù)、日照建模等幾個問題結合標準條文進行解析并進行討論。

2 建模要求

日照分析的一個顯著特點是用于日照分析的模型首先都是三維模型，設計人員必須基于建筑總圖，建筑平面、立面施工圖紙生成用于日照分析的三維模型才能夠進行日照分析計算。目前建筑單體設計越來越復雜，建筑平面、立面、屋頂?shù)仍煨驮絹碓截S富，如果需要進行窗日照表分析，模型還需要布置用于窗分析的窗，在整個日照分析周期中，日照三維建模占有很大一部分的工作量。

日照建模有兩個重要的問題，問題一:日照建模如何整體控制分析模型精細程度，在不影響分析結果精度的前提下如何合理簡化，盡量減輕前期三維建模的工作量。問題二:哪些對象要考慮建模參與，如圍墻和地形是否要建模，造成自遮擋的陽臺隔板等是否要建模等問題。

圖1 建筑日照分析模型

目前國家標準規(guī)范中沒有明確的日照建模的條文要求，各個地方標準規(guī)程對日照建模要求又不盡相同，如轉角窗的處理、陽臺自身遮擋的處理，地形和立交橋是否建模等。

在日照分析工作中，各地日照分析模型的精細程度差異很大，有的只是建立簡單的拉伸體塊使用平面等照時線等方式進行日照分析計算，如圖1左圖所示。有的地方建模細節(jié)考慮豐富，日照模型和建筑實際模型非常接近，日照分析模型非常復雜如圖1右圖所示。

日照分析中窗都按照矩形進行簡化處理，不按照實際窗口形狀建模。以轉角窗的建模處理為例，實際建模中，上海和濟南的日照計算基準面的規(guī)定就不一樣，如圖2左圖所示，上海轉角窗建模按照窗洞位置布置窗口，但是要考慮轉角窗實際形體對周邊窗口的遮擋影響。濟南轉角窗建模不按照窗洞位置，而是按照異形窗戶按正向最大投影近似為一般窗戶計算轉角窗日照時間，如圖2右圖所示?！督ㄖ照沼嬎銋?shù)標準》規(guī)定按照上海等地區(qū)窗洞方式插窗建模。

圖2 日照轉角窗建模(左:上海右:濟南)

對于日照模型精細度的問題，《建筑日照計算參數(shù)標準》中給出了合理簡化的原則。在日照分析建模工作中，尤其是屋頂一直是分析建模中的難點。屋頂是造成遮擋必須要考慮的一部分因素，大多數(shù)情況下不應該忽略不計，居建、公建的屋頂造型一般都比較復雜，很難直接用簡單的拉伸體對象直接模擬出來。《建筑日照計算參數(shù)標準》說明可以使用略大于實際形體的幾何包絡體來替代，也可以簡化建模過程和提高工作效率。如圖3所示，住宅的頂層和屋頂是使用一個拉伸包絡體來代替的，在保證不人為增加實際日照時間的情況下，大大簡化了建模工作。

圖3 建筑物屋頂?shù)暮喕?/p>

《建筑日照計算參數(shù)標準》對遮擋建筑所建模型原則上應完整準確地反映實際情況，因此造成遮擋的部分都應建模，但為了提高計算效率，確實不遮擋其他建筑的部分可以忽略。以圖4為例，遮擋建筑物南側立面的陽臺等構件可以不建模。該規(guī)則很好的兼顧了原則性和靈活性的原則。

圖4 遮擋建筑物南側立面的簡化建模

《建筑日照計算參數(shù)標準》明確指出構成遮擋的地形指的是山體、擋土墻等。在山地地區(qū)，基地周邊包括小區(qū)內的地形都應該考慮遮擋影響，如圖5所示。目前國內日照部分地區(qū)是要考慮地形的影響的，如大連地區(qū)，部分地區(qū)還沒有考慮基地內外地形的遮擋影響。

3 計算參數(shù)與方法

日照計算參數(shù)對日照分析結果影響很大，不同的日照計算參數(shù)設置，會造成不同的計算分析結果，也是《建筑日照計算參數(shù)標準》中條文重點明確的部分。

目前國內日照計算沒有出臺地方標準，地區(qū)基本使用《城市居住區(qū)規(guī)劃設計規(guī)范》GB 50180-93(2002年版)中對于日照計算的要求，有地方標準的地區(qū)對日照計算參數(shù)要求不太一致。地方標準中對計算參數(shù)的規(guī)定多不一致，即使基本的日照標準日和有效日照時間帶，有地區(qū)為了在國家標準之上提高地方標準，也不盡一樣，如杭州地區(qū)大寒日日照有效時間帶為9:00-15:00，和冬至日日照時間帶一致，除此之外，有幾個參數(shù)的設置這里也討論一下。

《建筑日照計算參數(shù)標準》對很多計算參數(shù)的設置進行了明確的說明，例如明確說明了計算元年為2001年，以日照計算最小連續(xù)日照時間為例，要求最小連續(xù)日照時間為5min，最小連續(xù)日照時間目前各地設置很不統(tǒng)一，有5min，10min，15min等，昆明地區(qū)要求的最小連續(xù)日照時間為60min。

但是也可以看到，標準對最大連續(xù)日照時段沒有涉及，目前國內部分地區(qū)對參與日照統(tǒng)計的最大連續(xù)日照時間也有要求，例如煙臺地方要求時間統(tǒng)計累計的日照時段其中必須有一段連續(xù)日照時間，即最長的日照時段時間長度不少于1h。

目前建筑窗日照采光多從遮擋建筑物兩側縫隙獲取日照時間，某些窗口的日照拆分為多個日照時段，如圖5所示。標準沒有明確說明日照時段的統(tǒng)計方式，目前各地日照時段的統(tǒng)計方式有四種方法，默認為累計全部時段為最終的日照時間，如天津、北京等多數(shù)地區(qū)，也有使用連續(xù)日照，取最大日照時段的統(tǒng)計方式，如上海地區(qū)。部分地區(qū)根據(jù)當?shù)厝照諛藴蕰r數(shù)要求，如杭州地區(qū)，若日照要求為2h，可由兩個連續(xù)時段累加;日照要求為3h，可由3個連續(xù)時段累加。不同的時段統(tǒng)計方式對計算分析結果影響肯定是很大的，以累積方式統(tǒng)計最為有利，取連續(xù)日照方式能夠很好地保證日照的質量。

圖5 周邊地形建模

圖6 窗有多個日照時段

《建筑日照計算參數(shù)標準》要求時間間隔不宜大于1min，明顯高于現(xiàn)行很多地方的標準要求，對日照分析軟件計算速度提出了很高的要求。時間間隔越小，軟件計算量越大，計算時間越長，在某些超大規(guī)模的情況下，甚至無法完成計算。目前國內日照分析軟件提速水平很快，以中國建筑科學研究院PKPM SUNLIGHT三維日照分析軟件為例，該軟件可以在幾分鐘內完成時間間隔1min高精度下的大規(guī)模群體日照分析計算。

為了保證非正南朝向窗口的日照質量，《建筑日照計算參數(shù)標準》規(guī)定了要考慮日照掃掠角的要求，目前國內日照狀況不達標的情況下，設計人員一般不愿意降低建筑高度，而是傾向于調整建筑朝向等增加有效日照時間。東西向窗口日照時間即使達標，但是朝東西向的建筑會降低日照質量，光線和外墻窗夾角太小，會造成光線很難照射到室內，增加建筑能耗。雖然建筑日照只要求照射到建筑外墻面，但是保證有效的日照質量也是建筑日照要考慮的問題，目前國內很多地方規(guī)定了最小太陽掃掠角要求，如北京、天津按照15°，昆明 8°，長春10°，營口 14°等。

值得注意的是目前國內如天津等地還規(guī)定了最小太陽高度角的設置要求，接近日出日落時刻的太陽高度角較小，當?shù)卣鐣r刻即真太陽時12點時刻太陽高度角值最大，太陽位置最高，此項設置也可以忽略掉日期計算開始和結束時刻太陽高度角過低的時刻參與最終日照時間統(tǒng)計。

4 計算結果與誤差

《建筑日照計算參數(shù)標準》規(guī)定日照計算時間的輸出結果應精確到分鐘。根據(jù)國家工程質量監(jiān)督檢驗中心對目前日常工作中唯一指定使用的PKPM SUNLIGHT日照軟件進行檢測，日照計算軟件的計算誤差應小于±3.0min。這對日照分析軟件提出了很高的要求，沒有很高的計算精度和較好的建模精度很難達到這項要求。

現(xiàn)在設計人員比較棘手的問題是經(jīng)常碰到不同日照軟件，不同分析方法之間的計算結果不一致的問題。下面簡單討論一下不同軟件之間和不同分析方法之間計算結果不一致的原因。目前國內日照分析軟件有PKPM SUNLIGHT、天正、眾智、鴻業(yè)、清華大學、綠建斯維爾、飛時達等眾多廠商，都有一定的市場占有率。部分設計人員還使用其它規(guī)劃軟件中的日照功能進行模擬，建筑師還可能使用國外軟件中的日照模擬功能評估日照遮擋影響，如Autodesk Ecotect Analysis等。目前各地一般要求必須使用通過建設部驗收的軟件進行日照分析計算，國內多數(shù)軟件分別通過了建設部驗收和國家建筑工程質量監(jiān)督檢驗中心的實驗檢測。但是實際工作中我們可以看到不同軟件之間計算結果會存在一定誤差，但是已經(jīng)可以很好地控制到一定范圍之內。

《建筑日照計算參數(shù)標準》還提到了根據(jù)不同分析對象的日照分析方法，需要強調的是同一個軟件產(chǎn)品不同的計算方法其計算結果也肯定不是完全一樣的。

表1 日照計算方法

以窗日照分析為例，目前國內有兩種窗計算分析方式，一種以窗臺下沿中心點為計算位置，如天津地區(qū)窗日照計算方式，一種以窗臺下沿兩個角點同時照到才計為有效日照，如圖7所示，如上海地區(qū)窗計算方式。對于窗臺左右角點同時照到取交集計為有效日照時間的計算方式，可以看到，窗戶寬度越大，窗臺AB兩個角點越難同時照到。一般來說滿窗日照時間要小于等于窗臺中心點方式的日照時間。

圖7 滿窗計算

又以日照掃掠角為例，掃掠角是光線和立面的夾角約束，平面等時線、線上日照(沿線)分析不會考慮立面上掃掠角的影響，如果當?shù)赜袙呗咏且?guī)定，則平面等時線和立面等時線、窗的分析結果可能會不一致。

有效地規(guī)避不同軟件計算誤差，在分析模型一致的前提下，一定要使用相同的分析參數(shù)，相同的分析方法，才能夠將日照計算誤差合理控制在《建筑日照計算參數(shù)標準》規(guī)定的范圍內。

[1]三維日照分析軟件SUNLIGHT用戶手冊.中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部

[2]三維日照分析軟件SUNLIGHT操作指南與實例.中國建筑工業(yè)出版社.2006.03.01

[3]建筑設計資料集.北京:中國建筑工業(yè)出版社.1994.06.01

[4]姜立.建筑日照分析原理與計算方法的研究[J].土木建筑工程信息技術，2009，1(2):63-69.

[5]建筑日照計算參數(shù)標準(報批稿)

[6]濟南市日照分析技術規(guī)程

[7]杭州市建筑工程日照分析技術管理規(guī)則

[8]煙臺市建設項目日照分析管理暫行規(guī)定

[9]王會一.三維日照分析系統(tǒng)仿真與虛擬現(xiàn)實表現(xiàn)[J].第二屆工程建設計算機應用創(chuàng)新論壇.2009.9:105-111.

[10]王會一.日照軟件復雜建模和大體量計算創(chuàng)新性應用研究[J].土木建筑工程信息技術，2013，5(6):56 －63.

[11]王全一.建筑日照方案優(yōu)化調整中的工具和思路[J].土木工程信息技術，2014，6(1):76-81.

[12]云朋.建筑光環(huán)境模擬.中國建筑工業(yè)出版社.2010.07.01

[13]北京照明學會照明設計專業(yè)委員會編.照明設計手冊(第二版)中國電力出版社.2006.12.1