針對(duì)住宅遮陽(yáng)的倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)設(shè)計(jì)

朱靜 張清濤 熊豪

（西北民族大學(xué),甘肅 蘭州730030）

1 研究綜述

近年來(lái)，隨著我國(guó)建筑節(jié)能的發(fā)展，建筑遮陽(yáng)的推廣應(yīng)用已為大勢(shì)所趨。遮陽(yáng)節(jié)能技術(shù)是建筑節(jié)能技術(shù)的重要組成部分，而門窗、玻璃幕墻等透光建筑構(gòu)件是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中熱工性能最薄弱的環(huán)節(jié)。尤其在炎熱的夏季，這些熱量只能通過(guò)室內(nèi)的空調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)。這種情況下，遮陽(yáng)設(shè)計(jì)也就成為必不可少的環(huán)節(jié)。良好的遮陽(yáng)設(shè)計(jì)不僅有助于節(jié)能，符合未來(lái)發(fā)展的要求，而且遮陽(yáng)構(gòu)件成為影響建筑形體和美感的關(guān)鍵要素。故本文通過(guò)研究相關(guān)指標(biāo)，確定了一種兼顧美觀與實(shí)用的倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)設(shè)計(jì)方案。

2 陽(yáng)臺(tái)的設(shè)計(jì)

為了解決傳統(tǒng)遮陽(yáng)設(shè)計(jì)在應(yīng)對(duì)建筑東西曬時(shí)效果并不顯著，且難以同時(shí)兼容遮陽(yáng)與采光的問(wèn)題，我們針對(duì)住宅遮陽(yáng)的效果設(shè)計(jì)倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)。

設(shè)計(jì)采用的技術(shù)方案：提供一種倒三棱錐狀的陽(yáng)臺(tái)設(shè)計(jì)（如圖1所示），陽(yáng)臺(tái)結(jié)構(gòu)通過(guò)懸挑梁與建筑主體結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，達(dá)到建筑遮陽(yáng)一體化的效果。遮陽(yáng)設(shè)施和建筑空間的一體化設(shè)計(jì)減少了內(nèi)部的傳統(tǒng)遮陽(yáng)工具使用，也同時(shí)可避免建筑物完工投入使用時(shí)，需要再次進(jìn)行遮陽(yáng)設(shè)施的安裝、保養(yǎng)和維護(hù)[1]。依據(jù)不同時(shí)段的平均太陽(yáng)高度角來(lái)設(shè)計(jì)倒三棱錐遮陽(yáng)陽(yáng)臺(tái)的寬度和倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)的高度，能夠在不同時(shí)間段滿足南北地區(qū)的遮陽(yáng)和采光需求[2]。

設(shè)計(jì)的有益效果：遮陽(yáng)設(shè)施和建筑空間的一體化設(shè)計(jì)不僅可以為創(chuàng)造靈活通暢的空間效果和舒適宜人的物理環(huán)境，也可以將使用者對(duì)陽(yáng)光的需求實(shí)在地反映出來(lái)，創(chuàng)造內(nèi)外兼修的完美空間效果。因三角形具有特殊的穩(wěn)定性，三棱錐也同樣如此，倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)獨(dú)特的三棱錐式結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了陽(yáng)臺(tái)的穩(wěn)定，且另一面與墻體相連，使得陽(yáng)臺(tái)的穩(wěn)定性大大的增加。在每天太陽(yáng)高度角的不斷變化情況下，倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)應(yīng)對(duì)不同角度的太陽(yáng)光能夠進(jìn)行不同情況的遮擋，正午時(shí)分，陽(yáng)臺(tái)對(duì)陽(yáng)光的遮擋達(dá)到最大值，對(duì)陽(yáng)光遮擋留下室內(nèi)的陰影減少了太陽(yáng)對(duì)室內(nèi)的輻射和暴曬；時(shí)間偏早或偏晚時(shí)，陽(yáng)臺(tái)又能夠讓光線進(jìn)入室內(nèi)，使得室內(nèi)不至于太昏暗或寒冷。

圖1 倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)剖面圖

圖1中，①表示太陽(yáng)光線，②表示倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)的迎陽(yáng)面，③表示倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)的背陽(yáng)面，④表示陽(yáng)臺(tái)的防護(hù)欄，⑤表示陽(yáng)臺(tái)的上部空間，⑥表示陽(yáng)臺(tái)內(nèi)部的空間，⑦表示被陽(yáng)臺(tái)遮住光線的陰影部分，⑧表示室外空間。

3 MATLAB曲線擬合

圖2 MATLAB擬合陽(yáng)臺(tái)寬度對(duì)太陽(yáng)高度的適應(yīng)度表示圖

將太陽(yáng)高度角、陽(yáng)臺(tái)寬度、日照時(shí)間帶入到MATLAB擬合得到圖2，從圖中可以發(fā)現(xiàn)三個(gè)變量在笛卡爾空間坐標(biāo)系中呈類似拋物線的波動(dòng)形式，結(jié)合見(jiàn)圖1，可知太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)呈弧線，故在一天的日照過(guò)程內(nèi)，會(huì)有類似對(duì)稱的狀況出現(xiàn)，所以可認(rèn)為拋物線的波動(dòng)形式可以解釋三者變量之間的關(guān)系。擬合關(guān)系式如下：

誤差分析如下：

SSE: 9.512e+04（和方差，誤差平方和）

（趨向0最好）

R-square:0.06882（確定系數(shù)）

（趨向1最好）

Adjusted R-square:0.04921（調(diào)整系數(shù)）（趨向1最好）

RMSE:22.38（均方根，標(biāo)準(zhǔn)差）

（趨向零最好）

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的陽(yáng)臺(tái)寬度離散見(jiàn)圖3。

圖3 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練后的陽(yáng)臺(tái)寬度離散圖

圖4 倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)計(jì)算圖

4 陽(yáng)臺(tái)臺(tái)面寬度及其倒三棱錐臺(tái)高計(jì)算

4.1 陽(yáng)臺(tái)臺(tái)面寬度D計(jì)算

倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)在冬日應(yīng)當(dāng)具有采光與遮陽(yáng)雙重功能，較北方干燥寒冷氣候，由于太陽(yáng)高度角很小，陽(yáng)臺(tái)的臺(tái)面寬度與陽(yáng)臺(tái)臺(tái)高設(shè)計(jì)不應(yīng)當(dāng)阻擋北方地區(qū)采光的需求。在南方地區(qū)寒冷潮濕的氣候下，倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)則在陽(yáng)光較弱時(shí)進(jìn)行采光取暖，在陽(yáng)光強(qiáng)烈時(shí)進(jìn)行遮擋，達(dá)到適應(yīng)地方需求、節(jié)能減排的效果。根據(jù)上述需求，將緯度進(jìn)行分類：①以北緯25°為中心為一帶、②以北緯30°為中心為一帶、③以北緯35°為中心為一帶。計(jì)算“春—夏—秋”時(shí)段正午12時(shí)太陽(yáng)高度角的平均值θ1，將θ1帶入陽(yáng)臺(tái)臺(tái)面寬度計(jì)算公式：

D=H·tan（90°-θ1）

式中，D為陽(yáng)臺(tái)臺(tái)面寬度；H為墻體高度;θ1為“春—夏—秋”時(shí)段正午12時(shí)太陽(yáng)高度角的平均值。

得到北緯25°、北緯30°、北緯35°地區(qū)倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)寬度D。

表1 兩個(gè)正午時(shí)段太陽(yáng)高度角的平均值

4.2 倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)高度h計(jì)算

h=tanθ2·D

式中：h為陽(yáng)臺(tái)高度；D為陽(yáng)臺(tái)臺(tái)面寬度；θ2為“秋—冬—春”時(shí)段正午12時(shí)太陽(yáng)高度角平均值。

南方地區(qū)在太陽(yáng)高度角大于圖45°時(shí)，上樓的遮陽(yáng)陽(yáng)臺(tái)臺(tái)面可對(duì)下樓進(jìn)行遮陽(yáng)效果，太陽(yáng)高度角小于45°時(shí)，則可進(jìn)行采光效果；北方地區(qū)在考慮北方氣候因素時(shí)，冬日太陽(yáng)高度角大部分時(shí)間小于45°，由此設(shè)計(jì)可在冬日晝?nèi)諘r(shí)間段獲得大量的采光需求，轉(zhuǎn)入夏季后又可滿足夏日的遮陽(yáng)性能。

圖5 陽(yáng)光射入室內(nèi)分析圖

在南方地區(qū)，4月底5月初氣溫開始回升，太陽(yáng)高度角開始逐漸增大，強(qiáng)烈的陽(yáng)光帶來(lái)的太陽(yáng)輻射在倒三棱錐的陽(yáng)臺(tái)的遮擋下能被大部分的減少，根據(jù)數(shù)據(jù)顯示，夏季倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)在南方地區(qū)上午9時(shí)就可以開始進(jìn)行對(duì)陽(yáng)光的遮擋與輻射的削減；而進(jìn)入冬日的南方地區(qū)，午日陽(yáng)光輻射也相對(duì)整天來(lái)說(shuō)較為強(qiáng)烈，以數(shù)據(jù)顯示在冬日的11時(shí)開始，倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)可以對(duì)太陽(yáng)射入室內(nèi)的陽(yáng)光進(jìn)行遮擋，以此形成對(duì)南方地區(qū)全年普遍的遮陽(yáng)作用[3]。在北方地區(qū)，四季的分明讓陽(yáng)臺(tái)在不同的季節(jié)有著不同的作用。夏季陽(yáng)光強(qiáng)烈，輻射大，倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)進(jìn)行遮光作用，降低室內(nèi)入射的陽(yáng)光和輻射；秋轉(zhuǎn)冬季后，北方地區(qū)氣溫偏為寒冷，太陽(yáng)高度角降低，陽(yáng)光屬性為溫和，應(yīng)考慮采光需求。倒三棱錐陽(yáng)臺(tái)的合理設(shè)計(jì)在北方冬日里也能讓陽(yáng)光充分的進(jìn)入室內(nèi)并得到取暖的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新型的倒三棱錐遮陽(yáng)陽(yáng)臺(tái)的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)對(duì)我國(guó)不同緯度、太陽(yáng)高度角、建筑高度等指標(biāo)的研究計(jì)算，得出了以下結(jié)論：

1）陽(yáng)臺(tái)結(jié)構(gòu)通過(guò)懸挑梁與建筑主體結(jié)構(gòu)聯(lián)系在一起，達(dá)到建筑遮陽(yáng)一體化的效果。遮陽(yáng)設(shè)施和建筑空間的一體化設(shè)計(jì)減少了內(nèi)部的傳統(tǒng)遮陽(yáng)工具使用，并對(duì)陽(yáng)臺(tái)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計(jì)和說(shuō)明。

2）運(yùn)用MATLAB將相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行擬合，預(yù)測(cè)陽(yáng)臺(tái)寬度、太陽(yáng)高度角和日照時(shí)間的相互影響程度，并對(duì)誤差進(jìn)行相應(yīng)的分析。

3）對(duì)模型中的指標(biāo)進(jìn)行選定，得到適合北方和南方地區(qū)不同緯度下的陽(yáng)臺(tái)寬度和陽(yáng)臺(tái)高度計(jì)算公式。