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关于建筑的论文有关建筑论文：建筑日照分分析原理与与计算方法法的研究【摘要】本本文全面系系统总结介介绍了开发发建筑日照照分析CAAD软件所所涉及基本本原理、核核心计算加加速技术、极极限容积计计算和目前前工程实际际应用情况况。例如太太阳位置计计算原理、平平面等时线线百万级采采样点大规规模分析内内部采用的的计算加速速技术，日日照分析根根据国内目目前各地日日照规范要要求在工程程应用中常常用典型的的分析方法法，日照分分析后期的的结果表现现、如实时时表现建筑筑物阴影，日日照分析表表格和报告告书，日照照分析研究究的扩展领领域，如太太阳能计算算和综合利利用、玻璃璃幕墙反射射光污染评评估计算和和遮阳装置置设计等内内容进行了了系统简要要的介绍。文文中论述的的许多核心心技术和分分析方法目目前已经应应用在PKKPM建筑筑工程软件件研究所研研发的SUUNLIGGHT日照照分析软件件中，对日日照分析CCAD软件件的进一步步研究有一一定的参考考价值。【关键词】计计算机应用用;日照分分析;GPPU计算;遗传算法法;太阳能能利用1引言以往在规划划管理中涉涉及到的有有关日照方方面的问题题，通常采采用传统的的分析方法法，存在计计算规则和和方法过于于复杂，现现状数据资资料难以收收集，数据据精度无法法保证以及及操作性差差等问题，需需要投入大大量人力、物物力。同时时，传统设设计方式仅仅限于满足足规范中的的日照要求求，并未将将日照相关关分析结果果与绿色建建筑设计中中的节地、节节能及自然然能源利用用、建筑环环境控制等等因素有效效结合，进进行整体考考虑。研发符合绿绿色建筑设设计规范要要求，操作作简便，计计算结果合合理可靠的的日照分析析CAD辅辅助分析系系统对建筑筑物区进行行日照采光光分析，对对于绿色建建筑的节地地、节能设设计，解决决日益发展展的城市规规划与公众众对于人居居环境不断断增长的需需求之间的的矛盾，对对于减少建建筑对自然然资源的严严重消耗，对对于前瞻性性地对规划划设计方案案进行合理理分析，避避免设计中中可能产生生的日照问问题，对于于自然能源源的合理有有效利用，对对于城市建建设的理性性、有序发发展都具有有较大意义义。2太阳位置置计算原理理日照分析计计算中的基基本原理是是计算太阳阳的位置，即即太阳的高高度角和方方位角。目目前国内计计算基本采采用建筑筑设计资料料集第二二版第9章章中提供的的计算公式式进行计算算。2.1建筑筑手册推算算公式真太阳时:太阳位置置计算采用用真太阳时时。换算公式:真太阳时时=北京时时间+时差差(1220°当地经经度)/115°(1)太阳方位角角计算:ccosA=(sinnh×sinsinn)/(ccosh××cos)(2)180°°A180°或0°A360°1880°t180°或0°t360°。太阳高度角角:sinnh=siin×ssin+cos×coss×coost;90°h90°(3)日出时间与与日落时间间:cosst=ttg×tg;(4)日出时角，正正值为日落落时角。时时角:t=15°(n12);(5)n为时间(24时制制)。赤纬纬近似公式式:=23.45°××(N80.225)×(1NN/95000);(6)式中:N从元旦旦到计算日日的总天数数;纬度度。日影长长度计算公公式:l=H×cttgh;(7)式中:H为为建筑物高高度，h为为太阳高度度角，l为为日影长度度。2.2太阳阳方位高精精度算法目前国内包包括前述算算法计算误误差均大于于±0.011度。下面面介绍一种种新的太阳阳方位计算算高精度算算法So-lar Posiitionn Alggoritthm(太太阳方位算算法)，该该算法由美美国国家可可再生能源源实验室NNREL提提出，可计计算20000到66000年年之间的太太阳方位角角和高度角角，误差不不大于±0.00003度，其其计算方式式更符合计计算机计算算的特点，能能够更好满满足某些应应用领域对对太阳方位位计算精度度要求很高高的场合。实实际校核后后我们发现现其误差如如日出日落落时间计算算和国内权权威天文台台计算结果果比较最大大时间误差差不大于11分钟，其其计算结果果和第三方方如美国海海军实验室室等计算结结果较好的的吻合。使使用该算法法我们除可可以计算出出太阳方位位角和高度度角外，还还可以准确确的计算出出太阳入射射角、时差差、日出、日日落、日午午和全天日日照时间。使使用新算法法计算出的的太阳位置置，可以得得出很高精精度的计算算结果，特特别适合一一些太阳能能利用等扩扩展领域，如如太阳能板板等安装需需要准确计计算太阳方方位的应用用情况。使使用该算法法可以方便便计算出太太阳全天或或者全年方方位，供用用户计算使使用。3核心计算算技术3.1点日日照时间计计算国内日照分分析计算的的核心是窗窗日照分析析计算，目目前广泛采采用的两种种计算方式式是窗中点点分析和满满窗分析计计算，计算算的核心原原理实质是是进行点日日照时长计计算。点日日照时长计计算包括多多点分析、线线上点日照照分析计算算等。目前前国外知名名软件如AAUTODDESK ECOTTECTAANALYYSE等软软件只能对对阴影和遮遮蔽进行定定性分析，观观察阴影和和遮蔽情况况，不能计计算出采样样点日照时时长，更不不能根据国国内规范要要求进行窗窗日照时长长的计算，无无法满足国国内日照分分析的工程程计算需求求。点日照时长长计算涉及及到空间线线面求交计计算，使用用传统空间间几何算法法，完全依依赖CPUU进行计算算，遮挡实实体较多，多多点分析区区域较大，采采样点间距距较小时，采采样点可能能达到数百百万个，每每个点进行行数百次空空间线面求求交计算，分分析时间可可能需要数数个小时甚甚至更长时时间才能完完成。下面是自主主三维图形形平台空间间线面求交交的C+语言代码码:BOOOL GeePlanne:IInterrsecttWithh(connst GGeLinne3dlinee，GePPointt3diip，dooublee toll)connstGGePoiint3dd p0;GeVeectorr3d ddir;lline.Get(p0，ddir);doubble tt=A*ddir.xx+B*ddir.yy+C*ddir.zz;if(fabss(t)<<tol)retuurn FFALSEE;t=(A*pp0.x+B*p00.y+CC*p0.z+D)/t;iip=p00+dirr*t;rreturrn TRRUE;3.2大规规模计算加加速日照分析计计算的下述述特点:各各地经纬度度不同，全全天日照角角度随时变变化;计算算对象体量量较大，参参与分析建建筑物较多多，计算总总面片数达达到几百万万数量级的的问题;分分析采样点点数十万甚甚至百万级级;计算精精度高，比比如计算时时间步长为为1分钟，各各地技术规规程对时间间步长、分分析点间距距都有严格格要求;对对较大规模模的居住小小区的高精精度计算，目目前国内日日照分析软软件往往需需要数小时时甚至数十十小时时间间。不断优优化和采用用更为先进进的算法，解解决日照分分析计算时时间较长的的问题是日日照分析开开发一直重重点发展的的一个方向向，这样也也利用开发发更多的要要求计算速速度很快的的动态实时时分析计算算功能。以以往日照分分析计算完完全依赖于于空间几何何方法按时时刻循环计计算，对于于一些比较较耗时的分分析计算，如如平面等时时线分析、全全天最大阴阴影轮廓计计算，计算算一些大工工程量的题题目往往需需要几个小小时甚至更更长时间才才能完成。我我们研发使使用了新的的基于GPPU的三维维投影方式式的图像分分析法，充充分利用了了计算机显显卡的硬件件加速能力力，同时对对遮挡实体体进行空间间KD树分分区，使得得内部计算算速度得到到了近万倍倍的提速，以以往需要几几个小时的的计算，现现在新版本本可以在几几分钟甚至至更快的时时间内完成成计算。平平面等时线线分析是日日照分析的的重要工具具，以此命命令为例，全全天阴影轮轮廓是日照照分析的重重要的辅助助分析工具具，可以直直观的检查查建筑物的的最大遮挡挡范围，旧旧的算法使使用计算几几何多边形形求交算法法，参与合合并计算的的带孔面片片可能达到到百万数量量级，往往往要耗费数数个小时完完成计算。我我们使用基基于GPUU的新面片片合并算法法，并针对对问题阴影影轮廓特点点设计了独独创的边界界扫掠算法法，全天阴阴影轮廓的的计算速度度得到了极极大的提高高，旧算法法需要几个个小时的计计算工程，新新算法可以以在几秒内内完成计算算，而且消消除了传统统算法中边边界锯齿等等问题。目目前新算法法软件核心心计算速度度已经得到到很大的提提高，大大大的节省了了用户日照照分析所用用时间，让让用户彻底底告别了一一次大容量量分析计算算需要等待待几十分钟钟甚至几个个小时的漫漫长过程。必必须看到，目目前日照计计算针对问问题的优化化还有一定定提升空间间，特别是是在某些扩扩展计算方方面，能够够做到交互互实时显示示动态分析析结果必将将大大提高高建筑师的的设计效率率。4极限容积积计算自动化完成成辅助优化化分析一直直是计算机机辅助设计计追求的目目标之一，日日照分析软软件除了可可以动态显显示建筑物物不同位置置、不同高高度下的日日照情况外外，还可以以帮助用户户确定满足足某些条件件下的最佳佳建筑物日日照间距、最最佳建筑物物高度，分分析计算出出最合理的的值。极限限容积计算算可对任意意的单个或或多个地块块范围按照照一定的日日照约束条条件进行计计算处理，通通过类似生生物进化的的不断的搜搜索与优化化，得到拟拟建建筑物物的近似的的最大体积积与容积率率。在规划设计计中实际建建筑物的体体形只要在在求出的极极限容积空空间内，就就能保证已已有建筑的的日照满足足规定，使使此地块发发挥最大的的作用，此此结果对于于辅助规划划、建筑方方案设计和和设计省地地型建筑均均具有较大大的实用与与指导意义义。极限容容积计算命命令主要面面向城市规规划、建筑筑方案设计计及房产开开发商，应应用于在周周围建筑日日照满足规规范前提下下，规划地地块上建筑筑方案的布布局、优化化，指导方方案设计的的全过程，并并在此基础础上优化计计算该地块块的当前容容积率。极极限容积计计算除了可可以计算出出单体建筑筑物的最大大容积外，还还可以对群群体建筑物物进行容积积优化切割割计算。对对多栋互不不影响的建建筑区域在在周围建筑筑物窗户影影响下同时时搜索计算算最大可行行空间体积积的功能。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栋栋互相影响响的住宅型型建筑区域域情况下，搜搜索计算所所有计算区区域最大可可行空间体体积的功能能。当计算算区域为住住宅性建筑筑时，建筑筑物本身的的日照时间间需要参加加计算，而而所有建筑筑之间都彼彼此都受到到影响。新新功能使生生成削切后后的建筑物物区域体积积满足所有有窗子日照照时间的要要求，且体体积容积率率是所有可可能情况中中的较大值值。我们内内部不断改改进算法，如如增加边界界切割的准准确性，改改进选择算算子，交叉叉算子和变变异算子，最最优解的收收敛准确性性已经得到到了很大的的提高，很很好的解决决了初期存存在的提前前收敛早熟熟，易于陷陷入局部极极值，计算算效率随问问题规模增增大而降低低等问题。5建筑日照照的常用计计算方法5.1日照照规范设置置目前各地规规划管理部部门针对本本地区特点点，在国家家规范城城市居住区区规划设计计规范(GB50018093)对对全国各城城市的日照照时数提出出要求的基基础上制定定了适合本本地区的日日照分析计计算规范要要求。日照照分析必须须能够根据据各地日照照规范要求求，灵活的的设定日照照分析参数数，以满足足各地日照照计算要求求。日照标标准的定制制界面可以以灵活设定定分析参数数，满足目目前国内各各地计算规规范需求，设设定的日照照标准可以以保存和共共享，内部部存储于图图形数据库库内。5.2窗日日照分析窗日照分析析出了日照照时长的计计算外，对对建筑物建建设前后不不满足窗口口、恶化窗窗口等各种种情况分别别进行统计计，也是窗窗日照分析析重要内容容。日照分分析软件可可以对建筑筑前后窗日日照表中的的不满足窗窗(表格中中红色显示示)、恶化化窗(表格格中按蓝色色显示)按按窗、按户户进行统计计，提供了了详细的按按户统计规规则定制，以以满足全国国各地户统统计规则，同同时能够在在图形上高高亮显示这这些窗口，各各种分析结结果表格可可以直接绘绘制在图形形上，或者者插入woord文档档中。5.3等时时线分析平面等时线线和多点分分析是日照照分析的重重要命令，可可以评估整整块分析区区域的整体体日照情况况。须达到到计算参数数灵活设置置，输出方方式灵活，表表现方式丰丰富，用户户可以选择择小数点输输出位数(可精确到到保留两位位小数)，计计算结果精精确，可以以选用符号号方式清楚楚表达分析析点结果是是否满足规规范时数，或或使用三维维短柱方式式，形象表表达等时线线分析结果果，可对分分析满足情情况进行整整体统计。5.4窗日日照圆锥窗日照圆锥锥是日照分分析的重要要辅助分析析命令，窗窗日照圆锥锥可以选择择结果成面面的方式绘绘制分析结结果，并用用红色和绿绿色代表有有遮挡和无无遮挡的日日照时刻，分分析结果一一目了然。建建设前后窗窗日照光线线比较可以以通过不同同颜色清楚楚的标示出出建设前不不遮挡而建建设后遮挡挡的时刻，实实际分析应应用中可以以直观观察察窗口不同同时刻遮挡挡情况。6日照分析析结果的后后期表现6.1实时时阴影显示示基于OpeenGL窗窗口的实时时阴影显示示，可以直直观全天日日照阴影情情况。除了了可以观察察多个建筑筑物的叠加加阴影外，还还可以指定定显示若干干个建筑物物，指定了了一个建筑筑物显示阴阴影，帮助助我们观察察单个建筑筑物的阴影影遮挡情况况，也可以以给不同建建筑物指定定不同阴影影显示颜色色，便于区区分不同建建筑物的阴阴影遮挡情情况。6.2日照照渲染渲染出某一一指定时刻刻场地内所所有物体在在日光照射射下的情形形图片，可可以灵活调调整视口，如如设置为太太阳方向，直直观某一时时刻日照阴阴影遮蔽情情况。给不不同面片赋赋予透明材材质设置透透明值后，可可以渲染出出光线透过过窗口的透透明效果。6.3日照照表格和报报告书日照分析计计算的多数数分析计算算结果以表表格形式表表现，如点点分析结果果，窗日照照分析结果果等，提供供灵活的表表格编辑功功能，满足足导出到WWORD文文件和直接接绘制图形形的需求。日日照报告书书除了可以以自动填写写外，还可可以根据计计算经纬度度自动选择择报告模板板，适应不不同地区日日照报告书书格式要求求。7扩展计算算和应用7.1太阳阳能计算太阳能是一一种可再生生的清洁能能源，被人人们誉为221世纪最最有希望的的能源。当当前太阳能能应用最具具发展潜力力的领域就就是太阳能能在建筑中中的应用，我我国大部分分地区都适适合利用太太阳能，太太阳能热水水器等技术术已经普及及和成熟。到到达地面的的太阳辐射射有两部分分:一是太太阳以平行行光线的形形式直接投投射到地面面上，称为为太阳直接接辐射热;一是经过过散射后自自天空投射射到地面的的，称为天天空散射热热，两者之之和称为总总辐射。太太阳辐射热热和散射热热计算对太太阳能的评评估利用有有很大帮助助。太阳入入射总能量量可由下面面公式计算算E入射=(E直直接x cco(A入射角角)x FF阴影比例例)+(EE散射x F天空可可见)xx S分析析受热区域域字母E代代表能量，FF代表系数数。7.2反射射计算上海、杭州州、广州等等许多城市市对光污染染问题都有有明确的规规范性条文文，以此控控制玻璃幕幕墙在使用用中所带来来的负面效效应。上海海市建委对对外环线以以内(特别别是内环线线以内)的的玻璃幕墙墙的比例、玻玻璃的反光光率都有严严格控制;对于不能能满足要求求的，必须须对幕墙的的设计进行行修改，并并经过专项项评审，确确定不会造造成光污染染后，项目目才能顺利利实施。使使用反射计计算可分析析计算出玻玻璃幕墙一一次反射光光照区域和和光照时间间，可计算算周围地面面和墙面上上受玻璃幕幕墙反射的的影响，根根据分析结结果可对建建筑的光污污染程度进进行科学的的评估，在在设计时，避避免特定时时间段内或或特定角度度下影响周周边用户，有有效解决常常见的光污污染问题有有很大帮助助。7.3遮阳阳装置设计计在南方地区区，遮阳是是实现建筑筑节能的一一个重要技技术手段。采采用逆日影影计算方式式，可计算算出不同日日期下建筑筑物窗口上上方或周围围的遮阳板板最小轮廓廓，设计人人员可参考考此轮廓设设计出更经经济和更有有效的遮阳阳板，并对对遮阳板遮遮阳效果进进行模拟评评估，减少少建筑能耗耗，改善住住宅性能。数数值的意义义是该日期期内窗口的的返回光线线在遮阳板板上产生照照射的时间间总和，该该值可以被被看作遮阳阳板上该点点对窗口遮遮阳作用的的权值。会会在遮阳板板上沿着零零数值的边边界绘制零零时间界线线。8总结与展展望本文概括介介绍了日照照分析软件件的相关原原理、计算算方法和目目前工程应应用情况，并并且对日照照分析中遇遇到的一些些难点问题题介绍了一一些相关解解决方法。日日照分析经经过多年的的积累和发发展，计算算从最初的的点日照时时长计算，到到后期的推推算建筑物物最大容积积的极限容容积计算，从从适应各地地标准规范范的标准设设定，到解解决计算速速度的计算算加速技术术，日照软软件一直在在不断丰富富和完善分分析功能和和使用细节节，结合目目前国内绿绿色建筑的的发展，计计算机硬件件技术的迅迅速提示以以及数值计计算科学发发展，相信信日照分析析作为绿色色建筑的一一员，将会会大大拓宽宽其应用领领域，向建建筑物室内内自然采光光分析、太太阳能相关关应用、遮遮阳设计等等相关应用用领域不断断发展。参考文献1三维维日照分析析软件SUUNLIGGHT用户户手册中国国建筑科学学研究院PPKPM 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