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

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SUNLIGHT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引言以往在规划管理中涉及到的有关日照方面的问题，通常采用传统的分析方法，存在计算规则和方法过于复杂，现状数据资料难以收集，数据精度无法保证以及操作性差等问题，需要投入大量人力、物力。同时，传统设计方式仅限于满足规范中的日照要求，并未将日照相关分析结果与绿色建筑设计中的节地、节能及自然能源利用、建筑环境控制等因素有效结合，进行整体考虑。研发符合绿色建筑设计规范要求，操作简便，计算结果合理可靠的日照分析CAD辅助分析系统对建筑物区进行日照采光分析，对于绿色建筑的节地、节能设计，解决日益发展的城市规划与公众对于人居环境不断增长的需求之间的矛盾，对于减少建筑对自然资源的严重消耗，对于前瞻性地对规划设计方案进行合理分析，避免设计中可能产生的日照问题，对于自然能源的合理有效利用，对于城市建设的理性、有序发展都具有较大意义。2太阳位置计算原理日照分析计算中的基本原理是计算太阳的位置，即太阳的高度角和方位角。目前国内计算基本采用《建筑设计资料集》第二版第9章中提供的计算公式进行计算。2.1建筑手册推算公式真太阳时:太阳位置计算采用真太阳时。换算公式:真太阳时=北京时间+时差－(120°－当地经度)/15°(1)太阳方位角计算:cosA=(sinh×sinф－sinδ)/(cosh×cosф)(2)－180°≤A≤180°或0°≤A≤360°;－180°≤t≤180°或0°≤t≤360°。太阳高度角:sinh=sinф×sinδ+cosф×cosδ×cost;－90°≤h≤90°(3)日出时间与日落时间:cost=－tgф×tgδ;(4)日出时角，正值为日落时角。时角:t=15°(n–12);(5)n为时间(24时制)。赤纬近似公式:δ=23.45°×［(N－80.25)×(1－N/9500)］;(6)式中:N－－从元旦到计算日的总天数;ф－－纬度。日影长度计算公式:l=H×ctgh;(7)式中:H为建筑物高度，h为太阳高度角，l为日影长度。2.2太阳方位高精度算法目前国内包括前述算法计算误差均大于±0.01度。下面介绍一种新的太阳方位计算高精度算法So-larPositionAlgorithm(太阳方位算法)，该算法由美国国家可再生能源实验室NREL提出，可计算－2000到6000年之间的太阳方位角和高度角，误差不大于±0.0003度，其计算方式更符合计算机计算的特点，能够更好满足某些应用领域对太阳方位计算精度要求很高的场合。实际校核后我们发现其误差如日出日落时间计算和国内权威天文台计算结果比较最大时间误差不大于1分钟，其计算结果和第三方如美国海军实验室等计算结果较好的吻合。使用该算法我们除可以计算出太阳方位角和高度角外，还可以准确的计算出太阳入射角、时差、日出、日落、日午和全天日照时间。使用新算法计算出的太阳位置，可以得出很高精度的计算结果，特别适合一些太阳能利用等扩展领域，如太阳能板等安装需要准确计算太阳方位的应用情况。使用该算法可以方便计算出太阳全天或者全年方位，供用户计算使用。3核心计算技术3.1点日照时间计算国内日照分析计算的核心是窗日照分析计算，目前广泛采用的两种计算方式是窗中点分析和满窗分析计算，计算的核心原理实质是进行点日照时长计算。点日照时长计算包括多点分析、线上点日照分析计算等。目前国外知名软件如AUTODESKECOTECTANALYSE等软件只能对阴影和遮蔽进行定性分析，观察阴影和遮蔽情况，不能计算出采样点日照时长，更不能根据国内规范要求进行窗日照时长的计算，无法满足国内日照分析的工程计算需求。点日照时长计算涉及到空间线面求交计算，使用传统空间几何算法，完全依赖CPU进行计算，遮挡实体较多，多点分析区域较大，采样点间距较小时，采样点可能达到数百万个，每个点进行数百次空间线面求交计算，分析时间可能需要数个小时甚至更长时间才能完成。下面是自主三维图形平台空间线面求交的C++语言代码:BOOLGePlane::IntersectWith(constGeLine3d＆line，GePoint3d＆ip，doubletol)const{GePoint3dp0;GeVector3ddir;line.Get(p0，dir);doublet=A*dir.x+B*dir.y+C*dir.z;if(fabs(t)tol)returnFALSE;t=－(A*p0.x+B*p0.y+C*p0.z+D)/t;ip=p0+dir*t;returnTRUE;}3.2大规模计算加速日照分析计算的下述特点:各地经纬度不同，全天日照角度随时变化;计算对象体量较大，参与分析建筑物较多，计算总面片数达到几百万数量级的问题;分析采样点数十万甚至百万级;计算精度高，比如计算时间步长为1分钟，各地技术规程对时间步长、分析点间距都有严格要求;对较大规模的居住小区的高精度计算，目前国内日照分析软件往往需要数小时甚至数十小时时间。不断优化和采用更为先进的算法，解决日照分析计算时间较长的问题是日照分析开发一直重点发展的一个方向，这样也利用开发更多的要求计算速度很快的动态实时分析计算功能。以往日照分析计算完全依赖于空间几何方法按时刻循环计算，对于一些比较耗时的分析计算，如平面等时线分析、全天最大阴影轮廓计算，计算一些大工程量的题目往往需要几个小时甚至更长时间才能完成。我们研发使用了新的基于GPU的三维投影方式的图像分析法，充分利用了计算机显卡的硬件加速能力，同时对遮挡实体进行空间KD树分区，使得内部计算速度得到了近万倍的提速，以往需要几个小时的计算，现在新版本可以在几分钟甚至更快的时间内完成计算。平面等时线分析是日照分析的重要工具，以此命令为例，全天阴影轮廓是日照分析的重要的辅助分析工具，可以直观的检查建筑物的最大遮挡范围，旧的算法使用计算几何多边形求交算法，参与合并计算的带孔面片可能达到百万数量级，往往要耗费数个小时完成计算。我们使用基于GPU的新面片合并算法，并针对问题阴影轮廓特点设计了独创的边界扫掠算法，全天阴影轮廓的计算速度得到了极大的提高，旧算法需要几个小时的计算工程，新算法可以在几秒内完成计算，而且消除了传统算法中边界锯齿等问题。目前新算法软件核心计算速度已经得到很大的提高，大大的节省了用户日照分析所用时间，让用户彻底告别了一次大容量分析计算需要等待几十分钟甚至几个小时的漫长过程。必须看到，目前日照计算针对问题的优化还有一定提升空间，特别是在某些扩展计算方面，能够做到交互实时显示动态分析结果必将大大提高建筑师的设计效率。4极限容积计算自动化完成辅助优化分析一直是计算机辅助设计追求的目标之一，日照分析软件除了可以动态显示建筑物不同位置、不同高度下的日照情况外，还可以帮助用户确定满足某些条件下的最佳建筑物日照间距、最佳建筑物高度，分析计算出最合理的值。极限容积计算可对任意的单个或多个地块范围按照一定的日照约束条件进行计算处理，通过类似生物进化的不断的搜索与优化，得到拟建建筑物的近似的最大体积与容积率。在规划设计中实际建筑物的体形只要在求出的极限容积空间内，就能保证已有建筑的日照满足规定，使此地块发挥最大的作用，此结果对于辅助规划、建筑方案设计和设计省地型建筑均具有较大的实用与指导意义。极限容积计算命令主要面向城市规划、建筑方案设计及房产开发商，应用于在周围建筑日照满足规范前提下，规划地块上建筑方案的布局、优化，指导方案设计的全过程，并在此基础上优化计算该地块的当前容积率。极限容积计算除了可以计算出单体建筑物的最大容积外，还可以对群体建筑物进行容积优化切割计算。对多栋互不影响的建筑区域在周围建筑物窗户影响下同时搜索计算最大可行空间体积的功能。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。在小区规划时有多栋互相影响的住宅型建筑区域情况下，搜索计算所有计算区域最大可行空间体积的功能。当计算区域为住宅性建筑时，建筑物本身的日照时间需要参加计算，而所有建筑之间都彼此都受到影响。新功能使生成削切后的建筑物区域体积满足所有窗子日照时间的要求，且体积容积率是所有可能情况中的较大值。我们内部不断改进算法，如增加边界切割的准确性，改进选择算子，交叉算子和变异算子，最优解的收敛准确性已经得到了很大的提高，很好的解决了初期存在的提前收敛早熟，易于陷入局部极值，计算效率随问题规模增大而降低等问题。5建筑日照的常用计算方法5.1日照规范设置目前各地规划管理部门针对本地区特点，在国家规范《城市居住区规划设计规范》(GB50180—93)对全国各城市的日照时数提出要求的基础上制定了适合本地区的日照分析计算规范要求。日照分析必须能够根据各地日照规范要求，灵活的设定日照分析参数，以满足各地日照计算要求。日照标准的定制界面可以灵活设定分析参数，满足目前国内各地计算规范需求，设定的日照标准可以保存和共享，内部存储于图形数据库内。5.2窗日照分析窗日照分析出了日照时长的计算外，对建筑物建设前后不满足窗口、恶化窗口等各种情况分别进行统计，也是窗日照分析重要内容。日照分析软件可以对建筑前后窗日照表中的不满足窗(表格中红色显示)、恶化窗(表格中按蓝色显示)按窗、按户进行统计，提供了详细的按户统计规则定制，以满足全国各地户统计规则，同时能够在图形上高亮显示这些窗口，各种分析结果表格可以直接绘制在图形上，或者插入word文档中。5.3等时线分析平面等时线和多点分析是日照分析的重要命令，可以评估整块分析区域的整体日照情况。须达到计算参数灵活设置，输出方式灵活，表现方式丰富，用户可以选择小数点输出位数(可精确到保留两位小数)，计算结果精确，可以选用符号方式清楚表达分析点结果是否满足规范时数，或使用三维短柱方式，形象表达等时线分析结果，可对分析满足情况进行整体统计。5.4窗日照圆锥窗日照圆锥是日照分析的重要辅助分析命令，窗日照圆锥可以选择结果成面的方式绘制分析结果，并用红色和绿色代表有遮挡和无遮挡的日照时刻，分析结果一目了然。建设前后窗日照光线比较可以通过不同颜色清楚的标示出建设前不遮挡而建设后遮挡的时刻，实际分析应用中可以直观观察窗口不同时刻遮挡情况。6日照分析结果的后期表现6.1实时阴影显示基于OpenGL窗口的实时阴影显示，可以直观全天日照阴影情况。除了可以观察多个建筑物的叠加阴影外，还可以指定显示若干个建筑物，指定了一个建筑物显示阴影，帮助我们观察单个建筑物的阴影遮挡情况，也可以给不同建筑物指定不同阴影显示颜色，便于区分不同建筑物的阴影遮挡情况。6.2日照渲染渲染出某一指定时刻场地内所有物体在日光照射下的情形图片，可以灵活调整视口，如设置为太阳方向，直观某一时刻日照阴影遮蔽情况。给不同面片赋予透明材质设置透明值后，可以渲染出光线透过窗口的透明效果。6.3日照表格和报告书日照分析计算的多数分析计算结果以表格形式表现，如点分析结果，窗日照分析结果等，提供灵活的表格编辑功能，满足导出到WORD文件和直接绘制图形的需求。日照报告书除了可以自动填写外，还可以根据计算经纬度自动选择报告模板，适应不同地区日照报告书格式要求。7扩展计算和应用7.1太阳能计算太阳能是一种可再生的清洁能源，被人们誉为21世纪最有希望的能源。