基于方位角的建筑日照间距控制

和谐城市规划——2007中国城市规划年会论文集1254基于方位角的建筑日照间距控制宋小冬田峰【摘要】随着高层建筑比例的增加，日照遮挡问题变得复杂，严重影响到各地城市规划管理的效率。本文针对高层建筑，以太阳方位角为基本出发点，对建筑间距的协调、控制展开讨论。在此基础上，提出了二级间距控制方法，并且举例进行解释、说明、检验，希望基于方位角的间距控制在城市规划管理中具有可操作性。【关键词】建筑日照间距；二级间距控制；方位角；城市规划管理1日照标准、控制方法的发展建国后很长一段时间没有正式的建筑日照标准，这种情况持续到1980年12月结束，原国家建委颁发《城市规划定额指标暂行规定》（(80)建发城字492号）规定：“房屋间距，在条状建筑呈行列式布置时，原则上按当地冬至日住宅底层日照时间不少于一小时的要求计算房屋的间距”。1987年10月民用建筑设计通则（JGJ37-87）中通过第3.1.3条明确规定住宅应每户至少有一个居室、宿舍应每层至少有半数以上的居室能获得冬至日满窗日照不少于1小时。1993年，城市居住区规划设计规范（GB50180-93）作为国家标准开始执行，2002年4月1日起，该规范中针对住宅日照必须满窗、保证一定时间的第5.0.2.1条款上升为城市建设管理的强制性要求。目前各地城市规划管理机构，基本上依据这一规范（简称《居住区规范》）来控制、协调涉及住宅的日照问题。而且，依据这一规范的商业化日照分析软件也在城市规划、建筑设计领域得到迅速推广，主要用于建筑设计方案的检验（常称日照时间检验）。历史上，住宅建筑以多层为主，往往采用行列式布局，只要保证一定的南北间距，和满窗日照之间的误差不大，方法也简单，因此用南北间距代替满窗日照时间检验已被长期使用。但是，对大城市的土地资源越来越紧张，旧城改建越来越频繁，高层、超高层建筑的比重越来越大，单靠南北间距控制日照已不能满足规划管理的实际需要。为此，市场上出现了计算机软件用于日照检验，依据《居住区规范》，先有建筑方案，再检验日照时间，只能发生在建筑设计方案产生之后，还需事先测量要检验的窗台位置。窗台－时间法虽然精度高，但是不如间距法操作简便，后者的透明度高、防范措施可提前，也许还可协调多方利益。2方位角的特点和认识建筑物获得日照可以分为两种方式——高度角和方位角。简单来说，太阳光越过南边（前排）建筑的屋顶，照射到北边（后排）建筑外墙或窗户称为高度角方式，正南北向多层板式住宅就是典型的高度角方式，其日照间距由太阳高度角决定，只要保证南北间距，后排住宅就能保证日照时数（图1）。如果阳光穿越前排建筑的侧墙，照射到后排建筑，就称为方位角方式（图2）。建设高层建筑，利用方位角为后排建筑留出日照，是提高地块容积率的基本方法，由此也带来了日照间距控制的复杂性。南北向多层住宅行列式排列布置情形下，高度角和间距之间的计算公式比较简单：AsctgHsHDcos××=……………………………………………..（1）公式（1）中：D为阴影区长度，需要保证的建筑物间距，H为遮挡建筑物计算高度，Hs为正午太阳高度角，As为被遮挡建筑法线偏离正南北的角度。1268和谐城市规划——2007中国城市规划年会论文集1255阴影区长度(日照间距)D建筑墙面法线后栋被遮挡建筑前栋遮挡建筑Asar南向阴影区长度(日照间距)DhsAsr后栋被遮挡建筑前栋遮挡建筑图1高度角方式日照间距计算示意如果南侧（即前排）出现高层塔式建筑，北侧（后排）建筑要靠方位角来控制日照，阳光通过前排建筑的侧向间隙到达后排（图2），侧向间距（也就是方位角）对后排建筑的影响比南北间距更敏感，目前还没有单一的侧向间距计算公式。主朝向主朝向图2方位角方式日照示意需要指出，即使是多层建筑，如果面宽较小，也可用方位角来控制日照。高层建筑，如果面宽足够大，如高层板式建筑，也可能靠高度角来控制日照。建筑高度和面宽的变化，会造成日照控制在高度角、方位角两种方式之间转化。对日照方位角问题曾经有学者进行研究（范耀邦1988，钱本德1994、1995），因阴影相互叠加，变化复杂，不能单纯依据几何原理推算。钱本德认为，应结合实际，借助计算机软件来验证，但是未提出验证方法。3若干基本要素、概念和术语解释本节对研究所涉及的若干基本要素和术语进行解释，如果未作说明，均依据上海市地方城市规划管理的有关规定。3.1通道与夹角高度角：太阳光线到达物体和地表水平面之间的竖向夹角。方位角：太阳光线到达物体和正南北方向之间的平面夹角。1269和谐城市规划——2007中国城市规划年会论文集1256凭借方位角或者高度角获得有效日照的现象可称为“通道”。分为立面通道和平面通道两种情形：南北向多层条形建筑为主，受影响者主要靠立面通道获得日照（用建筑物的侧立面图可以明确示意）。塔式高层建筑对后排产生遮挡，受影响者主要靠平面通道获得日照（用建筑总平面图可以明确示意）。立面通道和太阳高度角对应，平面通道和太阳方位角对应。如果同一建筑物有多个日照通道，可以在管理上规定：至少有一个通道使受影响的建筑满足日照，或者多个通道累加后满足。3.2平面通道角建筑物靠平面通道获得日照，从开始到结束，两个时刻的阳光方位角之差称平面通道角。获得1小时日照，平面通道角就有具体要求。为了简化前期研究，暂时将平面通道角按整数时段划分，9:00-15:00划分为6个基本时间段，再以0.5小时细化。如果11:30-12:00和12:00-12:30连续两个0.5小时细化的基本时段，加起来也是一个平面通道角（详见表1和图3）。例如图4的布局，北侧建筑拥有10:00-11:30和13:00-14:00两个平面通道。实际的平面通道不可能正好是1小时，也不一定在某时刻的正点，如何再细化，将另文讨论。表1基本时段9:00-10:0014:00-15:0010:00-11:0013:00-14:0011:00-12:0012:00-13:00细化时段9:00-9:3014:30-15:009:30-10:0014:00-14:3010:00-10:3013:30-14:0010:30-11:0013:00-13:3011:00-11:3012:30-13:0011:30-12:0012:30-12:00平面通道角5.8°6.5°6.9°7.9°8.1°8.5°平面通道角12.4°14.9°16.6°10:0011:0010:309:309:0011:3012:3012:0015:0013:3014:0014:3013:0012,4°6,5°6,9°7,9°14,9°16,6°8,1°8,5°5,9°12,4°6,5°6,9°7,9°14,9°16,6°8,1°8,5°87,9°5,9°10:0011:0010:309:0011:3012:0015:0013:3014:0013:00图3平面通道角计算结果图4平面通道示意3.3参照日、参照时间段目前存在两种参照日、参照时间段标准：大寒日8:00-16:00时段和冬至日9:00-15:00时段。本项研究暂时以冬至为参照日，9:00-15:00为参照时间段，日照持续时间不得少于1小时。将计算时间9：00-15：00划分为6个基本时间段，再以0.5小时细化基本时段。3.4遮挡的影响范围本研究以上海为参照城市。冬至日，正午12:00，在上海，建筑高度和阴影长度之比为1：1.4，高于200米的建筑为特例，因此正南北方向所考虑的阴影长度在280米以内，虽然上午、下午的太阳斜向阴影比正午要长，为了计算方便，暂时将所考虑的南北净间距限定在300米之内，如果出现超高层建筑，再扩大。3.5建筑高宽比和建筑体型判断系数假定建筑物正南北朝向平行布局，靠平面通道获得侧向日照，分析可知10:00至14:00时段方能满足1小时日照，以10:00为例（图5）阴影区长度（相当于正南北间距）：1270和谐城市规划——2007中国城市规划年会论文集1257ctgAsWD×=2/……………………………………………..（2）（2）式中：W为遮挡建筑面宽，As为上午10：00时刻的太阳方位角）。如果靠立面通道获得正午日照，时段为11:30-12:30，以11:30为例（图6）阴影区长度（相当于正南北间距）：'cos'AsctgHsHD××=……………………………………..（3）（3）式中：D’为南北间距，H为遮挡建筑计算高度，Hs为11:30太阳高度角，As′为11:30太阳方位角。建筑面宽W阴影区长度(日照间距)D10:00时刻阴影线北14:00时刻阴影线As建筑进深B图510:00时刻方位角日照间距建筑面宽W建筑进深B阴影区长度D'11:30时刻阴影线北As'12:30时刻阴影线图611:30时刻高度角日照间距当DD’≦时，应采用平面通道方式如果两者相等,是建筑物获得日照方式在方位角和高度角之间的转换条件可知：'cos2/AsctgHsHctgAsW××≤×简化可得'cos2/AsctgHstgAsHW×××≤……………………………..………（4）（4）式中：W为遮挡建筑面宽，H为遮挡建筑计算高度，As为10：00的太阳方位角，As′为11:00太阳方位角，Hs为11:00的太阳高度角。从（4）得到正南北朝向建筑物日照获得方式在方位角和高度角之间的相互转换条件，在此将建筑正面遮挡长度（建筑面宽）与建筑高度的比W/H定义为建筑体型判断系数，该系数指建筑正面遮挡长度（面宽）与建筑高度的比例，不需要具体单位。以上海冬至日为例，W/H＝1.729≈1.73，当W/H小于1.73，1271和谐城市规划——2007中国城市规划年会论文集1258可定为塔式建筑，当W/H大于1.73可定为板式建筑。图7建筑体型判断系数3.6建筑侧向空隙系数多个塔式建筑之间侧向间距偏小，会导致诸如日影线摄动、岛状阴影以及类似板式建筑的遮挡效果。通过定义建筑侧向空隙系数和规定昀小侧向间距，可以确定塔式建筑群是否向板式转换。侧向空隙系数指两个相邻单体建筑侧向间距和群体遮挡宽度之比，无单位。经验分析表明，两相邻单体建筑侧向空隙系数0.25≦时，会导致类似板式建筑的遮挡效果，两个相邻单体建筑昀小侧向间距大于等于20米时即可有效降低日影线摄动、岛状阴影等情形发生的可能。图8建筑侧向空隙系数3.7板式建筑与塔式建筑的定义板式建筑：建筑正面遮挡长度（面宽）大于、等于自身高度的1.73倍。非正南北向排列的塔式建筑侧向空隙系数小于0.25，或两个相邻塔式建筑侧向间距小于等于20米，也视为等同于板式建筑。塔式建筑：建筑正面遮挡长度（面宽）小于自身高度的1.73倍，建筑侧向空隙系数大于、等于0.25，相邻两个单体建筑的侧向间距大于等于20米。3.8自遮挡和主朝向自遮挡常见于东西向建筑布局和一梯多户户型以及过深开口平面情形，将另文讨论。主朝向是指能够获得有效建筑面宽与侧面间距之和建筑面宽0.25L侧面间距建筑面宽L主朝向建筑面宽与侧面间距之和侧面间距建筑遮挡面宽W建筑高度H建筑进深建筑遮挡面宽W建筑高度H建筑进深1272和谐城市规划——2007中国城市规划年会论文集1259日照的建筑朝向，一个建筑可能有一个或者多个主朝向。3.9立面通道的朝向折减系数、平面通道的方位增加系数一般认为非正南朝向，建筑物的南北间距可以折减，在《居住区规范》以及各地方规定中都有非正南向住宅南北间距的折减系数规定。靠高度角获得日照条件下，因建筑朝向偏离正南，加大了自身的方位角，日照方位角依然用正午，这时南北间距可减小，其折减系数已在公式（1）中反映。靠方位角获得日照，上述条件不成立，被遮挡建筑靠平面通道获得日照，该通道偏离正南北，获得日照的时间也偏离了正午，上下午的太阳高度角肯定比正午要低，而且离开正午的时间越长，高度角也越低，当太阳升出（或落下）地平线时，高度角为零。如果高层建筑群有平面通道，通道的方位角增加，通道内阳光高度角降低，如果该通道内出现建筑物，高度不变，它和被遮挡建筑之间的间距应该增加，才不影响被遮挡建筑，因此要用增加系数来控制。初步计算可得到平面通道内建筑物高距比的增加系数（表2）。表2平面通道