城市规划中建筑日照分析应用研究

曲秀梅

（烟台市牟平区住房和城乡建设局,山东 烟台 264100）

现代城市的发展,使得大量的人口向城镇集聚,城区有限的土地资源促使人类建造更高更大的建筑物,以满足人类对生存环境的改善需求和承载更多的人口居住,同时也为了满足集约化地使用土地、充分利用宝贵的土地资源[1]。现代建筑工程力学理论的发展、新型建筑材料的研发以及先进建筑制造装备的应用,加速了建筑工程的发展,建筑的体型和投资额度日益增加、建筑造型和建筑形式日益复杂、建筑技术和建筑高度也不断提升[2]。在资本的裹挟下,为最大化地获取土地开发收益,建筑的容积率和建筑的楼间距也不断缩小以提高土地的利用率,这就导致了建筑日照时长不足,影响了建筑的使用品质,光照不足也会影响居住者的身心健康,比如局促黑暗的居住环境容易使人产生失眠和精神紊乱等不良反应,而阳光充足的居住环境使人产生愉悦舒适的感受[3]。由于“日照权”产生的社会矛盾事件也逐步增多,因此受到城市规划者和建筑研究人员的关注和研究。

1 城市规划中建筑日照分析基本原理

在城市规划中,为了分析建筑物的受光照时间,就应对建筑的日照原理进行分析。建筑日照分析的基础是太阳光随着地球绕太阳公转的变化而呈现出规律性的变化[4]。由于太阳与地球之间的距离约1.5×108公里,远大于地球的直径,因而假设太阳为点光源的情况下,光源视为无限远,光线经过长距离的传播达到地球时,可以认为是平行光线,导致地球在自转一周后（1d）建筑受到的光照角度和光照强度是不同的,另外建筑物受光照的影响也与其所处的纬度、海拔高度以及地球公众位置有关。

在建筑物日照分析中,最为重要求解参数就是太阳高度角和方位角。太阳高度角是指地球某一时间内,太阳平行光线照射到地平线（假设为水平线）上,两者之间的夹角,如公式（1）所示；太阳方位角是指地球某一时间内,太阳平行光线照射到地平线（假设为水平线）上,太阳光线投影与正南方向之间的夹角,规定以正南方向为0°,顺时针向西旋转为正值,逆时针向东旋转为负值,太阳方位角计算如公式（2）所示[5]。

式中,Hs 为太阳的高度角,其变化区间为0°～90°；As为太阳的方位角,其变化区间为-180°～180°；δ 为太阳的赤道纬度角,可以按照 δ=23.40°×（N-80.25）×（1-N/9500）计算,N 为从1 月1 日至计算日的总天数；φ 为建筑物所处的纬度；τ 为太阳所在照射的地球经度平面与本初子午线的夹角。

在建筑日照计算中,按照不同假设原理,发展好处了不同高度日照分析方法,比如棒影日照图法、单点分析方法、平面分析方法等[6]。本文针对这些方法的计算原理进行研究。

棒影日照图法是传统的城市规划日照分析方法,它利用的是垂直立棒棒高H 与太阳照射的棒影L 之间关系,将其与建筑规划图相互叠加,由此求解公式（1）和公式（2）,棒影L 和太阳方位角Hs、棒高H 的关系如公式（3）所示,棒影L 与正北方夹角A 与太阳方位角As 的相互关系如公式（4）所示,其计算原理如图1 所示。这种计算方法本质上为几何图形法,绘制复杂,且依赖操作人员的熟练程度,且计算精度,导致分析计算结果与实际往往存在不同程度的偏差,在计算机设备发展还不完备的建筑规划时代应用较多,但在数字化和智能化的今天应用较少[7]。

图1 城市规划中建筑日照分析棒影日照图法原理

单点分析方法在建筑日照分析中具有较好的计算精度、可靠性和稳健性,它的基本原理通过连接被观测点与太阳在一天时间内的运动轨迹曲线的连线,形成日照圆锥曲线,如图2 所示,采用坐标法求解日照圆锥曲线的表达式如公式（5）所示,边界约束为建筑为与圆锥曲面的重复阴影,由此可以求得太阳时角如公式（6）所示,最后可以计算得到太阳高度角和太阳方位角,计算流程如图3 所示。

图2 城市规划中建筑日照分析单点分析方法原理

图3 城市规划中建筑日照分析单点分析计算流程

式中,S 为日照圆锥曲线的母线长度,Ω 为太阳时角。

平面分析方法是在单点分析方法的基础上发展而来,它通过组合多个单点分析将平面进行网格化,每一个网格点都是被观测点,可以依据单点分析的原理进行日照圆锥曲线绘制和求解太阳高度角和太阳方位角。由于平面网格法存在网格划分数目巨大等问题,因此在计算过程中对于不在日照范围内的网格点进行剔除,以提高计算效率。在太阳光照的过程中,建筑物造型和体积大小会影响其照射范围,建筑物周围存在一定区域的终日阴影区,如图4 所示,这些区域的网格点的日照时间可以直接确定为零,在计算时也可以进行剔除,以减少计算工作量。基于平面分析方法的城市规划建筑日照分析流程如图5 所示。

图4 城市规划中建筑日照分析平面分析方法原理

图5 城市规划中建筑日照分析平面分析方法计算流程

2 日照约束条件下的城市规划建筑设计

在城市规划建筑设计中,为城市建筑物提供良好的建筑光照环境不仅是人本思想的体现,也是建筑设计技术的日臻成熟。基于前文的日照分析,可以对建筑空间内的光照条件进行分析,用于宏观层面的整体规划布局、到中观的建筑单体设计,再到微观的建筑采光细部设计。

在日照约束条件下,人们对于人本思想的生态建筑设计提出了更高的要求。其一,对于建筑能源的消耗要求更少,以节约资源,达到绿色健康建筑的目的；其二,对健康居住环境的要求提高,健康宜居的生活环境是美好生活的体现,也是高品质生态住在的基本要求；其三,建筑与人、环境的融合,达到和谐共生的社会和自然形态。因此,通过有效的光照分析能够为生态建筑设计光照需求。

在日照约束条件下,城市社区规划也呈现多样化的需求,对建筑物光照的影响因素也具有不确定性。在城市空间规划、城市天际设计中,建筑的结构和形态往往多变,城市住宅社区也发展出了多种多样的建筑生态,为城市面貌提供了张力,形成了各自魅力的风貌。在社区规划中,由于建筑设计、资金投入、生活品质需求等因素的应县个,往往在一个社区中,存在高层建筑、多层建筑和地层建筑,建筑的形态灵活多变,高低错落,这就给建筑的日照时间造成了诸多不确定的因素,在计算日照间距、最小楼间距时,需要考虑建筑形态、日照环境以及社区规划的影响。

在日照约束条件下,城市开发对充足日照带来的投资回报需求加大。在我国,光热分布存在地区和季节差异性,南方热带、温带地区的光热与北方寒带、亚寒带的光热存在明显不同,即使在同一地方的建筑物,冬季与夏季之间的光热量也不同。在土地开发时,由于城市土体面积的限制,一方面为了提高投资回报,对城市社区建筑物的规划进行容积率降低,提高建筑物的高度和层数,另一方面人们对建筑居住环境的光热需求加大,为了享受充足的阳光,光照良好的楼层或者容积率低的社区往往更受购房者的欢迎,也给土地开发更大的汇报。因此,在城市土地开发中,对于建筑日照分析与土体利用率分析之间应寻求一个平衡点。

3 日照约束条件下城市规划建筑设计实例分析

山东省烟台市某房地产建设工程一期位于202-DC-A98 地块,位于城区东北角区域核心商圈范围,附近已有配套公用设施,交通便利。项目总投资95000 万元,项目建设用地约93.6亩, 总建筑面积约241353.70m2,其中地上约174487.20m2, 地 下 约66866.49m2,主要建设14 栋26-42 层单元高层住宅建筑、一栋三层幼儿园及四栋底商,居民户数1372 户,居住人数3582 人,容积率2.8,建筑密度19%,绿地率30%,车位配比1:1.1,涵盖高层、复式、第四代住宅、九班制幼儿园、商业等多种业态。在设计取值中,住宅建筑的单层高为3.2m,总建筑高度变化范围为83m～135m,钢筋混凝土等级为C30 混凝土,钢筋材质为HRB335。

建筑日照分析时,确定项目的经度为37.463822,纬度为121.447935,以2021 年1 月20 日（大寒日）为计算基准日,其有效时间带的分布为早上8:00 至下午16:00,确定1.5 倍建筑物高度的扇形面积范围为光照阴影区域,阴影半径为150m。建筑设计满窗日照不小于3h,以26 层高的10#为分析对象,建筑层高2.90m,其建筑光照时间受前方42 层高的36#影响,主要影响楼层为10 层以下,因此,经过光照分析,计算36#楼建设前后10#楼10 层以下的光照时间,结果如表1 所示。

表1 基于日照分析的建筑物光照时间计算结果

从表中可以看出,10#楼10 层以下的建筑物光照受36#楼建设的影响程度不一,在建筑物修建前,建筑物的光照时间均大于3h,最大值为7.64h,最小值为4.17h；36#楼修建以后,10#楼建筑物的光照时间小于3h,最大值为2.87h,最小值为1.02h,光照时间差3 最大值为5.48h,最小值为1.59h。因此,对于规划社区的建筑物日照时长不足,应调整建筑物的间距或者降低36#楼层以提供充足的日照时间。

4 结论

现代建筑工程力学理论的发展、新型建筑材料的研发以及先进建筑制造装备的应用,加速了建筑工程的发展,为最大化地获取土地开发收益,建筑的容积率和建筑的楼间距也不断缩小以提高土地的利用率,这就导致了建筑日照时长不足,影响了建筑的使用品质。本文以以山东省烟台市某房地产建设工程一期为研究对象,分析了城市规划中太阳高度角和方位角的计算方法,研究了日照分析对生态建筑、社区规划和土地开发的影响,并结合实例将日照分析应用于建筑的日照时长计算,结果表明后建楼栋对先建楼栋存在光照影响,使得日照时长不满足要求,提出了提高建筑楼间距和降低楼层的解决方案。