建筑日照分析及日照约束下最大容积率的计算1.pdf

《建筑日照分析及日照约束下最大容积率的计算1.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《建筑日照分析及日照约束下最大容积率的计算1.pdf（58页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、安徽理工大学 硕士学位论文 建筑日照分析及日照约束下最大容积率的计算 姓名：成三彬 申请学位级别：硕士 专业：计算机应用技术 指导教师：吴观茂 20110530 摘要 摘要 随着经济的日益发展和城市化进程脚步的加快，人们生活水平逐步提高，优 良的居住环境已经越来越为人们所重视，在城市规划中，稀缺的土地资源与高品 质的生存环境之间的矛盾日益严峻。其中一个直接导致矛盾加剧的因素就是建筑 日照因素。因此，如何在满足日照前提下提高土地利用率的科学研究具有重要的 现实意义。 现今国内外对于建筑日照分析的已有大量的研究，虽然取得了很好的成果， 但是这些研究都具有一定的局限性；本文在分析了当下主流的建筑日照

2、分析的基 础上，提出了给不同时刻的太阳光引入一个与辐射强度相关的权值，以日照强度 的方式来评判建筑日照的设想。而不以日照时间长短作为唯一判定建筑日照的标 准，具有更高的科学性与合理性。另外，对如今大型建筑中，常见的玻璃幕墙反 射太阳光线对周围建筑的影响做了一定的分析。 文中还重点介绍了遗传算法基本原理，并将其与建筑同照原理相结合，对R 照约束下预建区最大容积率的求解过程：模型建立方式、初始群体产生、适应函 数和遗传操作的设计等提出了算法思路，并给出了算法优化构想。用其取代传统 的凭借经验的方式计算最大容积率的方法。在试验中取得了良好的效果。论文最 后提出课题进一步研究的方向。 图【1 9 】表

3、【3 】参【1 0 】 关键词：同照分析；日照强度；最大容积率；遗传算法 摘要 A b s t r a c t W i t hi n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n dt h ea c c e l e r a t e dp a c eo fu r b a n i z a t i o n p r o c e s s ，p e o p l e Sl i v i n gs t a n d a r d sa l eg r a d u a l l yi m p r o v e d G o o dl i v i n ge n

4、v i r o n m e n t h a si n c r e a s i n g l yb e c o m et h ef o c u s I nu r b a np l a n n i n g , c o n f l i c tb e t w e e ns c a r c el a n d r e s o u r c e sa n dl i v i n ge n v i r o n m e n t so fh i g hq u a l i t yb e c o m e si n c r e a s i n g l ys e v e r e O n eo f t h ef a c t o

5、r st h a td i r e c t l yl e a dt oi n c r e a s e dc o n f l i c ti sb u i l d i n g Si n s o l a t i n g T h e r e f o r e ， t h es c i e n t i f i cr e s e a r c ht h a ti sc o n d u c t e dt oi m p r o v el a n d - u s er a t i ou n d e rt h ep r e m i s eo f s a t i s f i n gi n s o l a t i n g

6、h a si m p o r t a n tp r a c t i c a lm e a n i n g N o w a d a y s ，t h e r eh a v eb e e ng r e a ta m o u n to fr e s e a r c h e so nb u i l d i n g Si n s o l a t i n g a n a l y s i sa th o m ea n da b r o a d A l t h o u g hg o o dr e s u l t sh a v eb e e na c h i e v e d d ，a l lt h e s e

7、r e s e a r c h e sh a v es o m el i m i t a t i o n s B a s e do np r e v a i l i n gc u r r e n to fb u i l d i n g Si n s o l a t i n g a n a l y s i s ，a s s u m p t i o nt h a ti n t r o d u c i n gaw e i g h ta s s o c i a t e dw i t hi n t e n s i t y o fs o l a r r a d i a t i o na n dj u d

8、g i n gt h ei n s o l a t i n go fh o u s eb u i l d i g sa c c o r d i n gt oi n t e n s i t yo f i n s o l a t i n gi sr a i s e d J u d g i n gb u i l d i n g Si n s o l a t i n gw i t h o u tu s i n gt h es u n i n ed u r a t i o na s t h es o l ec r i t e r i at od e t e r m i n i n gi sm o r e

9、s c i e n t i f i ca n dr e a s o n a b l e I na d d i t i o n , s o m e a n a l y s e sa b o u ti m p a c tt h a tc o m m o ng l a s sw a l l So fl a r g eb u i l d i n g sr e f l e c t i n gS u n Sl i g h t h a so ns u r r o u d i n gb u i l d i n g sa r ed o n e T h eb a s i cp r i n c i p l e so

10、 fg e n e t i ca l g o r i t h m sa l eh i g h l i g h t e d C o m b i n a t i n gt h a t 、析m p r i n c i p l e s o fb u i l d i n g S i n s o l a t i n g ，a l g o r i t h m i c i d e a sw h i c ha l eu s e dt o r e p l a c e t r a d i t i o n a lm e t h o dt oc a l c u l a t et h em a x i m u mF A

11、R ( F l o o r - a r e aR a t i o ) b ye x p e r i e n c ea r e p r o p o s e da b o u tt h es o l v i n gp r o c e s so fm a x i m u mF A Ru n d e rc o n s t r a i n to f s u n s h i n ea n d a l g o r i t h mo p t i m i z a t i o ni d e a sa l eb r o u g h tf o r w a r d T h a tp r o c e s si n c l

12、 u d e sm o d e l b u i l d i n gm e t h o d s ，m o d e lb u i l d i n gm e t h o d s ，d e s i g no ff i t n e s sf u n c t i o na n dg e n e t i c o p e r a t i o n s G o o dr e s u l s t sw e r ea c h i v e di ne x p e r i m e n t F i n a l l y , f u r t h e rr e s e a r c ha r e ai s p r o p o s

13、e d F i g u r e 19 】t a b l e 【3 】r e f e r e n c e 10 】 K e y W o r d s ：S u n l i g h tA n a l y s i s ，s u n l i g h ti n t e n s i t y ，M a x i m u mv o l u m er a t e ，g e n e t i c a l g o r i t h m l 绪论 l绪论 1 1 研究背景 随着经济的日益发展和城市化进程脚步的加快，建筑日照成为一个不容忽视 的问题【l 】，一方面，阳光对人的生活有不可忽略的影响，更与人的健康息息相关， 充足的

14、太阳光线不仅能起到给房屋除湿、消除细菌减少疾病产生和传播的作用， 更能给人愉悦的心情，增强的人安全感、舒适感，在冬季还能一定程度的增加房 屋的室内温度，降低居住环境对空调等调温设备的依赖程度，从而减少能源消耗。 充足的日照条件已经成为人们选房购房的首选条件之一。另一方面，随着城市化 的发展，城市人口的急剧上增，大中城市甚至出现了人口超出城市承载能力的现 象。筑越来越高，周围建筑对太阳光线的相互遮挡也成为必然，人们获得阳光的 权利被林立的高楼所剥夺。因此，保障最低日照的住宅日照标准相关法律条文的 相继被制定；第三，稀缺的土地资源与城市迫切的建筑需求之问的矛盾日益严峻， 如何在满足人们对日照等需求

15、的情况下寻求更大的建筑空间已成为城市建设中的 焦点问题；第四，光学污染也成为社会关注的热点问题，人造光线对生态环境的 影响，对人们生活环境的破坏在规划中也是一个不能被忽视的问题。所以，合理 的确定建筑与建筑群的朝向、间距、形状以满足最低要求成为现阶段城市规划中 的重点问题。 然而，在城市规划的审批过程中，因为没有合理的、统一的判定建筑同照时 间和求解最大容积率的方法，使得主观因素对审批结果产生了很大影响。形成了 不规则的管理体系与审批模式。因此，找出一种规范的、没有争议的评判同照的 方法成为必然要求。计算机技术的快速发展使这种要求成为可能。在国家规范标 准的约束下，利用其强大的计算能力和不易出

16、错的特性，开发一款日照分析软件 来帮助设计和审批工作，既能大大减少工作量，提高科学管理水平，而且消除了 人为因素的影响，评估结果也真实可靠、没有争议。 1 2 国内外研究现状 在建筑日照方面的规范与管理上，我国早在1 9 9 3 年建筑部就制定实施了城 市居住区规划设计规范中对住宅建筑闩照的规定标准见表1 2 1 ： l 绪论 表1 住宅日照标准( 城市居住区规划设计规范) T a M e1S t a n d a r dR e s i d e n t i a ls u n s h i n e I 、I I 、I I I 、V I I 气候 气候区划分 区 I V 气候区 V 、V I 气 候区

17、 大城市中小城市大城市中小城市 日照标准日大寒日冬至日 日照时数( h ) 231 有效日照时间带( h ) 8 - 1 69 - 1 5 计算起点底层窗台面 注：气候区划分按照城市规划规范标准要求。 其中，对于特定人群和特定情况还应该符合特定条件。如敬老院、幼儿园等 老年人和儿童的主要居住环境冬至日日照时间不得低于2 小时；新建建筑设施不 能降低周围原有建筑的日照标准等。但是由于不同地区的环境情况不一样，建筑 部制定的标准并不能适应所有城市的规划需求，因此，在不降低质量的情况下， 各个城市根据自身的特点制定了与其发展相符合的规划方案，如上海市上海市 城市规划管理技术规定( 2 0 0 3 )

18、 、天津市标准与管理规定( 2 0 0 0 ) 、南京市规 划条例实施细则等。 在这些标准的约束下，也形成了相应的计算建筑同照时间与连续最大建筑照 射时间的一些算法和软件。目前国内现有的日照分析软件主要有：杭州飞时达日 照分析软件F a s t s u n 、洛阳众智软件公司的S U N 日照分析软件、国建筑科学研究 院S u n l i g h t 等。传统的计算建筑日照时间的方法是以绘制棒影来描述太阳运动规 律，将棒影图以手工的方式叠加到规划设计图上，传统的求解最大容积率的方法 往往是通过经验和人工计算的方式来估算，这些方法不仅复杂而且计算结果不准 确，只能得到大概的结果。而随着科技的发展

19、已经能够利用计算机模拟地球与太 阳系统从立体几何图形与光学的角度准确的判断建筑群在不同时刻的细节状况。 既为规划提供了直观效果，也为审批提供了科学的依据。更随着地理信息系统 ( G I S ) 在城市建设中的应用使得三维的数码城市日照分析逐步代替二维C A D 日照 分析方法。随着计算机在各个领域的普及应用，计算机计算能力的不断提高，遗 2 I 绪论 传算法也被应用到最大容积率的求解。 在国外，对建筑日照的关注和标准的制定要更早，早在上个世纪六十年代和 七十年代美国、日本、苏联、英国等发达国家就针对自身的地理位置和区域环境 制定了相关法律标准。国外针对这些标准，也采用不同的方法发展了很多软件，

20、 大多和国内样，都是基于C A D 的二次开发。和国内不同的是，这些软件不止计 算太阳直射的辐射能量研究，还将研究方向发展到对散射与从地面和其他建筑物 放射的太阳辐射能量方面。虽然这种研究技术还很薄弱，但是已经成为重点研究 方向。 1 3 主要研究内容 1 3 1日照分析 本文将会从日照原理、地球一太阳关系入手，经过对时间系统变换、太阳高度 角、太阳赤纬角、太阳方位角等的研究建立建筑F 1 照的数学模型。在地理信息系 统的基础上，将计算三维场景中点、面、线相对位置判断建筑物的某个面的阴影 图。在以周围建筑的参数为条件，判定出某个点( 窗台) 的最低日照时间和最长 连续日照时间。 1 3 2日照

21、强度与反射光线 通过对建筑日照的研究，提出了以太阳直接日照时间作为唯一判定标准，具 有一定的局限性，使用给不同时刻的太阳光加入一个与太阳辐射强度相关的权值 的方法来解决这一局限性。并对反射光线对日照的影响作了简单计算。 1 3 3 最大容积率的估算 介绍了遗传算法及其基本原理，并将其与建筑日照原理相结合，对日照约束 下预建区最大容积率的求解过程：模型建立方式、初始群体产生、适应函数和遗 传操作的设计等提出了算法思路，并给出了算法优化构想。 3 - 2 日照分析依据 2 1日照原理 2 日照分析依据 地球绕太阳转一周的时间是一年，地球任意一点在不同时刻的光照情况是不 一样的，但是呈现出有规律性。

22、而这种规律就是建筑日照分析的基础。建筑的同 照情况与海拔、经纬度、季节等有直接关系。众所周知，地球公转的黄道平面和 自转的赤道平面不是垂直的，而是存在一个在公转时不发生改变的6 6 5 度夹角。 这也正是地球一年四季变换的原因。 夏至 ( 6 月2 2 日) 秋分( 9 月2 3 日) 日) 图1 地球绕太阳运行图 F i g lM 印t h eE a r t ha r o u n dt h es u n 实际上，太阳是一个点光源，但是因为太阳与地球之间的距离非常远，我们 在地球上接收到的太阳光经过这么遥远的距离已经几乎是平行的了。因此，在本 文中认为太阳光线为平行光线。地日距离视为无穷远。地

23、球每自转一周的时间是 一天，即每个小时自转的角度是3 6 0 2 4 = 1 5 。；地球每一天公转的角度小于1 。， 因此我们可以近似的认为在同一天，相同维度不同经度地点的日照情况是一样的， 也就是说，日照情况只与维度有关，而与经度无关。 2 2日照参数 经过对日照原理的了解可以知道，地球上某一点的同照情况与日期和该点纬 度有关，而日期又直接决定当天某时刻的太阳时角、太阳高度角、太阳方位角及 当天的日出日落时间【4 ，5 1 。 ( 1 ) 太阳时角 太阳时角是指，太阳所在位置的地球经度平面与本初子午线之问的夹角，通 一4 2 日照分析依据 常用T 表示。从日照原理可知，地球每小时自转1 5

24、 度，设时间为t ( 0 t ，太阳光线方向是L = ， 阴影投射平面为P = 。那么则存在一个常数K 满足： ( 矿+ k L ) 尸= 0 ( 3 - 3 ) 将建筑物模型的每个顶点代入( 3 - 3 ) ，则可以得到该建筑在P 平面上的投影。 而计算机计算向量都是以矩阵形式变换，因此上式可以改写成： 形。 b x L y + c x L z a x L y - a L z O - b X L x 口XL x + c L z - b L z 0 - - C X L x C X L y D x L x + b x L y O d L x d 1 ， ， 一d L z a xL x + b x

25、L y + c L z ( 3 - 4 ) 将( 3 4 ) 右乘透视交换矩阵，就能够得到建筑物在地平面上所形成的阴影多边 3 建筑日照分析 图8 平面阴影示意图 F i g8S c h e m a t i cd i a g r a mo f t h es h a d o wp l a n e 在建筑分析中，求解平面阴影通常是以观测点( 窗户、阳台等) 所在高度且 平行于地平面的平面作为阴影投射平面P ，然后求解周围建筑在某t 时刻投射在 平面P 的阴影多边形，在判断该观测点与阴影多变行的位置关系，如果落在阴影 多边形内部，则表示观测点在t 时刻被遮挡，即无光照；相反，如果落在阴影多 边形外，

26、则表示观测点在t 时刻没有被遮挡，有光照。 很显然，这种阴影分析方法具有很大的局限性，不能反应遮挡的详细情况。 起伏的地形和不规则的地理环境都会影响最终阴影多边形的计算结果，地理起伏 使地面上各个位置点的高度Z 不一致，经常导致阴影部位与建筑底部不符合，扭 曲甚至断裂偏移，这种现象称为Z f i g h t i n g 现象。使用投影面设置为建筑地面高 度平均值的方法可以减少偏移和误差。 ( 2 ) 阴影体分析 阴影体是指，当太阳光线照到不透明的周围物体( 如建筑、树木、雕塑、山 脉等) 时，在其背面形成的三维无光照阴影区域。它是一个半开放区域，这个区 域与视角区域相截形成一个三维阴影多面体。

27、判断平面是否在阴影多面体内部的 方法是通过计算其进入多面体内部的次数。这种方法虽然很简单，但是也有很多 问题。比如，在不可见表面的计算上。 设想，在通常情况下，传统建筑物有好的立体图形结构，为了提高绘制速度， 我们首先根据建筑物的外形将建筑物沿着太阳光线方向，划分成多个垂直于太阳 光线的屏幕P 1 ，P 2 ，将位于P 1 前面部分的阴影投射到P 1 平面；P l 与P 2 平面 1 2 3 建筑日照分析 之间的建筑部分投影到P 2 平面，一次类推，最后得到P 1 ，P 2 平面图形即是建 筑阴影实际情况，这样不只大大减少了计算复杂度，而且将各个部分分开处理， 在规划后期建筑物的调整提供了方便

28、。 3 2 日照评价标准 本文的研究的目的是怎么样利用最少的土地资源，建筑更多达到人们需求的 建筑群，寻求最佳的建筑间距和朝向。那么，什么样的建筑群才是能符合人们生 活需求，其中一个重要指标就是充足的太阳日照，而日照的目的除了通光意外， 还有除湿、杀菌等作用。所以，单一的以太阳照射时问作为唯一标准来判定建筑 日照的好坏显然是不合理的。日照评判标准应该是多方面的。 首先，日照时间长短无疑是一个直接标准，因为它是建筑物接受阳光照射的 直接参数。相同条件下，更长时间的太阳照射必然能比短时间照射更能满足需求； 第二，同照时间只能说明建筑物有多长时间通光，而不能说明太阳照射在建 筑物内部的情况，例如不同

29、角度的太阳光线照射在建筑物内部的面积是不相同的， 为了能更加精确的反映建筑内部同照情况，我们同照时积的概念，即是将R 照时 间和日照面积集合到一起作为日照评判的标准。 第三，不同时刻太阳能量强度是不一样的，表现为早晨和傍晚太阳强度低， 中午时分太阳辐射能量高。虽然有标准专门规定了有效日照时间，但是还是不能 很好的解决这个问题，假如我们对每个时刻的太阳光线引入一个与辐射能量相关 的权值C ，低辐射时问段采用小权值，高辐射时间段使用大权值，这样就能很好 的将太阳日照和室内获得能量统一起来。虽然，我们不知道权值具体该加多少， 但是以经验可以知道，权值与太阳高度角H s 成正比。 因为日照时积与加入权

30、值的方法还没有制定相关规定，所以后文就算遗传算 法计算最大容积率仍然采用一日照时间作为评价标准。并在此基础上，对这两种 评价标准下的计算提出设想与方案。 3 3 反射光线模型计算 在建筑R 照分析的研究中，以往都是以太阳直射光线作为研究对象。这本身 是无可厚非的。但是随着科技的发展，室内保温材料与有机材料科技的不断创新， 建筑材料的跟新换代脚步日渐加快。现今在大型建筑中使用玻璃幕墙的情况已随 处可见。我们知道，光线照射玻璃时，有一部分光线直接穿透进入玻璃另一面， 另外一部分则在经过玻璃是发生反射，返回到原来区域。那么，在太阳照射建筑 1 3 3 建筑日照分析 物玻璃幕墙时，太阳光线也会发生反射

31、，据经验可以知道，这一部分太阳反射光 也具有相当可观的辐射能量。那么这部分光线照到了哪里，成了什么影响就成为 一个不容忽视的问题。 图9 建筑反射与折射示意图 F i 9 9S c h e m a t i cd i a g r a mo f b u i l d i n gr e f l e c t i o na n dr e f r a c t i o n 要想知道反射光线照射的位置，需要解决2 个问题：( 1 ) 反射光线沿什么方 向返回? 即反射光线反射方程的求解；( 2 ) 反射光线照射的范围多大? 即反射光 线反射区域的求解。 首先，反射光线反射方程求解： 步骤1 ：先获得玻璃墙幕的多

32、边形各顶点中的至少三个的空间坐标，从而确 定玻璃墙幕所在平面的平面方程：A X + B Y + C Z + D = O ( 假设玻璃墙幕是规则的图形， 各个点都在同一面上) ； 步骤2 ：根据时间确定太阳方位角和太阳高度角，进而求解太阳入射光线 瓦= 雨的方程向量； 步骤3 ：设反射光线为巧= ( a l , b l , c 1 ) ，垂直于玻璃幕墙的法线向量品= 琢万面， 因为反射光线和入射光线的夹角相等，即们= 铊，为简便起见，我们假设入射向 量和反射向量长度相等，很显然就有：K + 与法线向量拧平行，根据向量平行 的充分必要条件，则存在一个实数k ，使得： 巧+ 巧= 七二 ( 3 4

33、) 代入数据得： ( a + a l ，b + b l ，c + c 1 ) = k ( A ，B ，C ) ( 3 - 5 ) 再有入射光线和反射光线向量长度相等： 1 4 3 建筑日照分析 综合上两式得： ( 口2 + 6 2 - t - c 2 ) = ( a 1 2 + b 1 2 + c 1 2 ) ( 3 - 6 ) k = ( 2 a A + 2 b B + 2 c C ) ( A 2 + B 2 + C 2 ) ； 讥2 1 一? ； ( 3 7 ) b l = 解一6 ： c l = k C - c ； 即得反射光线H 的值。 然后，根据前面得到的反射光线方向，求解反射区域。

34、因为玻璃墙幕是水平 的，根据光学原理，平行光线在经过平面镜反射，反射光线还是平行光线，虽然 光线在经过玻璃墙幕的过程中有能量的衰减，但是并不影响其反射区域。因此， 我们可以类似的将它看成一次低能量的太阳直射，将反射光线当做太阳入射光线 代替到前面分析的同照原理中进行计算，只是其中存在着一个系数关系，在后面 的同照强度求解中将会对这个系数进行进一步讲解。 3 4 日照强度的计算 如果日照时间是对建筑同照判断的一个直接标准，但是，单纯的依据某窗台 日照时间长短并不能反映该窗台所属房间日照的具体情况。因为，人们规定建筑 日照时间长短实际上就是想让居住环境得到尽可能多的同照辐射能量，本身如果 只考虑时

35、问长短，并不能综合得到房间内接受日照的面积、得到的能量等。所以， 日照强度的计算也就成为必然。但是这方面的研究相对复杂，且没有统一的评判 标准，因而一直没有被正式提及。 日照强度直接关系了单位时间内，单位范围内受到太阳光照射所获得的辐射 能量。掌控这种辐射能量有着重要的意义，如在严寒的冬季较多的能量辐射能够 增加室内温度；酷热的夏季较低同照强度能够起到降低室温，节约能源的作用等。 光通量是能够衡量辐射能量大小的重要指标，它是指人所能感受到的辐射功率， 等于单位时间内，某一波段的辐射能量与该波段相对视见率的乘积。单位为“流 明“ ，用。表示。由于人对不同波段的可视性不同，所以相同辐射功率的两 段

36、光波的光通量是不一样的光通量分布在空间中的密度即是发光强度，简称 光强，用I 表示，单位为坎德拉。单位面积受到的光通量又叫照度。同一光 源照射时，照射角越大，照度越大，当光线垂直照射时达到最大值。然而， 人的眼睛是不能够直接感受能量的大小的，人只是直观的通过光线的亮度来 确定辐射能量的大小。 1 5 3 建筑日照分析 3 4 1 直射光日照强度 在不考虑反射光线的传统建筑日照分析情况下，同一地理经纬度，同一 时间的太阳辐射情况是相同的，所以，太阳光线的照度只和建筑物的结构与 遮挡情况相联系。当建筑受阳墙体垂直于太阳光线时，照度最大，受阳墙面 与太阳光线的角度越小，照度也就越低。 照射面积S 图

37、1 0 房间日照示意图 F i g10S c h e m a t i cd i a g r a mo ft h er o o ms u n s h i n e 房间日照如上图所示，如果我们需要求解某时刻照射进房间内部的日照 能量，只需要求解窗台真正通过阳光区域的面积S 和光线与墙体之间的夹角 0 即可，因为具体时刻和地点太阳光线的光通量是固定的( 假设通光区域没 有发生反射作用) ，而区域面积S 和夹角0 都可以由前面介绍的日照分析得 到，而在S 和0 已知的情况下求解该时刻的房间内日照面积的问题就是一个 简单的三维空间一个平面在另外几个平面中映射求解问题。这里就不赘述 了。 在这种情况下，既

38、要增大建筑物的受阳面积，又要增大单位受阳面积内 的照射强度，显然是有难度的，现在也没有很好的办法解决。只能根据具体 需求，凭借经验和具体情况需要作出权衡。例如，在人口相对集中的地方( 商 场、车站等) 就以加大受阳面积为侧重点，而在一些其他希望能够在短时间 内达到日照效果的场合就会以增加单位面积日照能量为侧重点。 1 6 3 建筑日照分析 3 4 2 反射光日照强度 相对于前面太阳光线的反射中讲到，反射光线只拥有一部分太阳辐射能 量，那么这一部分辐射该怎么计算呢。反射光的强度时与媒介分界面的性质 和媒介透光性相关的，在本文中即是与玻璃墙幕的材质和透光性有关。而在 建筑物设计中，具体的材料选择又

39、与价格、用途、周围环境等实际情况相关。 选择透光性强的玻璃材料，太阳光线穿透率也高，相应的反射光线所携带的 辐射能量就低。人眼感受到物体的亮度其实就是物体表面的反光度。反射光 线越强，人眼感受到反射点越亮。经研究，反射材料表面亮度L 与反射材料 的折射率p 以及直射日照强度E d ，成正比： 工：望 ( 3 8 ) 7 “ 至于材料的选择，不在本文讨论范围之内。为了简便起见，本文假设太阳光 线经过玻璃幕墙的反射光线所携带的辐射能量( 或者说光照强度) 是原太阳光线 的! k ，也就是说，在反射光线k 小时垂直照射相当于被太阳直接照射1 小时。再 假设，玻璃幕墙是规则均匀的几何图( 本文以长方形

40、为例) ，则反射光线是均匀分 布的，承载平面也是规则的几何图。 图1 1 反射光线日照强度模型图 F i g11r e f l e c t sl i g h ti l l u m i n a t i o ni n t e n s i t ym o d e ld i a g r a m 首先，我们找到一个高度为H 的点P ，以P 所在的水平面作为辐射承载平面， 1 7 3 建筑日照分析 承载平面垂直于反射平面( 玻璃幕墙) 。高度小于H 部分玻璃幕墙显然不能将反射 光线投射到该承载平面上，固只需考虑面A B E F 部分反射情况。可以根据光的反射 原理，得到其在承载面上的辐射区A B D C ，

41、且可以结合太阳高度角，方位角等参数 求得A B D C 区域的面积；在判断P 是否在A B D C 范围之内，如果不在则说明P 点未 能获得反射光照射；相反则根据假设，反射光线是均匀的平行光，所以总反射光 能量被均匀分不到A B D C 范围内；有微积分可知，某区域承载能量占全部能量比重 等于其面积之比，即：单位面积承载能量= 反射能量承载面积。综合上文中“太 阳光线经过玻璃幕墙的反射光线所携带的辐射能量( 或者说光照强度) 是原太阳 1 光线的“ 可以认为承载面上的点被反射光线照射1 小时等于被太阳光线直接照 k 1a 射二0 A B E F 小时。值得一提的是，反射光线与承载平面之间的夹角

42、并不等于 k 邑B D C L E D B ，而是根据太阳位置的不同成一定的几何关系。 首先，我们找到一个高度为H 的点P ，以P 所在的水平面作为辐射承载平面， 承载平面垂直于反射平面( 玻璃幕墙) 。高度小于H 部分玻璃幕墙显然不能将反射 光线投射到该承载平面上，固只需考虑面A B E F 部分反射情况。可以根据光的反射 原理，得到其在承载面上的辐射区A B D C ，且可以结合太阳高度角，方位角等参数 求得A B D C 区域的面积；在判断P 是否在A B I ) C 范围之内，如果不在则说明P 点未 能获得反射光照射；相反则根据假设，反射光线是均匀的平行光，所以总反射光 能量被均匀分不

43、到A B D C 范围内；有微积分可知，某区域承载能量占全部能量比重 等于其面积之比，即：单位面积承载能量= 反射能量承载面积。综合上文中“太 阳光线经过玻璃幕墙的反射光线所携带的辐射能量( 或者说光照强度) 是原太阳 ， 1 光线的”可以认为承载面上的点被反射光线照射1 小时等于被太阳光线直接照 c 1C 射鲁盟小时。值得一提的是，反射光线与承载平面之间的夹角并不等于 k S A B I ) c Z E D B ，而是根据太阳位置的不同成一定的几何关系。 1 8 3 建筑日照分析 图1 2 建筑物间反射模型图 F i g l2F i g u r er e f l e c t a n c em

44、 o d e lb e t w e e nb u i l d i n g s 上图建筑物二的窗台阴影部分为某时刻经安置在建筑物一墙体上的玻璃幕墙 反射的太阳光线照射区域。与前面承载平面反射能量求解相类似。这个区域单位 面积接受太阳光辐射能量与承载面承载区域能量成正比，系数为受阳墙体与承载 平面之间夹角O 的余弦倍。结合前面承载面的反射能量分析与计算，最终可得到 建筑物二窗台接收反射光线强度。而在前面讲到，我们给不同时刻的太阳光线增 加了一个与太阳高度角成正比的权值C ，同样在反射光线中，我们也可以该权值 引入进去，就可以得到，某反射光线的强度与太阳高度角也成正比。 3 5 本章小结 本章对建筑

45、日照分析的基本原理、相关模型和计算方法做了系统的概括；接 着提出以给不同时刻的太阳光增加一个权值的方式，来作为评价日照的标准；最 后阐述了日照强度的计算的相关知识。上述的这些理论与知识，是本论文中最大 容积率计算的基础，为后继研究的顺利进行做了铺挚和准备。 1 9 4 遗传算法求解最大容积率 4 遗传算法求解最大容积率 4 1最大容积率求解的意义与难点 4 1 1最大容积率求解的意义 在前面讲到的建筑日照的分析只能用于对预建地的规划方案或已经存在建筑 物的日照情况进行分析。现今城市化进程的加快，土地资源越来越紧缺，在城乡 规划中，预建地所能达到的最大总建筑面积与用地面积之比( 即最大容积率)

46、，已 成为衡量建筑土地利用率的一个重要指标。而影响最大容积率的一个重要因素就 是日照条件。那么，在日照约束下，怎么样准确求解一块建筑用地的最大容积率 己成为建筑规划中尤为重要的问题。在建筑施工以前，事先预测预建地的最大容 积率不仅能预算预建地的真正价值，给评估或投资提供参考；还能为建筑群的规 划提供真实的科学依据，减少后期因不合理规划而产生的繁复的修改工作，大大 减少工作量；因此，求解最大容积率具有重要意义。 4 1 2 最大容积率求解的难点 在相关的建筑设计规范中，规定了不同气候区，不同城市拥有不同的日照要 求，而如果要估算出预建区的最大容积率，则必须考虑一下因素的影响【l l 】： ( 1

47、 ) 周边环境中需要考虑的窗台数目和窗台位置； ( 2 ) 根据不同地点的地理经纬度，确定太阳运行轨迹； ( 3 ) 日照规范中规定的有效R 照时间、最低日照时间、最低连续日照时间； ( 4 ) 预建区域内允许建筑物的最大高度限制，如城市楼高限制、电梯承载限 制等； ( 5 ) 新布局建筑物与原建筑物之间的影响，如医院旁边不能建易引起喧哗的 建筑； 除了这些外部因素影响之外，拟建建筑群之间的相互影响也成为容积率求解 的一个障碍，如拟建建筑对阳光、绿化、通风、交通等因素的竞争。 传统的求解最大容积率的方法多是凭借经验，没有系统科学的求解方法，这 样求解的结果往往不够精确，不能达到最佳要求，而且可

48、检验性也低。遗传算法 的应用能够从诸多因素中综合估算出最大容积率。误差小、计算方便、准确性高， 很好的解决了上述难点。 一2 0 4 遗传算法求解最人容积率 4 2 遗传算法 4 2 1 遗传算法概述 遗传算法是一种模拟自然界生物遗传进化和自然选择理论的计算模型，他的 研究兴起于上个世纪八十年代末和九十年代初的。因简单、通用性强的特性，至 今已应用的许多相关领域如：机器人控制，导弹防御系统，通信网络设计，模式 识别等，并取得了不错的成绩。在现实生活中，经常遇到的一个问题就是，要在 庞大而复杂的数据空间中求解最优解( 或接近最优解的解) 。在求解时，如果不能 有效的缩减搜索空间，很容易在搜索时发

49、生组合爆炸。所以，如何在搜索过程中， 自动找到一种方法来减少搜索空间就显得尤为重要。而遗传算法就是这样一种行 之有效的方法之一。他借鉴自然界物种的优胜劣汰，淘汰掉多余的、失败的搜索 空间，以其良好的鲁棒性为人们所喜爱。成为只能计算机研究中的关键技术1 9 】。 在近代生物学诞生之前，神创论和物种不变论占据社会思想的主流地位。知 道生物进化理论的提出与完善，物种进化与自然选择才慢慢成为主导。它认为， 自从地球上存在生物以来，就开始了其长达数亿年乃至数十亿年的进化过程：由 低级向高级、由简单到复杂、由水生到陆地的逐步发展趋势。在生物界的前进运 动中，可以看到不同层次的形态结构的逐步复杂化和完善化；与此相应，生 理功能也愈益专门化，效能亦逐步增高。从总体上看，遗传信息量随着生 物的进化而逐步增加。生物药存活下去，不许进行生存斗争。只有在生存斗 争中获胜的群体或个体才能将让自己在自然选的中获胜的的物种信息遗传 下去；而失败的个体或种群则会被淘汰掉，其产生后代的几率也变低，即便 有继承了其父代遗传信息的后代产生，也会在下