建筑日照設(shè)計(jì)中基準(zhǔn)點(diǎn)相關(guān)問(wèn)題的探討

劉 琦 高程翔 謝云濤 劉兆宇

隨著城市土地價(jià)值的不斷提升和城市化進(jìn)程的不斷加快，國(guó)內(nèi)城市建設(shè)多以高層高密度的方式不斷擴(kuò)張，使得建筑之間的日照矛盾越來(lái)越突出。目前的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)如GB 50180—2018《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)各類(lèi)生活居住建筑和場(chǎng)地的日照標(biāo)準(zhǔn)做出了規(guī)定[1]，并且通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬等操作性較強(qiáng)的技術(shù)手段得到落實(shí)。由于我國(guó)地域廣闊，不同城市所處地理位置和氣候特征不同，國(guó)家住建部又進(jìn)一步頒布了《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB /T50947—2014）來(lái)進(jìn)行規(guī)范。《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)日照基準(zhǔn)年、日照標(biāo)準(zhǔn)日、日照時(shí)數(shù)做了詳細(xì)的規(guī)定，且在實(shí)際操作中爭(zhēng)議很少，但日照基準(zhǔn)點(diǎn)即時(shí)間計(jì)算起點(diǎn)規(guī)定較為籠統(tǒng)。建筑日照計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)不同，計(jì)算結(jié)果的差異非常大。因此需要對(duì)計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行深入探討，明晰影響因素，解決日照設(shè)計(jì)中影響結(jié)果的這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 基準(zhǔn)點(diǎn)位置選擇

目前，關(guān)于建筑日照基準(zhǔn)點(diǎn)位置的選擇，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《城市居住區(qū)規(guī)劃設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50180—2018）中指出為日照時(shí)間的計(jì)算起點(diǎn)為底層窗臺(tái)面，是指距室內(nèi)地坪0.9m高的外墻位置。根據(jù)《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，分別對(duì)落地窗、凸窗以及轉(zhuǎn)角窗的計(jì)算起點(diǎn)提出了具體要求[2]（圖1～2）。

圖1 落地窗和凸窗的計(jì)算起點(diǎn)

圖2 直角轉(zhuǎn)角窗和弧形轉(zhuǎn)角窗的計(jì)算起點(diǎn)

窗臺(tái)的高度根據(jù)設(shè)計(jì)的不同，可能不一樣，但考慮到不加設(shè)防護(hù)設(shè)施，多數(shù)居住建筑臨空外窗的窗臺(tái)距樓地面凈高不低于0.9m，公共建筑臨空外窗的窗臺(tái)距樓地面凈高不低于0.8m。窗臺(tái)面的高度不同，日照時(shí)間差別較大。標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一要求為距室內(nèi)地坪0.9m高的外墻位置，可使計(jì)算高度相同，避免因低窗臺(tái)、落地窗等情況引起的結(jié)果差異。

然而，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，窗戶(hù)的形式更為多樣，標(biāo)準(zhǔn)所描述的計(jì)算起點(diǎn)并不完全適應(yīng)所有的日照計(jì)算情況。下面以圖3中A#為目標(biāo)建筑進(jìn)行模擬，模擬時(shí)取最大窗寬1.8m最優(yōu)，并分別探討凸窗、轉(zhuǎn)角窗以及陽(yáng)臺(tái)日照基準(zhǔn)點(diǎn)的位置選擇。

圖3 模擬布局總圖

1.1 凸窗基準(zhǔn)點(diǎn)的位置選擇

針對(duì)凸窗日照基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇，《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定如圖4所示，但實(shí)際實(shí)施中有諸多問(wèn)題。凸窗我們可以分成兩側(cè)有垂直擋板、兩側(cè)無(wú)垂直擋板及單側(cè)有垂直擋板三種類(lèi)型（圖5）。

圖4 常規(guī)凸窗的日照基準(zhǔn)點(diǎn)的位置

圖5 凸窗日照基準(zhǔn)點(diǎn)AB

如圖6所示，利用日照?qǐng)A錐面對(duì)建筑一層窗臺(tái)左右端點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量范圍僅考慮自我遮擋，忽略南側(cè)建筑的遮擋，然后取左右端測(cè)量結(jié)果的交集即達(dá)到滿(mǎn)窗日照的區(qū)域進(jìn)行觀察。通過(guò)觀察日照?qǐng)A錐面的結(jié)果可以看出，側(cè)墻遮擋對(duì)凸窗的日照影響十分明顯。

圖6 凸窗不同遮擋情況的日照?qǐng)A錐面

下面，將基準(zhǔn)點(diǎn)放在標(biāo)準(zhǔn)要求AB點(diǎn)及外窗A′B′處，如圖7所示，在相同的日照條件下，進(jìn)行模擬計(jì)算，得出日照分析結(jié)果并取首層的日照時(shí)數(shù)進(jìn)行對(duì)比，如表1所示。

圖7 凸窗優(yōu)化后日照基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′

表1 凸窗日照基準(zhǔn)點(diǎn)模擬分析日照時(shí)數(shù)對(duì)比表

通過(guò)對(duì)比分析可以看出，由于基準(zhǔn)點(diǎn)位置不同，計(jì)算得出的結(jié)果也不同，單側(cè)墻遮擋影響了一半的日照時(shí)間，雙側(cè)墻幾乎完全遮擋。因此，應(yīng)當(dāng)將有側(cè)墻遮擋的凸窗基準(zhǔn)點(diǎn)置于外窗處，這樣計(jì)算結(jié)果符合客觀情況。

1.2 轉(zhuǎn)角窗基準(zhǔn)點(diǎn)的位置選擇

轉(zhuǎn)角窗主要分為直角轉(zhuǎn)角窗與弧形轉(zhuǎn)角窗，其設(shè)計(jì)的初衷是為了提高房間的采光及視野效果，其本身在日照計(jì)算時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)位置的問(wèn)題也引來(lái)了一定爭(zhēng)議。

如圖8，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，轉(zhuǎn)角窗的日照基準(zhǔn)點(diǎn)是以窗洞口所在的虛擬的窗臺(tái)面位置為計(jì)算起點(diǎn)。這樣的計(jì)算基準(zhǔn)面已經(jīng)處于建筑內(nèi)部，而且隨著轉(zhuǎn)角窗增大，基準(zhǔn)點(diǎn)的位置逐漸靠近室內(nèi)，這樣得出的結(jié)果既不合理也不符合事實(shí)（圖9）。

圖8 轉(zhuǎn)角窗日照計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)AB

圖9 轉(zhuǎn)角窗日照計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′

同時(shí)，利用日照?qǐng)A錐面也可以清楚地看出，當(dāng)轉(zhuǎn)角窗采用基準(zhǔn)點(diǎn)AB進(jìn)行日照計(jì)算時(shí)（圖10），靠近建筑內(nèi)部的基準(zhǔn)點(diǎn)在進(jìn)行日照分析時(shí)會(huì)受到自身的遮擋影響，當(dāng)采用基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′時(shí)就會(huì)消除這樣的問(wèn)題（圖11）。

圖10 轉(zhuǎn)角窗基準(zhǔn)點(diǎn)AB的日照?qǐng)A錐面

圖11 轉(zhuǎn)角窗基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′的日照?qǐng)A錐面

為進(jìn)一步探究轉(zhuǎn)角窗基準(zhǔn)點(diǎn)位置選擇的問(wèn)題，根據(jù)已建模型進(jìn)行模擬分析，分析時(shí)分別設(shè)計(jì)4個(gè)分組，轉(zhuǎn)角窗L長(zhǎng)度依次為1.0m、1.5m、1.8m以及2.0m。再分別以?xún)煞N不同的基準(zhǔn)點(diǎn)位置進(jìn)行分析，并以窗臺(tái)角點(diǎn)的取值方式計(jì)算日照時(shí)數(shù)，最后對(duì)比模擬結(jié)果表2可以看出取基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′位置的日照情況更加合理。

表2 轉(zhuǎn)角窗日照基準(zhǔn)點(diǎn)模擬分析日照時(shí)數(shù)對(duì)比表

由于轉(zhuǎn)角窗可以看作南向窗戶(hù)與東、西向窗戶(hù)組合而成，因此在模擬分析時(shí)可以?xún)?yōu)先考慮南向窗戶(hù)的日照情況，選擇基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′位置也更為合理。

1.3 陽(yáng)臺(tái)基準(zhǔn)點(diǎn)的位置選擇

日常生活中常見(jiàn)的陽(yáng)臺(tái)主要為：凸陽(yáng)臺(tái)、凹陽(yáng)臺(tái)以及半凸半凹陽(yáng)臺(tái)，針對(duì)陽(yáng)臺(tái)日照基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇，標(biāo)準(zhǔn)比較模糊，僅提出“凹陽(yáng)臺(tái)或半凹半凸陽(yáng)臺(tái)，由于兩側(cè)（ 或一側(cè)） 墻體的遮擋（圖12～13），如果以窗臺(tái)作為計(jì)算點(diǎn)，則窗臺(tái)上的日照時(shí)間很難滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求，這將對(duì)住宅設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的限制”[3]，由圖14可以看到。

圖12 陽(yáng)臺(tái)頂板剖面分析圖

圖13 陽(yáng)臺(tái)日照計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)AB

與此同時(shí)，在進(jìn)行日照計(jì)算建模過(guò)程中，陽(yáng)臺(tái)頂板可能也會(huì)帶來(lái)遮擋影響，筆者利用日照?qǐng)A錐面對(duì)不同進(jìn)深的陽(yáng)臺(tái)頂板進(jìn)行分析。通過(guò)陽(yáng)臺(tái)剖面圖可以看出，太陽(yáng)與窗臺(tái)之間形成夾角θ，而該夾角θ影響著陽(yáng)臺(tái)頂板進(jìn)深D的尺寸大小，當(dāng)θ為45°時(shí)，D最大值為2.0m。由于實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中陽(yáng)臺(tái)進(jìn)深達(dá)到2.0m及以上的情況很少，且?jiàn)A角θ通常情況下小于45°，例如北京地區(qū)為29°49′，濟(jì)南地區(qū)為33°05′[3]，因此陽(yáng)臺(tái)頂板建模與否對(duì)陽(yáng)臺(tái)的日照并無(wú)實(shí)際影響。

除陽(yáng)臺(tái)頂板外，陽(yáng)臺(tái)側(cè)板也會(huì)帶來(lái)遮擋影響，以基準(zhǔn)點(diǎn)AB對(duì)凹陽(yáng)臺(tái)、半凹半凸陽(yáng)臺(tái)進(jìn)行計(jì)算既不符合客觀事實(shí)，日照也會(huì)受到自遮擋的影響（圖14）。為探究基準(zhǔn)點(diǎn)位置選擇，筆者根據(jù)已建模型依次對(duì)凸陽(yáng)臺(tái)、凹陽(yáng)臺(tái)以及半凹半凸陽(yáng)臺(tái)進(jìn)行模擬分析，且窗戶(hù)的滿(mǎn)窗日照時(shí)間均按照窗戶(hù)底部?jī)蓚?cè)同時(shí)照到為準(zhǔn)。

圖14 陽(yáng)臺(tái)基準(zhǔn)點(diǎn)AB日照?qǐng)A錐面分析圖

與此同時(shí)，通過(guò)對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)AB與基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′的模擬得出表3，對(duì)比模擬結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：選擇基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′的日照情況要優(yōu)于基準(zhǔn)點(diǎn)AB的日照情況。因此，當(dāng)陽(yáng)臺(tái)為凸陽(yáng)臺(tái)時(shí)，其自身沒(méi)有側(cè)板的遮擋影響，因此仍可按基準(zhǔn)點(diǎn)AB進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)陽(yáng)臺(tái)為凹陽(yáng)臺(tái)或半凹半凸陽(yáng)臺(tái)時(shí)，可將基準(zhǔn)點(diǎn)設(shè)定為與外墻同一水平線(xiàn)的位置，見(jiàn)圖15基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′。

圖15 凹陽(yáng)臺(tái)與半凹半凸陽(yáng)臺(tái)日照計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)A′B′

表3 陽(yáng)臺(tái)日照基準(zhǔn)點(diǎn)模擬分析日照時(shí)數(shù)對(duì)比表

2 基準(zhǔn)點(diǎn)取值方法

2.1 常見(jiàn)基準(zhǔn)點(diǎn)取值方式

目前在日照分析過(guò)程中，常見(jiàn)基準(zhǔn)點(diǎn)的取值方式主要為：窗臺(tái)中點(diǎn)、窗臺(tái)角點(diǎn)以及窗臺(tái)多點(diǎn)。其中，當(dāng)太陽(yáng)光線(xiàn)直射到窗臺(tái)中點(diǎn)時(shí)即為滿(mǎn)窗日照，這樣的取值方式為窗臺(tái)中點(diǎn)取值；當(dāng)太陽(yáng)光同時(shí)照到窗臺(tái)兩個(gè)底角點(diǎn)為有效照射，即窗臺(tái)左右端同時(shí)照到為滿(mǎn)窗日照，這樣的方式為窗臺(tái)角點(diǎn)取值[4]；當(dāng)太陽(yáng)光同時(shí)照到窗臺(tái)上多個(gè)點(diǎn)才為有效照射，那么這樣的方式就是窗臺(tái)多點(diǎn)取值（圖16）。

圖16 三種不同基準(zhǔn)點(diǎn)取值方法

三種方式在一定程度上各有利弊，且取值條件的嚴(yán)格程度也各不相同。下面利用上文相同的模型數(shù)據(jù)，通過(guò)模擬計(jì)算，分析不同取值方法的特點(diǎn)。

2.2 不同基準(zhǔn)點(diǎn)取值方式對(duì)其日照的影響

基準(zhǔn)點(diǎn)的取值方式在一定程度上來(lái)說(shuō)就是窗戶(hù)日照分析過(guò)程中如何界定滿(mǎn)窗日照，取窗臺(tái)角點(diǎn)與窗臺(tái)中點(diǎn)的方法是簡(jiǎn)化為窗戶(hù)下沿水平線(xiàn)上左右兩個(gè)端點(diǎn)和中心點(diǎn)一個(gè)點(diǎn)去進(jìn)行計(jì)算的[5]。因此，為了解不同取值方式帶來(lái)的分析結(jié)果，采用相同的模型數(shù)據(jù)，利用模擬實(shí)驗(yàn)分別進(jìn)行計(jì)算，得出結(jié)果如表4所示。

表4 不同日照分析取值方式模擬結(jié)果對(duì)比表

根據(jù)模擬數(shù)據(jù)可以看出：①當(dāng)選擇窗臺(tái)中點(diǎn)作為滿(mǎn)窗日照時(shí)間時(shí)取值相對(duì)寬松，日照時(shí)間最長(zhǎng)，但計(jì)算結(jié)果并不嚴(yán)謹(jǐn)。②以窗臺(tái)角點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)的取值方式是利用窗臺(tái)左端日照時(shí)間和窗臺(tái)右端日照時(shí)間的交集，使其滿(mǎn)窗日照時(shí)間減少。③當(dāng)選擇窗臺(tái)多點(diǎn)的取值方式在一定程度上最為嚴(yán)格，但可以達(dá)到多點(diǎn)取值的時(shí)刻并不多，往往會(huì)與窗臺(tái)角點(diǎn)的取值方式相同，即窗臺(tái)左右端同時(shí)照到的時(shí)刻也是窗臺(tái)多點(diǎn)同時(shí)照到的時(shí)刻，從而使得兩種取值方式得出的日照時(shí)間相同。但在特殊情況下窗臺(tái)多點(diǎn)的取值方式更加合理，例如當(dāng)陽(yáng)光僅照到窗臺(tái)角點(diǎn)而未照到窗臺(tái)的其他區(qū)域也可以算作滿(mǎn)窗日照，在實(shí)際生活當(dāng)中這種方式并不能達(dá)到滿(mǎn)窗的要求，而窗臺(tái)多點(diǎn)取值就避免了這一現(xiàn)象的發(fā)生。

因此，我們?cè)谶M(jìn)行日照分析時(shí)，應(yīng)預(yù)先了解項(xiàng)目當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)部門(mén)對(duì)取值方式的規(guī)定，選取科學(xué)、合理的方式進(jìn)行日照分析計(jì)算，從而提高土地利用率，避免出現(xiàn)因取值方式問(wèn)題造成的日照糾紛。

結(jié)語(yǔ)

在建筑日照計(jì)算過(guò)程中，以不同基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算結(jié)果完全不同，從而使得基準(zhǔn)點(diǎn)的選擇至關(guān)重要。因此，在選擇日照計(jì)算基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，將理論與實(shí)際相結(jié)合，針對(duì)不同的窗戶(hù)或陽(yáng)臺(tái)采取不同的方式，筆者也利用模擬分析提出了優(yōu)化建議，從而使得日照分析工作更加科學(xué)合理。同時(shí)，基準(zhǔn)點(diǎn)的取值方法也同樣重要，甚至相同的窗戶(hù)因取值方式不同，日照計(jì)算的結(jié)果也會(huì)不同，這就需要我們進(jìn)行日照設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)選擇合適的取值方式，保證日照結(jié)果的科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)。

資料來(lái)源：

圖1～2：《建筑日照計(jì)算參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50947-2014）；

文中其余圖表均為作者自繪。