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基于日照环境优化的杭州市建筑布局模型
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更新于2023-03-16
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土地要素已经成为制约杭州市经济发展的主要因素。缩短建筑间距成为提高土地资源利用率的普遍方法。而随着生活水平的提高,市民对于建筑居住质量的要求也越来越高。为帮助杭州市城市规划部门及相关开发商在满足市民居住要求的前提下,尽可能提升土地资源利用率,需根据建筑不同朝向、高度、布局确定建筑间距。本文选取对居住环境有多方面影响的日照因素进行分析,以日照棒影模型、Hay 辐射计算、建筑外环境设计为理论基础,建立了完整的杭州市建筑布局模型。
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基于日照环境优化的杭州市建筑布局模型
摘要
土地要素已经成为制约杭州市经济发展的主要因素。缩短建筑间距成为提高土地资
源利用率的普遍方法。而随着生活水平的提高,市民对于建筑居住质量的要求也越来越
高。为帮助杭州市城市规划部门及相关开发商在满足市民居住要求的前提下,尽可能提
升土地资源利用率,需根据建筑不同朝向、高度、布局确定建筑间距。本文选取对居住
环境有多方面影响的日照因素进行分析,以日照棒影模型、Hay 辐射计算、建筑外环境
设计为理论基础,建立了完整的杭州市建筑布局模型。
针对问题一:为了建立住宅建筑平行布置且朝向为正南北向时,相邻住宅建筑最小
间距与住宅建筑高度关系,依据日照棒影原理,建立影子长度变化的数学模型,通过
matlab 绘制影长变化曲线,影子最短的时刻恰为北京时间 12:00,相对应的杭州本地时
间为 12:01:13,从而根据影长与住宅建筑的位置关系图,运用几何关系求得 2h 日照时数
对应的太阳方位角,联立公式即可求出相邻住宅建筑最小间距与住宅建筑高度关系。
针对问题二:目标是建立杭州新建住宅建筑平行布置且方位为非正南北向时,相邻
住宅建筑最小间距与住宅建筑高度关系。而仅利用问题一中的几何关系很难解决此问题,
因此,我们通过建立影长位置与建筑位置的函数关系,结合图像,就可以解决此问题。
针对问题三:本题主要解决当住宅建筑两幢住宅建筑非平行布置时,相邻住宅建筑
最小间距与住宅建筑高度关系。通过问题二建立的基本模型,根据杭州市的规定标准将
两幢建筑分为夹角小于等于 30°和大于 30°且小于等于 90°两种情况。以北面建筑水
平方向为基准,固定北面建筑,求当南面建筑变化时的最小间距和最小间距时两幢建筑
的夹角,得出间距最小时的最优设计。
针对问题五:综合前四问得到的住宅建筑间最小间距与高度、朝向间的关系,结合
住宅地块和住宅楼规格、绿化率、和道路规格,建立合理的流程,通过逐步满足需求的
思想,分步完成,直至达到最优解。
关键词:
日照棒影原理、
1 问题重述
1.1 背景
随着我国城镇化进程的不断发展,城市人口飞速增加。2017 年末,杭州市常住人口
达到 946.8 万人,城市用地紧张程度加剧。而增加建筑高度成为提高土地资源利用率的
普遍方式。高层建筑数量的增多对建筑布局提出了新的要求。建筑间距小不仅会影响通
风、景观效果与居住私密性,还会建筑影响日照时间。《杭州市城市建筑管理技术规定》
指出大寒日满窗日照有效时间不得小于两小时。长期日照时间不足的室内环境会对人体
健康造成威胁,怎样设计建筑布局才能在满足日照时间的同时提高土地资源利用效率,
已经是建筑设计规划中需要解决的重要问题。
1.2 相关信息
附件 1:杭州市建筑日照所需满足最低标准。
附件 2:杭州市典型气象年太阳辐射数据及相关气象数据。
附件 3:问题 5 中杭州某一新建住宅地块轮廓平面图。
附件 4:影响建筑日照时间的相关地理学概念。
1.3 需解决问题
问题 1:
问题 2:
问题 3:
问题 4:
问题 5:
2 模型假设与符号说明
2.1 模型假设
(1) 本文中所搜集到的数据真实可靠。
(2) 太阳光为平行光,拍摄地点所处位置的高低对影长无影响。
(3) 太阳影子运行过程中不受天气等外界因素影响。
(4) 假设忽略住宅建筑宽度对影子范围的影响。
(5) 假设杭州市内各地区的环境相同。
(6) 假设忽略窗口阳光水平入射死角。
(7) 假设点典型气象年大寒日总太阳辐射量最少。
2.2 符号说明
2.2.1 问题一、二、三
表 2.2.4.1 问题一、二、三符号说明表
符号
说明
建筑物墙面日均接收到的总太阳辐射量
水平面上日均接收到的太阳直射辐射量
水平面上日均接收到的大气散射辐射量
修正系数
修正系数
地面反射率
竖直墙面与水平面的夹角
太阳对地面的日落时角
地理纬度
太阳赤纬角
日序
竖直墙面的方位角
太阳对竖直墙面的日落时角
太阳对竖直墙面的日出时角
2.2.3 问题四
表 2.2.4.2 问题四符号说明表
符号
说明
建筑物墙面日均接收到的总太阳辐射量
水平面上日均接收到的太阳直射辐射量
水平面上日均接收到的大气散射辐射量
修正系数
修正系数
地面反射率
竖直墙面与水平面的夹角
太阳对地面的日落时角
地理纬度
太阳赤纬角
日期序号
竖直墙面的方位角
太阳对竖直墙面的日落时角
太阳对竖直墙面的日出时角
3 模型准备
3.1 数据准备
3.1.1 杭州真太阳时
:
由太阳时计算公式得:
当地太阳时 北京时间 当地经度 分钟 (式 3.1.1.1)
杭州的经度为东经 120°17′,计算杭州真太阳时:
°
分钟 ′
″(式 )
3.1.2 时角:
天球子午圈沿天赤道量至太阳所在时圈的角距离:
(
)( 度) (式 3.1.2.1)
其中
为太阳时(单位:小时)。
3.1.3 赤纬角:
太阳赤纬,即太阳直射纬度:
(度) (式 3.1.3.1)
其中
n
为日期序号。
根据附件 1 杭州市建筑气候区划为Ⅲ类,日照标准日为大寒日(1 月 20 日),日期
序号为 20,代入式 3.1.3.1 有杭州大寒日赤纬角:
(度) (式 3.1.3.1)
3.1.4 太阳高度角:
太阳相对于地平线的高度角:
(式 3.1.4.1)
其中为太阳高度角,为时角,为当时的太阳赤纬,为当地的纬度。杭州纬度为
30°23′。
3.1.5 太阳方位角 A:
太阳在方位上的角度,即从北方沿着地平线顺时针量度的角:
(式 3.1.5.1)
3.1.6 大寒日太阳辐射强度:
根据附件 2 数据,通过 Excel 绘制杭州市典型气象年 1 月 20 日大寒日太阳辐射强
度表:
表 3.1.6.1 大寒日太阳辐射强度表
日期
时刻
水平面总辐射强度
W/m
2
水平面散射辐射强度
W/m
2
水平面直射辐射强度
W/m
2
1 月 20 日
0
0.00
0.00
0.00
1 月 20 日
1
0.00
0.00
0.00
1 月 20 日
2
0.00
0.00
0.00
1 月 20 日
3
0.00
0.00
0.00
1 月 20 日
4
0.00
0.00
0.00
1 月 20 日
5
0.00
0.00
0.00
1 月 20 日
6
0.00
0.00
0.00
1 月 20 日
7
0.00
0.00
0.00
1 月 20 日
8
2.78
2.78
0.00
1 月 20 日
9
30.56
30.56
0.00
1 月 20 日
10
61.11
61.11
0.00
1 月 20 日
11
105.56
105.56
0.00
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