国内几个日照分析软件的计算误差对比研究.doc

国内几个日照分析软件的计算误差对比研究（中国建筑科学研究院 建筑工程软件研究所,北京 100013）【摘 要】本文针对国内日照分析软件实际应用中计算结果存在一定的误差，使用SUNLIGHT、天正和众智日照分析软件进行了较为深入的对比分析，初步得出了造成日照分析误差的几个重要来源，如太阳方位计算误差，计算精度造成的误差和日照分析结果后处理方面造成的误差。本文除深入对比剖析原因外还给出了相应的改进建议，对解决国内目前日照分析计算误差问题，更好的促进日照分析软件的良性发展和进一步推广应用具有一定的参考价值。【关键词】计算机应用；日照分析； 多点分析；平面等时线【中图分类号】TP391.72 【文献标识码】A1前言20世纪80年代，日照分析开始采用计算机辅助设计，最初主要采用计算机绘制阴影图和日照等时线，随着CAD技术的普及，国内设计部门较多地应用以Autodesk公司的AutoCAD软件作为支撑平台二次开发出的建筑日照软件。但是其具有很多局限性，首先受制于国外图形平台，应用开发存在众多限制，最终用户使用要涉及平台正版问题，AutoCAD二维图形平台对于三维建模、三维观察浏览和后期效果表现方面目前也不尽人意。目前国内主要的几家日照分析软件都通过了建设部验收和国家建筑工程质量监督检验中心试验检测，但在日照分析软件实际应用中发现使用不同日照分析软件的计算结果可能存在一定范围内的误差，如果用户使用的日照分析软件和规划审批部门使的软件不同，可能在审批校核中出现计算结果存在误差而无法通过审批的问题。PKPM SUNLIGHT是基于完全自主知识产权的三维图形平台PKPM3D的日照分析软件，是国家建筑工程质量监督检验中心指定使用的检测工作应用软件，主要用于建筑日照的检测测算、评估和鉴定工作。本文使用SUNLIGHT软件4.2版和天正日照分析软件7.5版、众智日照分析软件8.1版的分析计算结果进行了较为深入的对比分析，通过大量实例的比较计算，验证了目前国内几个主要的日照分析软件其计算结果可能会存在一定误差，其结果误差范围可能为15分钟，本文对误差原因从日照计算太阳方位计算、分析计算精度到结果计算后期处理方法等多个方面对计算产生误差的原因进行了分析研究，并得出了初步的分析结论。希望文中提出和讨论的软件计算误差问题能够引起国内相关部门和单位的足够重视，共同解决不同软件计算误差问题对国内日照分析软件良性发展和进一步应用起到推动作用，使得日照软件能够更好的为国内广大日照分析用户服务。2太阳位置计算误差分析本文首先从基本计算原理入手，使用完全一致的日照分析模型和计算参数进行分析计算，排除上述两个因素可能造成的误差干扰。日照分析计算中的基本原理是计算太阳的位置，根据日地相对运动，从地球上观测太阳在天空中的运行轨迹。太阳位置由高度角h和方位角A两个因素决定，然后进行遮挡分析计算，后者实质是线面相交问题。目前国内日照分析软件包含本文对比用软件太阳位置计算都采用建筑设计资料集第二版第9章中提供的太阳位置计算公式作为计算依据进行计算。2.1 建筑设计资料集推算公式真太阳时：太阳位置计算采用真太阳时。换算公式：真太阳时 = 北京时间+时差-(120-当地经度)/15（1）太阳方位角(直射阳光与水平投影和正南方位的夹角，正南为0，午前为负值)： cosA= (sinhsin-sin) / (coshcos) （2） -180A180或 0A360； -180t180或 0t360。太阳高度角(直射阳光与水平面夹角)： sinh = sinsin+coscoscost； -90h90（3）日出时间与日落时间： cost = -tgtg；（4）日出时角，正值为日落时角。时角：t = 15(n12)；（5）n为时间（24时制）。赤纬近似公式： 23.45(N-80.25)(1-N/9500)； （6）式中：N-从元旦到计算日的总天数；-纬度。日影长度计算公式： l = Hctgh；（7）式中：H为建筑物高度，h为太阳高度角，l为日影长度。使用建筑设计资料集提供的例题和表格，首先对SUNLIGHT日照分析软件的太阳方位计算结果进行验证，验证使用棒影图工具进行验证，棒影图其可以计算出某个时刻的方位角和高度角，如下图所示，计算时间为冬至日12月22日，北纬210。图 1 SUNLIGHT棒影图建筑设计资料集第一册（第二版）180页，例2求北京市夏至日午后2时（真太阳时）的太阳位置结果计算结果：北京夏至日午后2时（真太阳时）高度角5950，方位角6555。经验证，SUNLIGHT日照分析软件棒影图计算的方位角和高度角和手册计算结果是完全一致的。SUNLIGHT日照分析软件棒影图和建筑设计资料集第一册（第二版）195页表一的计算结果进行了对比，其计算结果是一致的。（注：某些结果存在1误差其原因是计算机计算精度高保留小数位数多造成的。）表格中的分析计算时间是冬至日12月22日。表格 1 建筑设计资料集太阳方位计算结果 时刻北纬1211/1310/149/158/167/17200h46334493737281617950A0192035234726561562492030h4634341371327551653446A01910351047145676247210h45334313364827351636432A019134574735606244表格 2 SUNLIGHT日照分析软件计算结果 时刻北纬1211/1310/149/158/167/17200h46334493737281617950A0192035234726561562492030h4634341371327551653446A01910351047145676247210h45334313364827351636432A0 119134574735606244注： h高度角 A方位角 表格第一行12， 11/13，10/14等数字代表计算时刻通过以上多个对比结果，不考虑计算机计算较高精度造成的精度误差，可以得出SUNLIGHT日照分析软件的太阳方位计算结果和建筑设计资料集公式计算结果是完全一致的。2.2 太阳方位高精度NREL算法SUNLIGHT软件实际应用中，有用户反映软件使用建筑设计资料集公式计算出的日出日落时间和实际日出日落时间有出入，本文研究对比后发现建筑设计资料集公式计算结果和精确值存在数分钟误差，这里对建筑设计资料集公式计算结果误差也进行了初步研究。目前国内包括建筑设计资料集公式太阳方位计算误差均大于 0.01度。为了方便对比研究，下面介绍一种新的太阳方位计算高精度算法Solar Position Algorithm (太阳方位算法)，该算法由美国国家可再生能源实验室 National Renewable Energy Laboratory (NREL)提出，可计算-2000到6000年之间的太阳方位角和高度角，误差不大于0.0003度，其计算方式更符合计算机计算的特点，能够更好满足某些应用领域对太阳方位计算精度要求很高的场合。实际校核后本文发现其计算结果如日出日落时间和国内权威天文台提供的日出日落时间最大误差不大于1分钟，其太阳方位计算结果和第三方如美国海军实验室等权威机构计算结果能够完全吻合。下文准备使用NREL的计算结果作为第三方参照，首先直观的通过对比日出日落时间简单验证NREL算法的准确性。本文对NREL算法计算的日出日落时间结果和表格中的北京升降旗时间，即北京日出日落时间准确时间进行了对比，计算纬度使用建筑设计资料集提供的北京地区纬度3957，计算结果对比误差不大于一分钟，验证了NREL算法的计算准确性。图 2 北京天安门升降旗时间来源：天安门地区管理委员会升降旗时间 网址：/flag/index.asp目前NREL算法在美国得到了很广泛的应用，大多数太阳方位应用计算均使用该算法，其算法的权威性和准确性已得到了广泛的验证。本文对比评估一下建筑设计资料集的计算误差。NREL算法说明提供的日出日落时间计算误差为30，所以表格中时间精度仅提供到分钟数。通过大量对比验证，建筑设计资料集的时间误差也控制保持在在一个稳定的时间范围内。表格 3 建筑设计资料集公式和NREL计算日出日落时间对比日期：12.22北纬日出日落时间建筑设计资料集NREL最大误差2006：38：2017：23：296：3117：267分钟20306：37：2017：22：296：3217：255分钟2106：38：2017：21：396：3317：245分钟Autodesk ECOTECT Analysis 2010是国外一款功能较为丰富的建筑性能分析和优化软件，其具有阴影遮蔽等分析功能，下图为ECOTECT的太阳数据计算结果截图。相同纬度和日期其日出日落计算结果和NREL计算结果的误差也较大。计算条件：北纬39.9日期1-15 其日出日落时间为：07：4017：07， NREL的计算结果为：7：2016：59图 3 ECOTECT计算太阳数据下文对SUNLIGHT、众智、建筑设计资料集和NREL的太阳位置计算结果，即高度角和方位角进行了对比，众智软件界面提供了太阳方位角和高度角计算结果显示功能，从表中看到，虽然同样使用建筑设计资料集公式进行计算，众智和SUNLIGHT的计算结果仍存在一定误差，而前文已说明SUNLIGHT计算结果与建筑设计资料集的计算结果是一致的。表格 4 太阳高度角计算结果对比高度角（单位度） h对比方时刻（真太阳时）众智SUNLIGHT资料集NREL09：00201920262026203910：00280128092809282011：00330933173317332612：00345835063506351313：00330933173317332114：00280128092809281115：002019202620262027计算条件北纬3442 东经11120 日期大寒日1-20表格 5 太阳方位角计算结果对比方位角（单位度） A对比方时刻（真太阳时）众智SUNLIGHT资料集NREL09：0045045054505445810：00320532093208315911：00165116541654164212：0000001413：0016511654165417814：00320532093208322415：00450450545054519计算条件北纬3442 东经11120 日期大寒日1-20建筑设计资料集太阳位置计算公式较为简单，适用于手工计算，但其计算结果和使用天文算法的NREL算法的结果还是存在一定的误差，在进行一些如太阳能利用方面对太阳位置计算结果精度要求较高的时候推荐使用这种较高精度的算法。2.3 棒影图对比因为天正日照分析软件界面不直接提供太阳位置计算结果和日出日落计算，所以使用棒影图工具对三个软件的分析结果进行了对比。日影棒图是用不同高度的虚拟直竿产生阴影，分别按指定测算时刻模拟日照，获得一系列的放射线，表示落影的长度和方向，称为“日影棒图”。通过观察对比某个时刻的阴影线可以直观的比较太阳位置计算结果是否相同。计算参数为大寒日1月20日，北纬3442，杆高为10米，分析时间间隔为60分钟，日照分析起止时刻为9：0015：00。图 4 棒影图叠加对比图4是三个软件的棒影图叠加比较结果，整体看基本一致，但是放大局部观察9：00和15：00两个时刻棒影的端头部分，如图5所示，还是可以看到计算结果中棒影方向和棒影长度的差异，由此可以说明三个软件虽然都使用建筑设计资料集公式进行计算，但相同计算条件下的太阳方位角和高度角结果是存在误差的。而前文已说明SUNLIGHT计算结果与建筑设计资料集的计算结果是一致的。 图 5 棒影图局部对比（左图9：00，右图15：00）2.4 窗分析结果对比完成太阳位置计算结果对比后，下面使用日照分析中常用的窗日照分析命令，比较几个软件的计算结果误差。首先在众智中完成建筑建模，然后在天正中使用模型转换功能将众智建筑物转换成天正建筑物，最后将天正建筑物导入到SUNLIGHT日照分析软件中，这样保证三个软件的建筑模型是完全一致的。分别使用众智中的布置窗口端点定位任意布置窗口，在天正和SUNLGIHT中使用两天插窗方式布置窗，保证三个模型中窗模型大小和方位是完全一致的。完成后的对比模型如图6所示。图 6 窗分析对比模型计算参数为：满窗分析，算日期大寒日1-20，纬度3442，时间统计方式为全部时段参与累计。窗日照分析分析结果如下：三个软件分析结果表格格式是不一样的，为了方便比较，表格使用统一格式。这里窗号C1-2表示1层窗位为2的窗。表格 6 SUNLIGHT窗分析结果SUNLIGHT窗日照时段总有效时间C1-112:1115:0002:49C1-209:0609:11 13:3515:0001:30C1-310:0111:01 14:1715:0001:43表格 7 天正窗分析结果天正日照窗日照时段总有效时间C1-112:1115:0002:50C1-209:0609:10 13:3515:0001:30C1-310:0110:54 10:5811:0114:1715:0001:40表格 8 众智窗分析结果众智日照窗日照时段总有效时间C1-112:1115:0002:49C1-209:0609:10 13:3515:0001:29C1-310:0111:00 14:1715:0001:42通过对比发现各软件窗日照分析结果也存在一定误差，通过多个实例的对比研究发现误差一般控制在5分钟内。由此基本可以判定，排除模分析型和计算参数误差干扰，日照分析计算误差一个主要来源是太阳位置计算存在误差，其结果不同会造成15分钟时间范围内的计算误差。3 计算精度误差分析除上述因素以外，日照计算结果的误差还和计算精度有很大关系，控制日照计算精度的主要有三个因素：“时间间隔”、“采样点间距”和“模型复杂度”。3.1 时间间隔 “时间间隔”（时间计算精度）就是日照分析时每次采样计算的时间差或时间步长，即计算时刻为t(t=S起始,S+,S+2,E终止) ，比如计算时间从9：00开始，时间间隔为10分钟，则采样时间为9：00，9：10，9：20 。时间间隔控制采样计算的次数，显然时间间隔越小计算的次数越多，计算精度越高，但是计算时间也相对会显著延长。比如时间步长由10分钟改为5分钟，则计算量要增加1倍，若改为1分钟，则计算量是10分钟间隔计算量的10倍。如图7所示，在分析窗（窗宽3米）前布置了两栋建筑物作为遮挡对象对窗进行窗日照时间计算。图 7 时间间隔对比模型图8和图9是窗日照光线截图，图8计算时间间隔为10分钟，图9计算时间间隔为1分钟，图中每一条射线代表对应于某个计算时刻的日照光线，红色代表被遮挡的光线，绿色表示没有被遮挡的光线。由于计算光线数量的原因，在绿色和红色光线交界处，时间统计时候不可避免会把非日照时间计为日照时间，日照时间计为非日照时间的误差，可以看到，使用较小的时间间隔，增加图中的光线数，可以明显减少这种时间统计误差，可以更加准确的计算出更接近于真实结果的日照时间。图 8 时间间隔10分钟窗日照光线局部图 9时间间隔1分钟窗日照光线局部表9是使用SUNLIGHT满窗方式使用不同时间间隔计算的窗日照时间对比,可以看到采用不同时间间隔对计算结果影响很大，时间间隔越大，则误差理论范围就越大，在某些情况下如果存在多个日照时段则多个误差累计结果可能是非常显著的。表格 9 不同时间间隔下计算结果对比时间间隔窗日照时间10分钟2小时0分钟1分钟1小时50分钟因此，本文建议用户使用时间间隔为1分钟进行计算，有效控制误差范围，使计算结果更能反映真实的日照情况。3.2采样点间距“采样点间距”（网格间距）是指：平面、立面分析区域上的分析采样点距离，距离越小，参与计算的采样点数量越多，采用插值法绘制出的等日照时线的精确度越高，和真实情况越接近，如图10所示。图 10 采样点间距从左到右： 0.5米、1米和5米，生成的1小时等照时线对比从图10中可以看到，采样点间距控制在1米时候基本可以较好的拟合日照真实情况。因此，本文建议用户使用不大于1米的采样点间距进行计算。3.3模型复杂度“模型复杂度”是指参与日照分析的三维建筑模型的面片多少。同一栋建筑既可以用只有几十个面的外轮廓拉伸体来表达，也可以用几千个面的精细模型表达。精细模型可以真实表现建筑细节，如阳台、挑檐、坡屋顶等。模型越精细，计算结果越准确，但计算时间也越长。表10比较了不同遮挡面数下多点分析的计算时间。除遮挡面数外，其它计算参数完全相同。注意SUNLIGHT计算时间还包含生成等照时线的时间，多点实际计算时间比表中的值要短。表格 10 不同模型复杂度对多点分析计算时间影响对比模型三角面数天正计算时间SUNLIGHT计算时间778843分18秒0分41秒7788426分10秒1分8秒计算参数：大寒日 9：0015：00 时间间隔30分钟 分析点数约155511当参与分析的建筑物较多，建筑物较复杂时，总面片数经常会达到几百万级别。在一些比较复杂的实际工程中，一些用户经常直接导入3DS模型进行多点分析，其三角面数往往达到数十万（如图11所示），目前国内大多数日照分析软件根本无法使用高精度算法进行分析。即使能够进行，其计算时间也相当可观往往需要数小时甚至数十小时时间。图 11 复杂的3DS分析模型，全部参与分析的三角面达到206058个减少时间计算间隔和采样点间距，增加模型复杂度会大大增加日照分析时间，甚至无法完成计算。究其原因，日照分析软件主要的计算量是计算每个分析采样点的日照时间。例如常用的多点分析要完成的单点计算数量为：日照计算光线数分析采样点数。计算光线数取决于日照分析起止时间和时间间隔，如计算条件为9：0015：00，时间间隔1分钟，则计算光线数为660=360次。分析采样点的数量取决于分析区域大小和采样点间距，较大计算区域采样点数可能达到数万个或者数十万个。计算单个采样点的日照时间最为耗时，其非优化算法时间复杂度随参与遮挡计算的面数线性增加的，其算法时间复杂度理论控制在级别，n为遮挡面数，比如计算面数增加2倍，计算时间就要增大2倍；计算面数增加10倍，计算时间就要增大10倍，当进行较大规模采样点数上万的多点分析时，因参与计算遮挡面数增加造成的单次采样点计算时间的增加会极大增加整体计算时间。因此，用户为节省计算时间，或是将建筑模型做得尽量简化减少计算遮挡面数量，或是对复杂模型采用加大时间间隔（减少光线数）和采样点间距（减少分析点数）的方法。2009年，SUNLIGHT4.0版由于采用了若干独创的分析法，例如采用了空间三维分区等多种优化算法，将最耗时的单个分析采样点的计算时间由按照计算遮挡面数线性增加控制在按照对数级别增加，即复杂度理论控制在级别，n为参与计算遮挡面数。从表11可以看到，当计算遮挡面数量较小时，二者计算时间差别不大；当遮挡数量达到1000后，二者计算时间区别已经很明显，对数级别计算时间只需要10，当遮挡数量达到10000后，对数级别计算时间仅需要14，当遮挡数量达到100000后，对数级别计算时间仅需要17。显然，遮挡面数越多越能较好的控制整体计算时间，其性能优势越为明显。应用新的加速算法和空间分区技术，SUNLIGHT4.0版真正突破了这一模型复杂度瓶颈，使大规模建筑的计算时间均能控制在几分钟内完成。表格 11 单点计算时间随遮挡面数量增长的程度单点计算时间复杂度遮挡面数量对比方型别表示法110100010000100000SUNLIGHT对数耗时13101417其它软件线性151000100001000005 各软件实例对比为了进行实际验证对比，下面建造了一个相对简化的小区模型，仅包含有11栋拉伸建筑体，三角面数量为2116个，来比较一下几个软件所需要使用的计算时间。计算选用同一台相同硬件配置的计算机完成，硬件参数是：Pentium（R）D CUP 3.40GHz 内存2GB。下面选用了日照三种常用的分析功能进行了对比计算：5.1 真实阴影范围多栋遮挡建筑在日照有效时间带时间内在地面上投射阴影的最大影响范围。表格 12 真实阴影计算时间对比（时间间隔1分钟）对比软件计算用时SUNLIGHT日照分析软件0 分钟1.040890秒众智日照分析软件55 分钟17.503993秒天正日照分析软件未提供该分析功能，仅提供单时刻阴影范围图 12 SUNLIGHT真实阴影范围图图 13 众智真实阴影范围图此外，对结果放大进行对比，SUNLIGHT内部由于采用创新的连续扫描算法其计算结果阴影轮廓边界是光滑连续的，这种结果和实际阴影是一致的，众智其阴影轮廓边界“锯齿”现象比较明显。图 14 阴影轮廓细节对比5.2 平面多点分析平面多点分析结果可以清楚地表示出分析区域的点日照情况，是日照指标的重要表示方法，是多数地区规划管理部门项目报审的必需内容。表格 13 多点分析计算时间对比对比软件计算用时SUNLIGHT日照分析软件0 分钟 18 秒众智日照分析软件37 分钟 23 秒天正日照分析软件9 分钟 37秒注：计算参数为北纬3442，分析起止时间 9：0015：00，时间间隔1分钟，采样点间距1米，分析高度0.9米图15 SUNLIHGT多点分析图 16 众智多点分析结果图 17 天正多点分析5.3 等日照时线在多点分析对比中，本文考虑到采样点位置不同，会对日照分析结果造成影响，所以每一个点的分析结果本文无法逐一对比，但是如平面等时线的绘制结果理论上应该是一致的，但是考虑到后期处理使用的内部等时线生成算法的不同，等时线的绘制结果也存在一定的误差，通过对比发现，有些软件生成等时线的绘制结果局部明显存在错误，其结论往往会误导用户。对比发现，在等时线生成上，因为采用不同算法，其结果不尽相同。天正使用默认的拟合法并使用了光滑处理，众智使用网格法等时线。图 18 SUNLIGHT等时线局部图 19天正等时线局部图 20 众智等时线局部对比SUNLIGHT和众智建筑本身自遮挡形成的等照时线，众智的多个等时线没有和建筑物边界相交，形成多个“断线”。 图 21 SUNLIGHT自遮挡等时线图 22 众智自遮挡等时线对比SUNLGIHT和天正建筑物转角处等照时线，天正等时线经过光滑处理后结果和实际情况相差较大。图 23 建筑物转角处等时线 （左-SUNLIGHT，右-天正）对比SUNLIGHT、天正和众智建筑物边界处的等照时线，天正在边界出现很多异常突变的情况，众智的等时线出现了很多的“断线”，和建筑物轮廓不相交。图 24 建筑轮廓边界处的等时线（从左到右依次为SUNLIGHT 天正 众智）表格 14 平面等时线计算时间对比对比软件计算用时SUNLIGHT日照分析软件0 分钟 27.997827秒众智日照分析软件44 分钟 24.204016秒天正日照分析软件9 分钟47秒 计算参数：大寒日1-20 分析起止时间 8：0016：00 分析高度0.9米时间间隔 1分钟总结日照分析软件计算结果与实测结果可能会存在误差，有些是客观因素造成的，比如设计图纸与实际建筑存在一定差异；或是其它环境因素的影响，如现有建筑物上的附着物和周围树木对观测的影响等，这些误差在一定范围内是无法避免和可以接受的。但是使用同一计算原理的同类日照分析软件计算结果造成的误差，本文认为通过软件自身计算方法的完善应该是能够消除和避免的。目前国内对日照条件的要求非常严格，如上海地区比日照规范时间少一分钟就要补偿一万元。国内计算软件应首先在最基本的太阳方位计算结果方面保持一致，或者统一采用精度更高的天文算法，解决各软件太阳方位计算存在误差问题。在计算精度方面，各日照软件应在核心算法方面不断改进和完善，解决由于计算