CN109165458B - 基于bim的地表建筑太阳辐射估算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，具体步骤包括：1）多尺度精细地表曲面模型构建与优化；2）基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达；3）基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估；4）太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建；5）基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估；6）基于BIM的建筑表皮响应设计策略。优点：1）提出基于高分遥感影像的数字地表模型分区、分尺度构建与优化方法；2）有效解决建成区已有建筑和规划建筑中的太阳辐射定量估算问题；3）科学指导城镇微观尺度生态环境要素的模拟与仿真；4）为城镇区域太阳辐射能的利用开发提供理论基础和技术支撑；5）拓展城镇微观尺度生态环境多学科交叉融合的理论基础和技术方法。
Description
技术领域
本发明是一种基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，属于环境监测与保护技术领域。
背景技术
在新型城镇化建设战略进程的推进下，城镇化与生态环境的时空耦合问题日益得到社会各界的重视和关注。城镇化和生态环境之间存在着极其复杂的相互作用、交互耦合和相互依赖关系。从城镇化对生态环境的胁迫作用层面出发，城镇人口集聚、城镇空间扩张、经济规模增加、社会经济急速上升等均对生态环境产生影响和压力，造成生态服务功能下降；同时，随着社会科技进步、产业结构调整、人口城镇化发展质量提升、价值观念转变、生活方式改善等第三地理本性的完善，将在一定程度上促进生态环境保护政策与措施的实施。从生态环境对城镇化的限制和约束作用层面出发，生态环境是城镇化发展的根基，其水资源、土地资源、气候资源、生物资源、能源资源、矿产资源等存在着有一定的承载能力，甚至个别资源的过度开发和利用具有不可逆性的特点，势必造成大气污染、水环境恶化、土壤质量退化、生态系统退化等环境问题。故生态环境通过反馈作用对后续城镇化发展产生限制和约束作用。
城镇是人类在改造和适应自然环境过程中所建立起的“自然-经济-社会”的复合生态系统。城镇扩张是城市格局在空间尺度上的蔓延，是人类社会经济活动最聚集、土地利用开发强度最高的空间地表区域，是城镇化过程中土地利用/覆被变化最为直观的表现形式。从宏观尺度上，城市空间不断的扩张与重构导致了诸多的生态环境问题，如生态绿地破坏、热岛效应、环境污染等，给城市规划与管理带来多重挑战。从微观尺度上，长期粗放式的土地利用造成城镇内部微环境发生了显著变化，如风、热、光、声和污染物等微环境日益恶化，严重影响了城镇人居环境的提升。因此，不同时空尺度下城镇环境质量保护与建设研究是实现城镇可持续发展的理论基础和技术保障，对于提升中国生态文明建设有着至关重要作用。
城镇环境是人类活动改变生态环境的重要体现，是城镇居民赖以生存的物质基础、城镇社会可持续发展的客观基础，是区域生态环境的重要组成部分。目前，城镇生态环境在不同的时空范围内呈现出一系列的问题，如水体污染、噪声污染、光污染、固体废弃物污染、土壤污染和基础设施缺乏等，所引起的社会问题层出不穷，在宏观尺度和微观尺度上“城市病”现象日益突出。同时，城镇建成区和大型建筑工程与设施微观环境所涉及的内容包含风环境、污染物环境、热环境、光环境、声环境等，上述这些不同的微观生态要素在区域宏观地理环境、地质环境和生态环境的基础上能够得到切实、有效的提升和改善，对于区域城镇规划、大型基础设施与工程建设、新城建设和旧城改造改建有着重要的意义。因此，从微观尺度上来定量地评估城镇生态环境要素及其生态环境效应是解决城镇化与生态环境协调发展、改善城镇适宜度和提升人居环境质量的有效途径和技术手段。
太阳辐射是地球生态系统物理过程和生物过程的能量源泉和基本动力，也是城市生态系统保护与重建所考虑的重要因素之一。在开展城镇化建设过程中，绿地景观格局与系统、建筑区规划布局、单体建筑设计和建筑表皮与细部构造等的局部设计均需要考虑与太阳辐射的相互作用，以提升对太阳辐射能的利用和开发强度。在旧城老建改造、大型基础设施与工程(如太阳能发电站、太阳能化工基地等)中也需考虑上述问题。同时，随着时间和空间的变化，太阳辐射对上述要素作用的持续时间和作用强度也会随之发生改变。另外，除考虑上述因素外，居民生理、心理和行为的健康需求也不能被忽视，这也是新时期新型城镇化建设“以人为本”理念的基本要求。因此，太阳辐射的定量模拟与估算是城镇规划与建设所需解决的重要问题之一。
随着空间信息技术的发展，建筑信息模型(Building Information Modeling，BIM)应运而生，尤其是在大数据、“互联网+”和分布式计算等技术的推动下，其应用也逐步从传统的建设项目设计、实施、运行和维护向城镇规划、环境评估、生态建筑和智慧城市等方面转变。建筑信息化技术朝着数字化、网络化、智能化的轨道发展，更加具备了学习提升和产生知识的能力，为城镇微尺度生态环境及其生态因子时空模型提供了强大的理论支撑和技术手段。上世纪90年代以来，“生态城市”、“绿色城市”的提出，微观尺度城镇生态环境规划与建设日益得到人们的认可，良好的城镇适宜度和居住环境舒适度已成为城镇居民的追求。为有效地解决城镇生态环境要素在微观尺度上的评估与模拟，BIM技术、生态学、地理学等学科日益融合，不同生态环境因素(如太阳辐射、降水量、等)的定量模拟与科学评估成为当前城镇生态信息模型研究的热点问题。
发明内容
本发明提出的是一种基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，其目的是开展建筑太阳辐射量的定量评估方法的研究，充分结合BIM模型、数字地表模型和太阳辐射估算模型，依托大比例数字高程模型数据，构建城镇建成区建筑空间信息模型和规划建设区建筑空间设计模型，继而根据建筑信息模型空间位置与空间特征，构建太阳辐射空间曲面模拟预测模型，结合数字地表分析方法(如坡度坡向分析、视域分析等)，实现地表建筑太阳辐射的定量估算，解决已有建筑改造和新建建筑规划中太阳辐射定量估算的问题，以有效地指导城镇微观尺度生态环境要素的模拟与仿真，为城镇区域太阳辐射能的利用与开发提供科学的理论基础和技术支撑。
本发明的技术解决方案：基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，包括如下步骤：
(1)多尺度精细地表曲面模型构建与优化；
(2)基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达；
(3)基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估；
(4)太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建；
(5)基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估；
(6)基于BIM的建筑表皮响应设计策略。
本发明的有益效果：
1)提出一种完整、科学、有效地基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，在空间信息技术的支持下，以城镇建成区改造建筑或规划区建筑为研究对象，以保障建筑采光和提高居民舒适度为目标，构建数字地表模型和建筑信息模型，完成建筑信息的精细表达与规划，进而结合太阳辐射估算模型和目标区域太阳辐射时空分布特征，构建太阳辐射空间曲面模型，开展地表建筑及其附属绿地景观太阳辐射的定量评估，最终针对太阳辐射的时空差异特征，提出建筑表皮设计的响应策略和措施。
2)进一步拓展了空间信息技术在地表建筑微观生态环境模拟与评估中的应用，丰富了地理学、生态学、大气学和建筑学等多学科在城镇微观生态环境研究中交叉融合的理论与方法。
附图说明
附图1是基于BIM的地表建筑太阳辐射估算的基本步骤与技术思路。
附图2是站心坐标系中建筑室内太阳直接辐射范围分析。
附图3是站心坐标系中室内的采光分析。
附图4是站心坐标系中太阳的运行轨迹。
图中101、102、103、104、105、106为步骤。
具体实施方式
基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，包括如下步骤：
(1)多尺度精细地表曲面模型构建与优化；
(2)基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达；
(3)基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估；
(4)太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建；
(5)基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估；
(6)基于BIM的建筑表皮响应设计策略。
所述步骤(1)多尺度精细地表曲面模型构建与优化：以建筑物空间分布的矢量界线为限制边界EOD，依据建筑特征点和重要拐点的高程信息与工作区数字高程模型数据，采用薄板样条算法对除建筑物以外的数字高程模型数据进行空间插值和数据优化，同时利用BIM模型构建建筑空间模型，对非建筑区数字地表模型和建筑区BIM模型进行分区、分块管理，实现多尺度精细地表曲面模型的构建与优化。
所述步骤(2)基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达：在Visual Studio平台基础上通过搭建ArcGIS Engine、BIM API运行环境，构建地理实体与BIM模型中图组、图元等建筑要素信息之间的数据关联，且采用Industry Foundation Classes标准格式，通过调用语义特征所对应的空间属性信息和BIM API控件，实现在特定地理框架下BIM模型的多尺度、多层次管理和空间分析。
所述步骤(3)基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估：针对独栋建筑和建筑群的顶部采光和侧面采光，计算目标建筑与周围建筑间的最大遮挡角度，计算目标建筑室内不同季节的采光空间范围，确定目标建筑内部太阳直射的最大覆盖空间范围，计算建筑物内部所获取的太阳辐射能量总和。
所述步骤(4)太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建：以地物目标为原点，以过该原点的法线和切线为坐标起算位置，构建站心坐标系，分析太阳在一年内的运行轨迹根据日地距离、太阳天顶角和方位角的时空变化规律，构建以站心坐标原点为中心的太阳辐射半球曲面模型，继而转换成IAG75椭球体上不同空间位置的太阳辐射空间曲面。
所述步骤(5)基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估：分别从太阳直接辐射和太阳散射辐射出发，结合太阳高度角和方位角，构建太阳直接辐射和太阳散射模辐射型，同时进一步修正模型中所使用的日地距离，从而提高地表空间范围上任何建筑物和建筑附属景观太阳辐射量估算的精度。
所述步骤(6)基于BIM的建筑表皮响应设计策略：从太阳辐射空间分布特征出发，开展基于BIM的建筑表皮响应设计策略，关注建筑内外能量循环与平衡、减少建筑表皮空间配置对环境的干扰、提高人类的舒适度、改善和优化生态环境结构与功能。
下面结合附图对本发明技术方案进一步说明
如图1所示，基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，包括如下步骤：
(1)多尺度精细地表曲面模型构建与优化(101)；
(2)基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达(102)；
(3)基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估(103)；
(4)太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建(104)；
(5)基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估(105)；
(6)基于BIM的建筑表皮响应设计策略(106)。
所述步骤(2)多尺度精细地表曲面模型构建与优化具体为：在构建城镇建成区或规划建设区的数字地表模型时，结合工作区高分遥感影像或无人机影像上不同地物的光谱特征、形状特征、纹理特征和空间位置特征信息，确定地理对象分割的异质度因子和最合适分割尺度，建立不同地物目标的判别规则，进而利用多尺度分割算法对遥感影像数据进行图像分割，提取城镇建设区建筑的空间分布信息，同时基于Douglas-Peucker算法提取建筑物特征点和重要拐点信息；以工作区大比例尺地形图、激光雷达Lidar探测数据或立体像对数据等为数据源，利用Delaunay三角网构建方法生成工作区数字高程模型；对大比例尺地形图数据、所生成的数字高程模型数据和遥感影像信息提取结果进行空间叠加分析，确定建筑物的边缘水平位置信息，进而综合利用上述多元地形数据，通过空间插值的方法计算建筑物特征点和重要拐点的高程信息；以建筑物空间分布的矢量界线为限制边界EOD(即数据输出的空间范围，the Extension of Output Data)，依据建筑特征点和重要拐点的高程信息与工作区数字高程模型数据，采用薄板样条算法对除建筑物以外的数字高程模型数据进行空间插值和数据优化，并最终实现工作区关于建筑物与非建筑物的数字地面模型的分块、分区管理；其中，基于均值漂移影像分割算法的建筑边缘信息提取方法可表示为：
式中：xs和xr分别代表了遥感影像的2维特征空间坐标和p个波段数，即影像上每个像素点对应着p+2空间向量，即：x＝(xs,xr)；hs和hr分别为空域和光谱域的带宽；C为归一化常数；g1(·)和g2(·)分别是坐标特征和光谱特征对应的核函数；
薄板样条空间插值算法可表示为：
式中：S(x,y)为(x,y)坐标位置处的曲面值；j为参与每个插值单元的采样点数量，取值范围为(1，N)；ai和λj均为线性系数；rj为到第j个点的距离；τ2为权重因子；K0为修正的Bessel函数；c＝0.577215，为常数；
数字高程模型的分区、分块管理方法可表示为：
f(xn,m,yn,m,zn,m)＝f非建筑区(xn,yn,zn)+f建筑区(xm,ym,zm)；
式中：f(xn,m,yn,m,zn,m)为工作区数字高程模型；f非建筑区(xn,yn,zn)为非建筑区的数字高程模型；f建筑区(xm,ym,zm)为建筑区的数字高程模型，x、y、z分别为地面点的空间位置。
所述的(2)基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达(102)：利用城镇已有建筑物或规划建筑的空间分布矢量界线，结合现有的建筑工程施工图、规划建筑工程设计图和三维测量数据(如立体像对、摄影测量影像、激光点云等)，通过对这些多元数据进行空间地理配准和坐标转换，使城镇建筑等相关信息处于统一的坐标框架，继而在步骤(1)中已有的数字地表模型基础上设计和构建城镇建筑信息模型及其附属景观模型，对城镇建筑三维形态和结构进行有效地空间规划、设计、重建和表达，优化、完善上述工作区数字地表模型。在构建城镇建筑信息模型时，BIM软件之间数据虽可实现共享，但未能与地理空间信息进行充分地结合，故基于特定地理空间信息框架下的建筑信息模型则能有效地解决上述问题，如利用BIM核心模型、SketchUp模型和地理信息系统进行联合构建。在具体实施过程，因GIS具有空间分析、地理框架、拓扑处理和地理空间数据管理等优势，故本发明在VisualStudio平台基础上通过搭建ArcGIS Engine、BIMAPI运行环境，调用GIS的空间数据库控件，定义GIS数据与BIM模型数据的语义特征，构建地理实体与BIM模型中图组、图元等建筑要素信息之间的数据关联，调用GIS的空间分析和拓扑分析模块可实现建筑实体的时空分析和不同建筑实体的拓扑重建，也可完成建筑周围附属景观的设计、规划与监测。同时，因BIM核心模型具有参数模块协同设计和丰富的构建库的特点，在调用建筑相关空间信息时，采用IFC(Industry Foundation Classes)标准格式，通过调用语义特征所对应的空间属性信息和BIMAPI控件，达到重构建建筑要素信息(如建筑物朝向、高度、层高、建筑结构、外墙、阳台、空调板和凸窗等)及其与地理数据互操作的目的，既可实现城镇建筑信息的多尺度、多层次管理，也可在数字地表模型和建筑信息模型的可视化过程中提高模型执行效率。上述所构建城镇建筑信息模型有效地来实现城镇地形数据、建筑附属景观的统一化管理，同时为该模型的后续使用(如景观设计、管廊设计、市政管理、微观生态环境模拟与评估等)奠定了空间数据基础。
所述的(3)基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估(103)：随着人居环境质量需求的提高，以及室内照明系统的光辐射范围可调性的限制，在开展建筑设计和生态建筑评价过程中，天然光的采集及高效利用已成为人们日益关注的焦点，尤其是天然光进入建筑内部的最大覆盖面积。作为天然光的主要辐射源——太阳，其对城镇建筑及其附属绿地景观的规划设计有着重要的影响。依据《建筑采光设计标准》(GB50033-2013)和《绿色建筑评价标准》(GB/T50378-2014)，目前建筑物采光的方式主要以侧面采光和顶部采光为主，而建筑附属绿地景观则主要靠获取太阳辐射进行光合作用来实现对建筑区域生态环境的美化和优化。对于建筑顶部和附属绿地景观而言，天然采光的有效性估算相对简单，主要依据地表信息模型通过视域分析来获取太阳辐射的有效时间和有效面积，进而计算室内采光面积比、持续时间和绿地景观生态服务功能价值。对于侧面采光方式而言，若目标建筑是独栋建筑，如附图2，本发明依据步骤(2)中所构建的数字地表信息模型，以目标建筑的底层侧窗中心为视点，利用通视性分析来估算所能获取太阳辐射的太阳高度角最小值或天顶角最大值，继而估算目标建筑室内不同季节的太阳辐射照射最大覆盖空间范围。若目标建筑处于建筑群中，以目标建筑底层侧窗为坐标起始位置，构建站心坐标系，如附图3，计算目标建筑与周围建筑间的最大遮挡角度，依据目标建筑的侧窗朝向、倾角、中心位置和窗户遮阳结构等，计算目标建筑室内不同季节的采光空间范围，分别测定春分日、夏至日、秋分日和冬至日的日落、日出和正午时刻太阳辐射直射时的太阳高度角及其光线在站心坐标系中的方位角，结合气象观测记录数据中的日照时间，确定太阳辐射直射经侧窗中心进入目标建筑内部的空间位置，最终确定目标建筑内部太阳直射的最大覆盖空间范围，计算建筑物内部所获取的太阳辐射能量总和。
所述的(4)太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建(104)：地球上地物目标所接受到的太阳辐射主要有直接辐射、散射辐射和反射辐射。受地球自转和公转的影响，不同地理位置上的地物目标所接受到太阳辐射存在着明显的差异，加上受地物目标所处的空间位置、大气环境、地形状况、日地距离等因素的影响，造成太阳辐射传输具有高度的复杂性，给太阳辐射能量评估的模拟和反演带来比较大的难度。太阳直接辐射作为地球地物目标获取辐射能量的主要源泉，在很大程度上影响着散射辐射和发射辐射的能量分布，故太阳直接辐射的模拟分析对于城镇建筑所获取的辐射能量评估尤为重要。从空间尺度上，太阳直接辐射受地物目标所处地理位置的影响，即地物目标的经度和纬度。为定量化地表达太阳辐射在不同时间和空间范围的变化状况，本发明根据1975年第16届IUGG大会推荐的国际椭球参数(该参数也非常接近中国目前的CGCS2000椭球参数)构建地球椭球体，将步骤(1)中所构建的数字地表模型叠加在该椭球体上，生成基于IAG75椭球体的数字地表模型，进而构建以目标地物中心为原点的站心坐标系，即实现站心坐标系与IAG75椭球体间的空间转换。在计算特定空间位置的太阳直接辐射时，站心坐标系的运用则可有效地实现站心点处太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建。因此，本发明以地物目标为原点，以过该原点的法线和切线为坐标起算位置，构建站心坐标系，并以站心坐标系为基准，分析太阳在一年内的运行轨迹，即分析冬至日和夏至日间太阳全年的时空变化特征。根据日地距离、太阳天顶角和方位角的时空变化规律，构建以站心坐标原点为中心的太阳辐射半球曲面模型，如附图4。利用空间分析方法对数字地表模型进行视域分析，计算出目标地物所处位置的太阳直射可视空间范围，从而对上述所构建的太阳辐射空间曲面模型进行优化，以获取站心坐标系下真实的太阳辐射空间曲面模型。在上述方法的支持下，本发明构建出IAG75椭球体上不同空间位置的太阳辐射空间曲面，从而为后续太阳辐射时空分布的模拟分析奠定坐标基础。
所述步骤(5)基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估具体为：在开展太阳辐射时空定量估算过程中，因反射辐射量相对较少，故直接太阳辐射(Idir)和散射辐射(Isca)是参与定量估算的重要组成部分；
结合步骤(4)中的天空可视空间范围，以站心坐标系为基准，本发明分别对直接太阳辐射和散射辐射进行了定量估算，并对其求和作为太阳辐射的总量(I＝Idir+Isca)；
首先，对于特定地物目标点，总直接太阳辐射应是在时间尺度上来自天空可视范围内来自各个方向的直接太阳辐射，其变化主要跟天顶角(θ)和坐标方位角(α)有关，即可表示为：
Idir＝∑Idir(θ,α)＝E0×τm(θ)×SunDur(θ,α)×SunGap(θ,α)×cos(AngIn(θ,α)；
式中，E0为太阳常数，即在日地平均距离处，单位时间内，垂直于太阳射线的单位面积上所接收到的全部太阳辐射能，其值为1.367×103W/m2；τ为太阳辐射的平均透过率；m(θ)为相对光学路径，取决于太阳高度角(θ)和地面高程(H)；SunDur(θ,α)是太阳辐射持续时间，可从气象观测站获取。SunGap(θ,α)是太阳空间辐射覆盖百分比；AngIn(θ,α)是太阳辐射空间覆盖中心与地心坐标轴Z轴的夹角；
其次，特定地物目标点所接收到的散射辐射主要包含环日散射、天空散射和建筑散射，可表示为：
Isca＝∑Isca(θ,α)＝R×Psca(θ,α)×SkyGap(θ,α)×W(θ,α)×cos(AngIn(θ,α)；
式中：R为特定区域正常辐射量，可利用地理纬度、太阳常数和光照时间获取，可以基于Angtrom-Prescott方程等计算；Psca(θ,α)为正常辐射量发生散射的百分比；SkyGap(θ,α)为相对于特定点的可视天空范围的百分比；W(θ,α)为相对于整个天空，特定天空范围内太阳辐射散射的百分比；
上述数据过程，实现了以站点坐标系为中心的太阳辐射量的估算，同时结合步骤(4)中所构建的基于IAG75椭球体的数字地表模型和地面建筑采光点的天空视域范围，反演出地表空间范围上任何建筑物和建筑附属景观的太阳辐射量；
同时，在上述过程中，所使用的太阳常数为平均日地距离处的太阳辐射能，未能考虑到太阳与地球间的距离将会随着季节变化而发生变化，故在本发明中，对上述太阳常数做了调整，表示如下：
式中，D为太阳与地球地面点的实际距离，跟运行时间有关，其计算可以利用地球绕太阳公转的天文几何模型计算；D为平均日地距离。
所述的(6)基于BIM的建筑表皮响应设计策略(106)：在开展建筑表皮设计过程中，建筑表皮的材料、建筑表皮的空间配置、人类的感觉感知和生态环境的响应均是要考虑的重要内容。太阳辐射作为地理环境和生态环境的能量来源，其建筑表皮响应设计尤为关键。在城镇建成区或规划区，太阳辐射是该特定空间的短波辐射源，起到能量获取的作用，而大气层和地球表面状况则是该特定空间的长波辐射源，起到维持能量损耗的作用。在能量循环或能量平衡方面，建筑表皮的响应设计无非是要采用合理的材料及其空间配置方式来实现能量的有效利用。在选用材料方面，在考虑材料的物理属性和化学属性响应辐射能量的同时，应结合室内外地理环境、气候环境和人类的感觉感知。在材料的空间配置方面，建筑表皮的空间组合风格和艺术特点等虽得到人们的广泛认可，但应从深层次出发，积极解决空间配置对其所处地理环境和生态环境的影响与扰动，如建筑表皮的配置会引起局地气候的变化、能量的运移等。另外，建筑表皮最终面向的对象是使用者和生态环境，要保证人类的舒适度、人居环境的适宜度和生态环境功能的协调性。人类的舒适度体现在人类对建筑表皮的感觉和感知，即建筑表皮所体现出来的艺术美感、生理心理的可接受度和满意度等，而人类在感觉、感知过程中，建筑表皮及其周围环境的电磁辐射则是重要的媒介和生理、心理的第一印象或反应。人居环境的适宜度和生态环境功能的协调性反映了城镇建筑环境及其周边生态环境的和谐和可持续发展，即在建筑设计与规划过程中，不但要考虑建筑本身的生态环境效应，同时也要考虑未来建成区整体生态环境结构和功能受损达到最小化，甚至得到改善和优化。因此，能量问题始终影响着建筑表皮设计的全过程。本发明围绕太阳辐射开展基于BIM的建筑表皮响应设计策略，提出从建筑表皮的材料、建筑表皮的空间配置、人类的感觉感知和生态环境的响应等发面出发，应关注建筑内外能量循环与平衡、减少建筑表皮空间配置对环境的干扰、提高人类的舒适度、改善和优化生态环境结构与功能。
Claims (3)
1.基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)多尺度精细地表曲面模型构建与优化；
在构建城镇建成区或规划建设区的数字地表模型时，结合工作区高分遥感影像上不同地物的光谱特征、形状特征、纹理特征和空间位置特征信息，确定地理对象分割的异质度因子和最合适分割尺度，建立不同地物目标的判别规则，进而利用多尺度分割算法对工作区遥感影像数据进行图像分割，提取城镇建设区建筑的空间分布信息，同时基于Douglas-Peucker算法提取建筑物特征点和重要拐点信息；以工作区大比例尺地形图、激光雷达Lidar探测数据或立体像对数据为数据源，利用Delaunay三角网构建方法生成工作区数字高程模型；对大比例尺地形图数据、所生成的工作区数字高程模型数据和工作区遥感影像信息的提取结果进行空间叠加分析，确定建筑物的边缘水平位置信息，进而综合利用多元地形数据，通过空间插值的方法计算建筑物特征点和重要拐点的高程信息；
以建筑物空间分布的矢量界线为限制边界EOD，依据建筑特征点和重要拐点的高程信息与工作区数字高程模型数据，采用薄板样条算法对除建筑物以外的数字高程模型数据进行空间插值和数据优化，同时利用BIM模型构建建筑空间模型，对非建筑区数字地表模型和建筑区BIM模型进行分区和分块管理，实现多尺度精细地表曲面模型的构建与优化；其中，薄板样条空间插值算法表示为：
式中：S(x,y)为(x,y)坐标位置处的曲面值；j为参与每个插值单元的采样点数量，取值范围为(1，N)；a1、a2、a3和λj均为线性系数；rj为到第j个点的距离；τ2为权重因子；K0为修正的Bessel函数；c＝0.577215为常数；
数字高程模型的分区、分块管理方法表示为：
f(xn,m,yn,m,zn,m)＝f非建筑区(xn,yn,zn)+f建筑区(xm,ym,zm)；
式中：f(xn,m,yn,m,zn,m)为工作区数字高程模型；f非建筑区(xn,yn,zn)为非建筑区的数字高程模型；f建筑区(xm,ym,zm)为建筑区的数字高程模型；
(2)基于BIM的城镇建筑信息空间规划与表达；
在Visual Studio平台基础上通过搭建ArcGIS Engine和BIM API运行环境，构建地理实体与BIM模型中图组和图元建筑要素信息之间的数据关联，且采用Industry FoundationClasses标准格式，通过调用语义特征所对应的空间属性信息和BIM API控件，实现在地理框架下BIM模型的多尺度、多层次管理和空间分析；
(3)基于BIM的城镇建筑基本天然采光评估；
针对独栋建筑和建筑群的顶部采光和侧面采光，计算目标建筑与周围建筑间的最大遮挡角度，计算目标建筑室内不同季节的采光空间范围，确定目标建筑内部太阳直射的最大覆盖空间范围，计算建筑物内部所获取的太阳辐射能量总和；
(4)太阳辐射空间曲面模拟预测模型的构建；
以地物目标为原点，以过该原点的法线和切线为坐标起算位置，构建站心坐标系，分析太阳在一年内的运行轨迹根据日地距离、太阳天顶角和方位角的时空变化规律，构建以站心坐标原点为中心的太阳辐射半球曲面模型，继而转换成IAG75椭球体上不同空间位置的太阳辐射空间曲面；
(5)基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估；
分别从太阳直接辐射和太阳散射辐射出发，结合天顶角和方位角，构建太阳直接辐射和太阳散射辐射模型，同时进一步修正太阳直接辐射和太阳散射辐射模型中所使用的日地距离，从而提高地表空间范围上任何建筑物和建筑附属景观太阳辐射量估算的精度；
(6)基于BIM的建筑表皮响应设计策略；
从太阳辐射空间分布特征出发，开展基于BIM的建筑表皮响应设计策略，关注建筑内外能量循环与平衡、减少建筑表皮空间配置对环境的干扰、提高人类的舒适度、改善和优化生态环境结构与功能。
2.根据权利要求1所述基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，其特征在于：所述步骤(5)基于BIM的太阳辐射时空分布定量评估具体为：在开展太阳辐射时空定量估算过程中，因反射辐射量相对较少，故直接太阳辐射Idir和散射辐射Isca是参与定量估算的重要组成部分；
天空可视空间范围，以站心坐标系为基准，分别对直接太阳辐射和散射辐射进行了定量估算，并对其求和作为太阳辐射的总量I＝Idir+Isca；
首先，对于地物目标点，直接太阳辐射应是在时间尺度上来自天空可视范围内来自各个方向的直接太阳辐射，其变化跟天顶角θ和坐标方位角α有关，表示为：
Idir＝∑Idir(θ,α)＝E0×τm(θ)×SunDur(θ,α)×SunGap(θ,α)×cos(AngIn(θ,α)；
式中，E0为太阳常数，即在日地平均距离处，单位时间内，垂直于太阳射线的单位面积上所接收到的全部太阳辐射能，其值为1.367×103W/m2；τ为太阳辐射的平均透过率；m(θ)为相对光学路径，SunDur(θ,α)是太阳辐射持续时间，从气象观测站获取；SunGap(θ,α)是太阳空间辐射覆盖百分比；AngIn(θ,α)是太阳辐射空间覆盖中心与地心坐标轴Z轴的夹角；其次，地物目标点所接收到的散射辐射包含环日散射、天空散射和建筑散射，表示为：
Isca＝∑Isca(θ,α)＝R×Psca(θ,α)×SkyGap(θ,α)×W(θ,α)×cos(AngIn(θ,α)；
式中：R为区域正常辐射量，利用地理纬度、太阳常数和光照时间获取，基于Angtrom-Prescott方程计算；Psca(θ,α)为正常辐射量发生散射的百分比；SkyGap(θ,α)为相对于目标点的天空可视范围的百分比；W(θ,α)为相对于整个天空，天空可视范围内太阳辐射散射的百分比；
上述数据过程，实现了以站点坐标系为中心的太阳辐射量的估算，同时结合IAG75椭球体上不同空间位置的天空可视范围，反演出地表空间范围上建筑物和建筑附属景观的太阳辐射量。
3.根据权利要求2所述基于BIM的地表建筑太阳辐射估算方法，其特征在于：所使用的太阳常数为平均日地距离处的太阳辐射能，未能考虑到太阳与地球间的距离将会随着季节变化而发生变化，对太阳常数做了调整，表示如下：
式中，D为太阳与地球地面点的实际距离，跟运行时间有关，其计算利用地球绕太阳公转的天文几何模型计算；
为平均日地距离。
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