CN111597733A - 一种计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法，包括：根据空间结构中的各个杆系构件建立计算模型、建立模型坐标系和光线坐标系；对计算模型中的各个元素进行坐标系变换；对空间结构中的任意两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影进行包围盒检测；确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系；对于任意两个存在遮挡关系的杆系构件，计算得到其中一个杆系构件在另一个杆系构件的表面上形成的日照阴影区间；计算得到任意一个杆系构件的太阳直射系数；根据各个杆系构件的太阳直射系数，计算得到各个杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量。应用本发明可以计算得到空间结构中的各种构件的太阳辐射量。

Description

一种计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法

技术领域

本申请涉及建筑结构技术领域，尤其涉及一种计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法。

背景技术

大跨空间结构通常用于大型公共建筑(例如，体育馆、展览馆等)，具有结构规模大、平面范围广等特点。同时，在漫长的施工阶段，大跨空间结构往往要承受复杂的环境作用，经历多样的边界条件变化。由于上述结构在施工过程一般处于露天环境，缺少围护结构的保护，因此，太阳辐射主导的日温度变化会在结构中产生瞬态不均匀的温度场，进而引起无法忽略的温度效应，从而对结构的合拢嵌补、提升卸载等关键阶段受力状态产生明显的影响。所以，近年来，随着大跨空间结构数量的增加与规模的扩大，对大跨空间结构的结构温度场的模拟与研究也变得越来越重要。

数值模拟是温度场研究的主要手段。通过在有限元软件中，根据诸多热边界条件的理论模型对结构的瞬态温度场进行模拟计算，可以得到结构模型在任意时刻的温度场分布情况。具体而言，在数值模拟中较常采用的热边界条件包括构件吸收的太阳辐射、日气温变化、构件与空气的对流换热、构件与环境间的热辐射交换等几个部分。其中，太阳辐射对结构的温度变化起到了至关重要的作用。目前，通过一些技术上的处理，结合有关太阳辐射的理论研究，已经可以在数值模拟过程中实现太阳辐射的计算，得到太阳照射下任意平面在某一时刻单位时间内接收的太阳辐射量。

但是，对于大跨空间结构中的圆截面杆系构件，由于其外表面并不是一个平面，无法直接采用现有的计算方法，因此还需要进一步的计算处理，以得出杆系构件外表面实际接收的太阳辐射量。

此外，大跨空间结构一般具有较为复杂的造型，构件数量众多，且构件在空间上一般分布在不同高度。受到太阳光的照射时，众多构件之间存在不断变化的遮挡关系，使各构件表面产生大量日照阴影，因此将影响构件实际接收的太阳辐射量，进而影响结构中的温度分布。相关的研究已经表明，是否考虑遮挡效应对构件温度的计算结果有较为明显的影响，不可忽略。因此，在温度场的精确模拟中，对日照遮挡效应进行计算是非常有必要的。

但是，目前的现有技术中已有的遮挡关系判断方法同样仅适用于平面：首先需要将平面细化为大量具有规则形状(例如，矩形或三角形)的小单元，之后通过一系列的空间位置与几何关系判断，对每个小单元是否被遮挡进行区分与确定。由于每个小单元只有被遮挡与不被遮挡这两个状态，因此需要将平面划分得非常细，才能得到较为理想的结果；但是，小单元的数量过多又会降低计算效率。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法，从而可以计算得到空间结构中的各种构件的太阳辐射量。

本发明的技术方案具体是这样实现的：

一种计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法，该方法包括：

根据空间结构中的各个杆系构件建立对应的计算模型；

根据计算模型建立模型坐标系，并根据太阳的入射角度建立光线坐标系；

对计算模型中的各个元素进行坐标系变换，得到各个元素在光线坐标系中的对应坐标；

对空间结构中的任意两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影进行包围盒检测；

根据包围盒检测的结果，以及任意两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系；

对于任意两个存在遮挡关系的杆系构件，计算得到其中一个杆系构件在另一个杆系构件的表面上形成的日照阴影区间；

对于任意一个杆系构件，根据该杆系构件的表面上的所有日照阴影区间计算得到该杆系构件的太阳直射系数；

根据各个杆系构件的太阳直射系数，计算得到各个杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量。

较佳的，所述根据空间结构中的各个杆系构件建立对应的计算模型包括：

获取空间结构中的各个杆系构件的几何参数；

根据几何参数将各个杆系构件分别转换为对应的线单元；

根据各个线单元建立计算模型。

较佳的，设定计算模型所在的模型坐标系OXYZ中的X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，Z轴指向垂直向上的方向；

设定光线坐标系oxyz的z轴指向太阳，x轴与z轴形成的xoz平面垂直于地面，且x轴正方向位于太阳在XOY平面的投影所在的一侧，y轴垂直于xoz平面，且y轴正方向位于X轴的正方向的一侧。

较佳的，坐标系变换的方式为：

先绕模型坐标系的Z轴转动XOY平面，转动角度为(270°-γ_s)；

然后再绕模型坐标系的Y轴转动ZOX平面，转动角度为(90°-α_s)；

其中，γ_s为太阳的方位角，α_s为太阳的高度角。

较佳的，通过如下的公式计算得到模型坐标系中的一个元素在光线坐标系中的对应坐标：

其中，元素在模型坐标系中的坐标为(X,Y,Z)，元素在光线坐标系中的对应坐标为(x,y,z)，α_s为太阳的高度角，γ_s为太阳的方位角。

较佳的，所述对空间结构中的任意两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影进行包围盒检测包括：

根据两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影，分别确定与两个杆系构件对应的包围盒；

根据两个杆系构件对应的包围盒所在的区域，确定两个包围盒之间是否有重叠区域。

较佳的，所述根据包围盒检测的结果，以及任意两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系包括：

当两个杆系构件对应的包围盒之间没有重叠区域时，则所述两个杆系构件之间不存在遮挡关系；

当两个杆系构件对应的包围盒之间有重叠区域时，根据两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，判断两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影是否有重叠的部分；

当两个平面投影没有重叠的部分时，则两个杆系构件之间不存在遮挡关系；当两个平面投影有重叠的部分时，则根据两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定两个杆系构件之间的遮挡关系。

较佳的，通过如下的公式计算得到一个杆系构件在另一个杆系构件的表面上形成的日照阴影区间：

其中，

其中，[d₁,d₂]表示位于上层的杆系构件b在位于下层的杆系构件a的表面上形成的日照阴影区间，d₁表示日照阴影区间的一端与杆系构件a的相对位置，d₂表示日照阴影区间的另一端的相对位置，t_a表示杆系构件b、a的轴线在杆系构件a的表面上的平面投影的交点与杆系构件a的一端的相对位置，k_ba表示杆系构件b在杆系构件a的表面上形成的相对阴影长度，d_b表示杆系构件b的截面直径，l_a表示杆系构件a的长度，ψ表示杆系构件b与杆系构件a的平面投影的轴线的夹角。

较佳的，所述对于任意一个杆系构件，根据该杆系构件的表面上的所有日照阴影区间计算得到该杆系构件的太阳直射系数包括：

根据杆系构件表面上的所有日照阴影区间的位置以及相应的阴影长度，对所有日照阴影区间取并集；

根据各个日照阴影区间的位置关系，从所述并集中得到与各个发生遮挡的杆系构件对应的多个不重叠的有效区间，并得到各个有效区间的区间长度；

根据各个有效区间的区间长度，计算得到该杆系构件的太阳直射系数。

较佳的，计算得到杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量包括：

将杆系构件的外表面划分成无数条带，使用如下的公式计算得到杆系构件的表面的条带微元面积dA以及条带微元对地面的倾斜角度β’：

cosβ'＝cosλcosβ；

其中，dA为条带微元的面积，l为杆系构件的长度，dλ为条带微元对应的圆心角，β’为条带微元对地面的倾斜角度，β为杆系构件的轴线对地面的倾斜角度；

使用如下的公式计算得到杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量的各个辐射分量：

直射辐射G_b引起的辐射分量I_b通过如下的公式计算得到：

其中，G_d为散射辐射，G_r为地面反射辐射，G_b为直射辐射，I_d为G_d引起的辐射分量，I_r为G_r引起的辐射分量，I_b为G_b引起的辐射分量，β’为条带微元对地面的倾斜角度，dA为条带微元的面积，l为杆系构件的长度，d为杆系构件的截面直径，ρ_r为太阳辐射的地面反射率，r_s为杆系构件的太阳直射系数，l’为杆系构件在光线坐标系中的投影长度，α_s为太阳的高度角；

其中，使用如下的公式计算得到l’：

其中，γ_s为太阳的方位角，γ为杆系构件的轴线所在直线的方位角，β为杆系构件的轴线对地面的倾斜角度；

最后，使用如下的公式计算得到杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量：

I＝α(I_b+I_d+I_r)；

其中，I为杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量，α为杆系构件的表面对太阳辐射的总吸收率。

如上可见，在本发明中的计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法中，由于先根据空间结构中的各个杆系构件建立对应的计算模型以及模型坐标系，并根据太阳的入射角度建立光线坐标系，再对计算模型中的各个元素进行坐标系变换，得到各个元素在光线坐标系中的对应坐标，随后通过包围盒检测以及杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系；对于任意两个存在遮挡关系的杆系构件，计算得到相应的日照阴影区间，并计算得到各个杆系构件的太阳直射系数，再根据各个杆系构件的太阳直射系数，计算得到各个杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量，从而可以得到空间结构中的各种构件的太阳辐射量。

附图说明

图1为本发明实施例中的计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法的流程图。

图2为本发明实施例中的模型坐标系变换到光线坐标系的原理示意图。

图3为本发明实施例中的两个杆系构件对应的包围盒之间无重叠区域的示意图。

图4为本发明实施例中的两个杆系构件对应的包围盒之间有重叠区域的示意图一。

图5为本发明实施例中的两个杆系构件对应的包围盒之间有重叠区域的示意图二。

图6为本发明实施例中的确定两个杆系构件之间的遮挡关系的示意图。

图7为本发明实施例中的计算日照阴影区间的示意图。

图8为本发明实施例中的杆系构件表面积分的原理示意图。

具体实施方式

为使本发明的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明实施例中的计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法的流程图。如图1所示，本发明实施例中的计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法包括如下所述步骤：

步骤10，根据空间结构中的各个杆系构件建立对应的计算模型。

在本发明的技术方案中，首先需要对空间结构的具体结构进行分析，然后再根据该空间结构中的各个杆系构件建立对应的计算模型。

另外，在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的步骤10。以下将以其中的一种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过如下的步骤来实现上述的步骤10：

步骤101，获取空间结构中的各个杆系构件的几何参数。

在本步骤中，可以先获取空间结构中的各个杆系构件的各个几何参数。例如，所述几何参数可以包括：杆系构件的尺寸和位置信息。

步骤102，根据几何参数将各个杆系构件分别转换为对应的线单元。

在本发明的技术方案中，在获取了空间结构中的各个杆系构件的几何参数之后，即可根据所获取的几何参数将各个杆系构件分别转换为对应的易于计算处理的线单元。

另外，在本发明的技术方案中，可以根据相应的温度分析或结构分析的具体需求来确定每个杆系构件所对应的线单元的数量。

例如，作为一个优选的具体实施例，如果没有特殊要求，则每个杆系构件仅转换为一个线单元，以提高计算效率。

当然，如果有相应的温度分析或结构分析的具体需求，也可以将一个杆系构件转换为多个线单元。

另外，在本发明的技术方案中，在将杆系构件转换为线单元时，可以对各个转化得到的线单元以及各个节点进行编号，为每一个线单元和节点设置一个唯一的编号，用于对各个线单元和节点进行区分和索引。在进行编号时，可以根据预先设置的编号顺序进行编号，也可以使用其它的合适的方式对各个线单元进行编号。

步骤103，根据各个线单元建立计算模型。

在本发明的技术方案中，在获取了空间结构中的各个杆系构件的几何参数之后，即可根据所获取的各个杆系构件的几何参数来建立一个计算模型。

通过上述的步骤101～103，即可根据空间结构中的各个杆系构件建立对应的计算模型。

另外，在本发明的技术方案中，在建立计算模型之后，还可以进一步存储各个线单元和节点的相关参数。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述相关参数可以包括：线单元参数、节点参数和环境参数；

其中，线单元参数可以包括：线单元的单元号、线单元两端的节点号、线单元的长度、线单元的截面直径等参数；

节点参数可以包括：节点的节点号、节点在计算模型中的坐标值等参数；

环境参数可以包括：计算状态对应的时间点、实际结构所在的地理方位、海拔高度、必要的气象条件等参数。上述环境参数可以用于确定太阳的相对方位与水平面接收的太阳辐射强度。

步骤20，根据计算模型建立模型坐标系，并根据太阳的入射角度建立光线坐标系。

本发明的技术方案中，在建立了计算模型之后，即可根据该计算模型建立模型坐标系，并根据太阳的入射角度建立光线坐标系。

具体来说，计算模型的模型坐标系可以根据实际的空间结构所处的具体实际方位来建立。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以设定计算模型所在的模型坐标系OXYZ中的X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，Z轴指向垂直向上的方向，如图2所示。

另外，在本发明的技术方案中，可以根据太阳的当前入射角度来建立光线坐标系。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以设定光线坐标系oxyz的z轴指向太阳(即太阳的光线沿着z轴的负方向入射)，x轴与z轴形成的xoz平面垂直于地面，且x轴正方向位于太阳在XOY平面的投影所在的一侧，y轴垂直于xoz平面，且y轴正方向位于X轴的正方向的一侧，如图2所示。因此，在光线坐标系中，可以在xoy平面内判断各个杆系构件的水平位置关系，在z轴上判断各个杆系构件的相对高度。

步骤30，对计算模型中的各个元素进行坐标系变换，得到各个元素在光线坐标系中的对应坐标。

在本步骤中，将对计算模型中的各个元素进行坐标系变换，即将各个元素从模型坐标系变换到光线坐标系中，从而可以根据各个元素在模型坐标系中的坐标，得到各个元素在光线坐标系中的对应坐标。

由于光线坐标系oxyz的z轴指向太阳，因此，通过上述的坐标系变换得到各个元素在光线坐标系中的对应坐标之后，就可以将三维空间问题解耦，降为二维的问题，从而便于在后续过程中计算得到各个杆系构件的遮挡关系。

在一年中的任意时刻，太阳光线相对于水平地面的入射方向都不相同。根据已有的与天文地理相关的理论，可以通过一系列的计算得到一年中任意时刻的太阳相对某一地点的方位，该方位可以用太阳的高度角与方位角进行描述。其中，太阳的高度角α_s为太阳光线与水平面的夹角，以地面垂直向上的方向为正，取值范围为-90°～90°；太阳的方位角γ_s为太阳光线在水平面的投影与正南方向的夹角，取值范围为-180°～180°，以向西的方向为正。

因此，可以根据模型坐标系与光线坐标系的相对位置关系，确定相应的坐标系变换方式。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，坐标系变换的方式可以是：先绕模型坐标系的Z轴转动XOY平面，转动角度为(270°-γ_s)；然后再绕模型坐标系的Y轴转动ZOX平面，转动角度为(90°-α_s)。

因此，可选地，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过如下的公式计算得到模型坐标系中的一个元素在光线坐标系中的对应坐标：

其中，元素在模型坐标系中的坐标为(X,Y,Z)，元素在光线坐标系中的对应坐标为(x,y,z)，α_s为太阳的高度角，γ_s为太阳的方位角。

步骤40，对空间结构中的任意两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影进行包围盒检测。

在进行坐标系变换并得到各个元素在光线坐标系中的对应坐标之后，即可得到空间结构中的各个杆系构件在光线坐标系中的平面投影(即在光线坐标系的xoy平面上的投影)，进而可以对各个杆系构件的平面投影进行包围盒检测，以初步判断各个杆系构件之间的遮挡关系。

对于计算模型中的所有杆系构件，任意两个杆系构件之间都有可能发生相互遮挡或直接相连的现象。因此，为了降低后续的计算成本，可以先根据各个杆系构件在光线坐标系的xoy平面上的平面投影进行初步的位置判断，以初步判断任意两个杆系构件之间的遮挡关系，即初步判断每两个杆系构件之间是否肯定会发生相互遮挡或直接相连的情况。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，所述包围盒检测可以具体包括：

步骤401，根据两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影，分别确定与两个杆系构件对应的包围盒。

在本发明的技术方案中，可以根据杆系构件在光线坐标系中的平面投影，确定该杆系构件的包围盒。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以将杆系构件在光线坐标系中的平面投影作为对角线，然后根据该对角线确定相应的矩形，并将该矩形作为该杆系构件对应的包围盒。

由于在步骤30中，可以得到杆系构件在光线坐标系中的对应坐标，因此可以获知该杆系构件在光线坐标系中的平面投影的两端在光线坐标系中的x、y坐标值，将该平面投影作为对角线，即可得到该平面投影所对应的最小的矩形，从而可以将该矩形作为该杆系构件对应的包围盒。

例如，如图3、图4、图5所示，一个杆系构件在光线坐标系中的平面投影为a₁’a₂’，一个杆系构件在光线坐标系中的平面投影为b₁’b₂’，这两个杆系构件对应的包围盒分别为图中的两个虚线框。

步骤402，根据两个杆系构件对应的包围盒所在的区域，确定两个包围盒之间是否有重叠区域。

在分别得到两个杆系构件对应的包围盒之后，即可根据该两个包围盒所在的区域，确定两个包围盒之间是否有重叠区域，从而可以初步判断这两个杆系构件之间的遮挡关系。

例如，如图3所示，两个杆系构件对应的包围盒之间没有重叠区域，因此该两个杆系构件之间肯定不会发生相互遮挡或直接相连的情况。

再例如，如图4和图5所示，两个杆系构件对应的包围盒之间有重叠区域，因此可以初步判断该两个杆系构件之间有可能会发生相互遮挡或直接相连的情况，从而还需要进行后续的判断，才能真正确定两个杆系构件之间的遮挡关系。

因此，通过使用上述步骤401～402中的方法，即可对空间结构中的任意两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影进行包围盒检测，以初步判断任意两个杆系构件之间的遮挡关系，即初步判断两个杆系构件之间是否肯定会发生相互遮挡或直接相连的情况。

所以，在本发明的技术方案中，可以对所有杆系构件中的每一对杆系构件都使用上述步骤401～402中的方法进行包围盒检测，从而可以初步判断所有杆系构件之间的遮挡关系。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以依次对每一杆系构件与所有其他杆系构件进行如上所述的包围盒检测，即：从杆系构件1开始，将杆系构件1分别与杆系构件2、杆系构件3、……、杆系构件n进行包围盒检测(假设一共有n个杆系构件)；然后，从杆系构件2开始，将杆系构件2分别与杆系构件3、杆系构件4、……、杆系构件n进行包围盒检测；……，依次类推，直至任意两个杆系构件之间都进行了包围盒检测。

通过上述的包围盒检测，可以排除明显没有遮挡关系的杆系构件对，从而可以有效地减小后续步骤的运算次数，降低运算量。

步骤50，根据包围盒检测的结果，以及任意两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系。

在本发明的技术方案中，在获得包围盒检测的结果之后，即可根据该包围盒检测的结果，以及任意两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系，从而得到所有杆系构件之间的遮挡关系。

在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的步骤50。以下将以其中的一种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过如下的步骤来确定两个杆系构件之间的遮挡关系：

步骤501，当两个杆系构件对应的包围盒之间没有重叠区域时，则所述两个杆系构件之间不存在遮挡关系。

如果两个杆系构件对应的包围盒之间没有重叠区域，则表示这两个杆系构件之间肯定不存在相互遮挡的问题，因此不存在遮挡关系。

步骤502，当两个杆系构件对应的包围盒之间有重叠区域时，根据两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，判断两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影是否有重叠的部分。

如果两个杆系构件对应的包围盒之间有重叠区域，则表示这两个杆系构件之间有可能存在相互遮挡的问题，因此需要进行进一步的判断。

因此，此时可以根据两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，得到两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影，并判断两个平面投影是否有重叠的部分。

步骤503，当两个平面投影没有重叠的部分时，则两个杆系构件之间不存在遮挡关系；当两个平面投影有重叠的部分时，则根据两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定两个杆系构件之间的遮挡关系。

在本步骤中，首先可以根据两个杆系构件在光线坐标系中的xoy平面内的投影坐标(即平面投影)，对两个杆系构件的相对位置进行判断。

具体来说，两个杆系构件的平面投影的几何位置关系可能有：平行、重合、相交、分离等多种情况，需要进行区分。

对于两个平面投影平行或分离这两种情况，两个平面投影并不会相交，因此所对应的两个杆系构件之间应该不存在遮挡关系。而如果两个平面投影出现重合或相交的情况，则表示两个杆系构件之间发生了相互遮挡的现象，或者直接相连；因此，需要根据两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定两个杆系构件之间是否确实存在遮挡关系。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，当两个平面投影有重叠的部分时，可以根据两个杆系构件在光线坐标系中的z坐标来确定两个杆系构件之间是否确实存在遮挡关系。

举例来说，可以根据两个杆系构件在光线坐标系中的投影重叠区域对应的z坐标的大小，判断两个杆系构件的高度，从而确定两个杆系构件之间的具体的遮挡关系。

例如：如果两个杆系构件在投影重叠区域处具有相同的z坐标，则说明两者相连，两个杆系构件之间不存在遮挡关系；而如果两个杆系构件在投影重叠区域处z坐标不相同，则两个杆系构件之间存在遮挡关系，具有更大z坐标的杆系构件将在具有更小z坐标的杆系构件的表面造成遮挡，形成日照阴影。

通过使用上述步骤501～503中的方法，即可确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系。因此，在本发明的技术方案中，可以对所有杆系构件中的每一对杆系构件都使用上述步骤501～503中的方法，从而可以得到所有杆系构件之间的遮挡关系。

步骤60，对于任意两个存在遮挡关系的杆系构件，计算得到其中一个杆系构件在另一个杆系构件的表面上形成的日照阴影区间。

在本发明的技术方案中，在得到任意两个杆系构件之间的遮挡关系之后，即可对每两个存在遮挡关系的杆系构件，都计算得到相应的日照阴影区间(即遮挡区间)，从而可以得到每一个杆系构件的表面上的日照阴影区间。

例如，假设已知杆系构件b与杆系构件a之间存在遮挡关系，且杆系构件b对杆系构件a的表面造成了遮挡，形成日照阴影，则可以在本步骤中计算得到杆系构件b在杆系构件a的表面上形成的日照阴影区间。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过如下的公式计算得到一个杆系构件在另一个杆系构件的表面上形成的日照阴影区间：

其中，

其中，[d₁,d₂]表示位于上层的杆系构件b在位于下层的杆系构件a的表面上形成的日照阴影区间，d₁表示日照阴影区间的一端与杆系构件a的相对位置(即该日照阴影区间的一端与杆系构件a的相邻端之间的相对距离，例如，图6、7中所示的日照阴影区间的左端与杆系构件a的左端a₁之间的相对距离)，d₂表示日照阴影区间的另一端的相对位置(例如，图6、7中中所示的日照阴影区间的右端端与杆系构件a的右端a₂之间的相对距离)，t_a表示杆系构件b、a的轴线在杆系构件a的表面上的平面投影的交点与杆系构件a的一端的相对位置(例如，图6、7中所示的杆系构件b与杆系构件a的轴线的平面投影的交点与杆系构件a的左端a₁之间的相对距离)，k_ba表示杆系构件b在杆系构件a的表面上形成的相对阴影长度(即杆系构件b在杆系构件a的表面上形成的阴影的长度与杆系构件a的长度l_a的比值)，d_b表示杆系构件b的截面直径，l_a表示杆系构件a的长度，ψ表示杆系构件b与杆系构件a的平面投影的轴线的夹角，如图6和图7所示。

一般情况下，可以先根据公式(3)计算得到杆系构件b在杆系构件a的表面上形成的相对阴影长度k_ba，然后再将k_ba代入到公式(2)中，计算得到杆系构件b在杆系构件a的表面上形成的日照阴影区间。该日照阴影区间即为遮挡区间，其中心为两个杆系构件的平面投影的轴线的交点。

另外，在本发明的技术方案中，为了便于进行后续的处理流程(例如，进行区间合并)，在上述公式中已经将上述的相对阴影长度和日照阴影区间根据位于下层的杆系构件(例如，杆系构件a)的长度进行归一化处理。例如，上述的相对阴影长度k_ba实际上是一个比值，即杆系构件b在杆系构件a的表面上形成的实际的阴影长度与杆系构件a的长度l_a的比值；同理，t_a实际上也是一个比值，即平面投影的交点与杆系构件a的左端a₁之间的实际距离与杆系构件a的长度l_a的比值；因此，计算得到的日照阴影区间的上、下限d₁和d₂也是比值。所以，上述的相对位置、相对阴影长度和日照阴影区间的取值范围为[0,1]。

步骤70，对于任意一个杆系构件，根据该杆系构件的表面上的所有日照阴影区间计算得到该杆系构件的太阳直射系数。

在本发明的技术方案中，当通过上述的步骤60得到每一个杆系构件的表面上的日照阴影区间之后，对于任意一个杆系构件，其在同一时刻可能会被多个杆系构件遮挡，且各个发生遮挡的杆系构件所产生的阴影很可能有所重叠，所以如果仅将所有阴影长度相加是错误的。

因此，在本发明的技术方案中，提出了太阳直射系数的概念，并可以根据任意一个杆系构件的表面上的所有日照阴影区间计算得到该杆系构件的太阳直射系数。

在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的步骤70。以下将以其中的一种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过如下的步骤来计算得到一个杆系构件的太阳直射系数：

步骤701，根据杆系构件表面上的所有日照阴影区间的位置以及相应的阴影长度，对所有日照阴影区间取并集。

对于一个杆系构件，在已知该杆系构件表面上的所有日照阴影区间的位置以及相应的阴影长度之后，可以对所有日照阴影区间进行合并，从而可以得到一个所有日照阴影区间的并集。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，由于之前在上一个较佳的具体实施例中已经将实际的阴影长度和日照阴影区间根据位于下层的杆系构件(即当前被遮挡的杆系构件)的长度进行了归一化处理，使得上述的相对阴影长度和日照阴影区间的取值范围为[0,1]，因此在本步骤中，可以在0～1的相对单元长度范围内对所有日照阴影区间取并集。例如，在进行归一化处理之后，每个日照阴影区间都可以用[0,1]范围内的一个区间表示(例如，[0.1,0.2]，[0.4,0.45]，[0.3,0.5]等)，因此，在对所有日照阴影区间取并集之后，最终得到的并集也一定在[0,1]范围内。

步骤702，根据各个日照阴影区间的位置关系，从所述并集中得到与各个发生遮挡的杆系构件对应的多个不重叠的有效区间，并得到各个有效区间的区间长度。

由于各个日照阴影区间之间有可能会彼此重叠，也有可能不会重叠，因此，在对所有日照阴影区间取并集之后，所得到的并集有可能是由多个彼此之间并不连续的区间组成的。

例如，假设在取并集之前，某一个杆系构件表面上的所有日照阴影区间一共有3个：[0.1,0.2]、[0.4,0.45]和[0.3,0.5]；在对这3个日照阴影区间取并集之后，所得到的并集中将包括两个区间：[0.1,0.2]以及[0.3,0.5]，这两个区间之间是不连续的。

因此，在本步骤中，将根据各个日照阴影区间的位置关系，从所得到的并集中得到多个彼此之间不发生重叠的有效区间，然后再得到各个有效区间的区间长度。

例如，在上一个例子中，当所得到的并集中包括[0.1,0.2]和[0.3,0.5]这两个区间时，就可以将[0.1,0.2]和[0.3,0.5]作为两个有效区间，并计算得到这两个有效区间的区间长度：0.1和0.2。

步骤703，根据各个有效区间的区间长度，计算得到该杆系构件的太阳直射系数。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以通过如下的公式计算得到杆系构件的太阳直射系数：

其中，r_si为杆系构件i(即编号为i的杆系构件)的太阳直射系数，k'_ji为第j个有效区间的区间长度，

表示对所有对杆系构件i产生遮挡的所有杆系构件所对应的有效区间的区间长度求和。

通过使用上述步骤701～703中的方法，即可计算得到任意一个杆系构件的太阳直射系数。因此，在本发明的技术方案中，可以对所有杆系构件中的每一个杆系构件都使用上述步骤701～703中的方法，从而可以得到所有杆系构件的太阳直射系数。

另外，在本发明的一个较佳的具体实施例中，在得到所有杆系构件的太阳直射系数之后，还可以进一步以各个杆系构件的编号为索引来存储各个杆系构件的太阳直射系数。

步骤80，根据各个杆系构件的太阳直射系数，计算得到各个杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量。

在计算得到空间结构中的各个杆系构件的太阳直射系数之后，即可根据各个杆系构件的太阳直射系数，计算得到在某个预设时刻各个杆系构件的表面在单位时间内接收的太阳辐射量。

在本发明的技术方案中，可以使用多种实现方法来实现上述的步骤80。以下将以其中的一种实现方式为例对本发明的技术方案进行详细的介绍。

由于杆系构件是一种圆截面构件，其外表面各处的倾斜角度均不同，不存在倾角固定的平面，因此不能简单地用构件轴线倾角β来代替。倾斜平面接收的太阳辐射强度大小与平面的倾角紧密相关，因此可以通过沿杆系构件的表面进行积分的方式得到杆系构件在单位时间内接收的太阳辐射量。

例如，作为示例，在本发明的一个较佳的具体实施例中，可以将杆系构件的外表面划分成无数条带，因此，可以使用如下的公式计算得到杆系构件的表面的条带微元面积dA以及条带微元对地面的倾斜角度β’：

cosβ'＝cosλcosβ (6)

其中，dA为条带微元的面积，l为杆系构件的长度，dλ为条带微元对应的圆心角，β’为条带微元对地面的倾斜角度，β为杆系构件的轴线对地面的倾斜角度，如图8所示。

在倾斜平面接收的太阳辐射分量中，散射辐射G_d与地面反射辐射G_r引起的辐射分量中带有对表面的倾角非常敏感的项，因此需要绕截面圆周进行积分，得到实际构件在单位时间内收到的对应辐射分量。

因此，可以通过如下的公式计算得到杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量的各个辐射分量：

另外，直射辐射G_b引起的辐射分量I_b可以直接按杆系构件在太阳光下的投影面积计算，在考虑预先储存的直射系数后，可以通过如下的公式计算得到I_b：

其中，G_d为散射辐射，G_r为地面反射辐射，G_b为直射辐射，I_d为G_d引起的辐射分量，I_r为G_r引起的辐射分量，I_b为G_b引起的辐射分量，β’为条带微元对地面的倾斜角度，dA为条带微元的面积，l为杆系构件的长度，d为杆系构件的截面直径，ρ_r为太阳辐射的地面反射率(一般情况下，该ρ_r的取值可以是0.2)，r_s为杆系构件的太阳直射系数，l’为杆系构件在光线坐标系中的投影长度，α_s为太阳的高度角。

其中，可以使用如下的公式计算得到l’：

其中，γ_s为太阳的方位角，γ为杆系构件的轴线所在直线的方位角，β为杆系构件的轴线对地面的倾斜角度。

所以，最终可以使用如下的公式计算得到杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量：

I＝α(I_b+I_d+I_r) (11)

其中，I为杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量，α为杆系构件的表面对太阳辐射的总吸收率。

另外，在本发明的技术方案中，所述杆系构件的表面对太阳辐射的总吸收率可以根据实际应用情况(例如，杆系构件的外表面的材料性质和颜色等)预先确定，在此不再赘述。

综上所述，在本发明的技术方案中，由于先根据空间结构中的各个杆系构件建立对应的计算模型以及模型坐标系，并根据太阳的入射角度建立光线坐标系，再对计算模型中的各个元素进行坐标系变换，得到各个元素在光线坐标系中的对应坐标，随后通过包围盒检测以及杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系；对于任意两个存在遮挡关系的杆系构件，计算得到相应的日照阴影区间，并计算得到各个杆系构件的太阳直射系数，再根据各个杆系构件的太阳直射系数，计算得到各个杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量，从而可以得到空间结构中的各种构件的太阳辐射量。

本发明中的上述太阳辐射量的计算方法，可以适用于以杆系构件为主要构件的大跨空间结构，并且能够考虑成千上万根杆件在日照下的相互遮挡效应，并根据日照情况下各构件之间的复杂遮挡关系进行高效的计算，从而能够考虑日照阴影对构件实际接收的太阳辐射量的减弱效果，可用于计算表面为曲面的杆系构件在某一时刻单位时间内吸收的太阳辐射量，还能够以较高的效率对日照阴影的影响进行模拟。

另外，在本发明中的上述太阳辐射量的计算方法中，实现了对一维杆系构件的日照遮挡关系判断，在对遮挡关系进行计算后，还引入一个取值范围为0～1的“太阳直射系数”，对杆件表面受遮挡的程度进行连续描述，从而极大降低了现有技术的计算方法中需要划分的小单元数量，使得在实际应用过程中可以更加方便的计算得到空间结构中的各种构件的太阳辐射量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (10)

1.一种计算空间结构中的各种构件的太阳辐射量的方法，其特征在于，该方法包括：

根据空间结构中的各个杆系构件建立对应的计算模型；

根据计算模型建立模型坐标系，并根据太阳的入射角度建立光线坐标系；

对计算模型中的各个元素进行坐标系变换，得到各个元素在光线坐标系中的对应坐标；

对空间结构中的任意两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影进行包围盒检测；

根据包围盒检测的结果，以及任意两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系；

对于任意两个存在遮挡关系的杆系构件，计算得到其中一个杆系构件在另一个杆系构件的表面上形成的日照阴影区间；

对于任意一个杆系构件，根据该杆系构件的表面上的所有日照阴影区间计算得到该杆系构件的太阳直射系数；

根据各个杆系构件的太阳直射系数，计算得到各个杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据空间结构中的各个杆系构件建立对应的计算模型包括：

获取空间结构中的各个杆系构件的几何参数；

根据几何参数将各个杆系构件分别转换为对应的线单元；

根据各个线单元建立计算模型。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

设定计算模型所在的模型坐标系OXYZ中的X轴指向正东方向，Y轴指向正北方向，Z轴指向垂直向上的方向；

设定光线坐标系oxyz的z轴指向太阳，x轴与z轴形成的xoz平面垂直于地面，且x轴正方向位于太阳在XOY平面的投影所在的一侧，y轴垂直于xoz平面，且y轴正方向位于X轴的正方向的一侧。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，坐标系变换的方式为：

先绕模型坐标系的Z轴转动XOY平面，转动角度为(270°-γ_s)；

然后再绕模型坐标系的Y轴转动ZOX平面，转动角度为(90°-α_s)；

其中，γ_s为太阳的方位角，α_s为太阳的高度角。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过如下的公式计算得到模型坐标系中的一个元素在光线坐标系中的对应坐标：

其中，元素在模型坐标系中的坐标为(X,Y,Z)，元素在光线坐标系中的对应坐标为(x,y,z)，α_s为太阳的高度角，γ_s为太阳的方位角。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述对空间结构中的任意两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影进行包围盒检测包括：

根据两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影，分别确定与两个杆系构件对应的包围盒；

根据两个杆系构件对应的包围盒所在的区域，确定两个包围盒之间是否有重叠区域。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据包围盒检测的结果，以及任意两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定任意两个杆系构件之间的遮挡关系包括：

当两个杆系构件对应的包围盒之间没有重叠区域时，则所述两个杆系构件之间不存在遮挡关系；

当两个杆系构件对应的包围盒之间有重叠区域时，根据两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，判断两个杆系构件在光线坐标系中的平面投影是否有重叠的部分；

当两个平面投影没有重叠的部分时，则两个杆系构件之间不存在遮挡关系；当两个平面投影有重叠的部分时，则根据两个杆系构件在光线坐标系中的坐标，确定两个杆系构件之间的遮挡关系。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，通过如下的公式计算得到一个杆系构件在另一个杆系构件的表面上形成的日照阴影区间：

其中，

其中，[d₁,d₂]表示位于上层的杆系构件b在位于下层的杆系构件a的表面上形成的日照阴影区间，d₁表示日照阴影区间的一端与杆系构件a的相对位置，d₂表示日照阴影区间的另一端的相对位置，t_a表示杆系构件b、a的轴线在杆系构件a的表面上的平面投影的交点与杆系构件a的一端的相对位置，k_ba表示杆系构件b在杆系构件a的表面上形成的相对阴影长度，d_b表示杆系构件b的截面直径，l_a表示杆系构件a的长度，ψ表示杆系构件b与杆系构件a的平面投影的轴线的夹角。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述对于任意一个杆系构件，根据该杆系构件的表面上的所有日照阴影区间计算得到该杆系构件的太阳直射系数包括：

根据杆系构件表面上的所有日照阴影区间的位置以及相应的阴影长度，对所有日照阴影区间取并集；

根据各个日照阴影区间的位置关系，从所述并集中得到与各个发生遮挡的杆系构件对应的多个不重叠的有效区间，并得到各个有效区间的区间长度；

根据各个有效区间的区间长度，计算得到该杆系构件的太阳直射系数。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，计算得到杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量包括：

将杆系构件的外表面划分成无数条带，使用如下的公式计算得到杆系构件的表面的条带微元面积dA以及条带微元对地面的倾斜角度β’：

cosβ'＝cosλcosβ；

其中，dA为条带微元的面积，l为杆系构件的长度，dλ为条带微元对应的圆心角，β’为条带微元对地面的倾斜角度，β为杆系构件的轴线对地面的倾斜角度；

使用如下的公式计算得到杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量的各个辐射分量：

直射辐射G_b引起的辐射分量I_b通过如下的公式计算得到：

其中，G_d为散射辐射，G_r为地面反射辐射，G_b为直射辐射，I_d为G_d引起的辐射分量，I_r为G_r引起的辐射分量，I_b为G_b引起的辐射分量，β’为条带微元对地面的倾斜角度，dA为条带微元的面积，l为杆系构件的长度，d为杆系构件的截面直径，ρ_r为太阳辐射的地面反射率，r_s为杆系构件的太阳直射系数，l’为杆系构件在光线坐标系中的投影长度，α_s为太阳的高度角；

其中，使用如下的公式计算得到l’：

其中，γ_s为太阳的方位角，γ为杆系构件的轴线所在直线的方位角，β为杆系构件的轴线对地面的倾斜角度；

最后，使用如下的公式计算得到杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量：

I＝α(I_b+I_d+I_r)；

其中，I为杆系构件的表面在预设时刻时单位时间内接收的太阳辐射量，α为杆系构件的表面对太阳辐射的总吸收率。

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