Назад

Расчет инсоляции как задача компьютерного геометрического моделирования

Саморуков Антон Васильевич (Южно-уральский государственный университет)
Фото Хейфец Александр Львович (Южно-уральский государственный университет)


Наличие естественного света в жилище всегда было важным параметром, так и сегодня хорошо инсолируемые дома и квартиры пользуются большим спросом. Это естественным образом связано с физиологией и психологией людей. Известно, что солнечная радиация, содержащая в себе все известные радиоизлучения (в том числе ультрафиолетовое, инфракрасное и световое), оказывает бактерицидное действие на микроорганизмы, укрепляющее воздействие на психофизиологическое состояние человека [3] [9].

Инсоляцией (от латинского in solo – выставляю на солнце) называют облучение поверхности, пространства параллельным пучком лучей, поступающих с направления, в котором виден в данный момент времени центр солнечного диска. Этот удобный термин используется в основном в гигиене, архитектуре и строительной светотехнике. Различают астрономическую, вероятную и фактическую инсоляцию. Астрономическая инсоляция определяется вращениями Земли вокруг Солнца и собственной оси, наклоненной под углом 66,55° к эклиптике. Вероятная инсоляция зависит от состояния атмосферы и облачного покрова. Фактическая инсоляция, которая нормируется в архитектурном проектировании, зависит от конкретной экранирующей ситуации, т.е. от наличия и расположения вокруг затеняющих зданий и сооружений [2].

В начале XIX в. начинают формироваться принципы коммунальной гигиены. Требования по обеспечению инсоляции городской застройки впервые сформулировал в 1879 г. А. Фогт на основе общежитейских представлений о благотворности прямых солнечных лучей. В 1887 г. Т. Блант и А. Даунс открывают бактерицидный эффект естественного облучения. И к 30-м гг. XX в. благодаря многочисленным исследованиям в этой области формируются основы современных гигиенических воззрений на многообразие воздействий инсоляции на организм человека.

На IV Международном конгрессе архитекторов в 1932 г. в Афинах, говорилось о необходимости «составления чертежей, показывающих, что в зимний период жилые помещения будут обеспечены инсоляцией не менее 2 часов в день. Введение солнца в жилье – это новое и важное задание для архитекторов».

В 1957 г. на основе исследований В.К. Беликова приходит к выводу, что эффективное бактерицидное действие облучения достигается при непрерывном 3-х ч. облучении помещений. Эта норма была положена в основу отечественных санитарных норм СН 427-63. В 1975 г. она приобретает обязательную форму в градостроительных нормах СНиП II-60-75. Современные нормы также основываются на этом показателе, где он пересмотрен с учетом веяний времени.

Большинство зарубежных норм, в основу которых положен психоэмоциональный эффект, базируются на социологических обобщениях субъективных мнений людей о качестве световой среды. А различия в значениях регламентируемых нормами инсоляции параметров различных стран в основном обоснованы географической широтой и местными обычаями.

Астрономические и геометрические основы пространственно-временного расчета инсоляции были заложены еще в Древнем Египте, Греции и Риме. В Европе в середине XVIII в. Л. Эйлер систематизировал формулы сферической тригонометрии, описывающие солнечные координаты. В середине ХХ в. рядом советских ученых (Д.В. Бахарев, Х.А. Беккет, Б.А. Дунаев, Г. Плейжел, Г. Марти, Д.С. Масленников, Н.В. Оболенский, А.М. Рудницкий, М. Тваровский, В.Т. Шимко) были систематизированы методы пространственно-временного расчета инсоляции и учета экранирования. Они были классифицированы по геометрическому признаку на метод центрального, ортогонального и косоугольного проецирования. Для ручного расчета оптимальным был выбран метод ортогонального проецирования и был рекомендован в нашей стране [12,с. 10-28]. Этот метод ручного расчета по номограммам и сегодня используется, являясь нормативно установленным для проектировщиков (рис. 1).

Сегодня в архитектурно-проектной деятельности задача расчета и нормирования инсоляции в нашей стране имеет злободневный характер. Высказываются различные точки зрения. Кто-то ратует за доработку и развитие существующих норм и методик расчета [6] [7]. Кто-то за кардинальный пересмотр существующих нормативных документов, замену действующих нормируемых параметров новыми, соответственно, утверждение новых методик расчета с использованием накопленного практического, теоретического и научного опыта в этой области [15] [2] [1] [12] [16]. Есть высказывания, призывающие вовсе к отказу от необходимости нормирования параметров инсоляции жилищ [5] [14].

На сегодняшний день вопросы инсоляции жилых помещений и территорий регламентируются в различных нормативных документах:

Однако, приоритетным документом являются введенные в 2002 г. СанПиН 2.2.1/2.1.1. 1076-01 "Гигиенические требования к инсоляции и солнцезащите помещений жилых и общественных зданий и территорий". Согласно пунктам 2.4 и 2.5 этого нормативного правового акта следует обеспечить для одной жилой комнаты 1-3-комнатных и 2 жилых комнат 4-х и более комнатных квартир непрерывную продолжительность инсоляции (ПИ): в северной зоне (севернее 58° с.ш.) - не менее 2,5 часов в день на календарный период с 22 апреля по 22 августа; в центральной зоне (с 58° с.ш. по 48° с.ш.) - не менее 2 часов в день на период с 22 марта по 22 сентября; в южной зоне (южнее 48° с.ш.) - не менее 1,5 часа в день на период с 22 февраля по 22 октября.

Севернее 48° с.ш. в 2-х и 3-комнатных квартирах, где инсолируется не менее двух комнат, и в многокомнатных квартирах, где инсолируется не менее трех комнат, п.3.4 допускает снижение ПИ на 0,5 часа. Аналогичное снижение ПИ допускается также при реконструкции жилой застройки в центральной исторической зоне городов. Пунктом 3.3 допускается прерывность инсоляции, если один из ее промежутков составляет не менее 1,0 часа. При этом в каждой зоне суммарное значение нормативной ПИ следует увеличить на 0,5 часа.

Методику расчета можно найти в СанПиН 2.2.1/2.1.1. 1076-01, но помимо этого документа руководство к расчету инсоляции приведено и в некоторых учебных изданиях [20] [10]. Однако, существующее законодательно утвержденное руководство не отвечает потребностям проектировщиков в наглядности и наличии примеров выполнения и оформления расчета инсоляции.

Основные идеи разработчиков относительно доработки действующих норм и методики заключаются в следующем:

Сегодня различные специалисты выдвигают следующие предложения по пересмотру действующих норм и методики расчета:

Идеи, связанные с отказом от параметра инсоляции как нормативного, вызваны влиянием европейского нормативного законодательства, где отношение к параметру инсоляции более лояльно. Также это связано с необходимостью уплотнения застройки для повышения ее коммерческой эффективности, и обосновано стремлением архитекторов получить больше свободы в решении архитектурного образа [5] [14] [13].

Ручной способ расчета продолжительности инсоляции, представленный в нормативных документах, устаревает в век информационных технологий. Однако, используемый в этом расчёте метод начертательной геометрии (сводимый ко второй позиционной задаче) дает объективные данные о продолжительности инсоляции, поэтому он положен в основу современных компьютерных алгоритмов.

Изучением вопросов естественного освещения и инсоляции, а также преподавание дисциплин, связанных с этими вопросами, ведётся на кафедрах различных университетов и институтов по всему миру. Разрабатываются альтернативные методы и алгоритмы расчета естественной радиации, основанные на современных знаниях физиков, биологов, инженеров и программных разработчиков. В мире существует некоторое количество компьютерных программ для расчета инсоляции, в том числе и отечественного производства:

В наше время активно развивается в архитектурном проектировании концепция информационной модели здания (BIM), и одним из лидеров разработок в этой области – это корпорация Autodesk, создавшая линейку программных пакетов Revit. Концепция этого подхода заключается в связи всех этапов проектирования от эскизного до детального, а также контроля эксплуатационных качеств здания на всех этапах проектирования [8]. Однако, в комплекс решаемых этим инструментом задач не входит достаточно точный автоматизированный расчет инсоляции в соответствии с отечественными нормативами. Общую информацию об инсоляции можно получит лишь с помощью самостоятельного программного продукта Autodesk Ecotect Analysis (рис. 2 г, д, е). В то же время, пакет САПР AutoCAD давно известен многим проектировщикам, он позволяет разрабатывать программные приложения на языке AutoLisp. Поэтому использовать возможности AutoCAD для включения расчета инсоляции в перечень решаемых задач технологией BIM, является актуальным [18].

В Южно-уральском государственном университете (ЮУрГУ) также ведутся исследования в аспекте вышеупомянутых вопросов. На кафедре графики на языке AutoLISP было создано программное приложение к пакету AutoCAD, по автоматизации расчета продолжительности инсоляции. Также, при его дальнейшем развитии и внедрении, как в учебный процесс, так и в реальную практику оно смогло бы повысить качество проектных работ и документации. Базирование приложения на пакете производства Autodesk делает его доступным для большинства проектировщиков, что является важным плюсом.

Программное приложение ЮУрГУ по расчету продолжительности инсоляции позволяет проводить расчеты на любой день года, с учетом любого географического положения и получать следующие результаты:

Рассчитываемой площадкой может являться как плоскость земли, так и плоскость фасада, однако это должна быть непременно плоскость, но при этом сцена может содержать модели зданий не только полученные выдавливанием плана, но и любой криволинейной сложности. Расчет площадки позволяет получить численные отчетные данные высокой точности и наглядные карты полей инсоляции, на которых при помощи цвета дифференцированы зоны по показателю ПИ (рис. 3 д, е). При этом данные находятся в полной согласованности с действующими в РФ нормами.

Расчетная точка может быть как расчетной точкой окна, так и любой другой точкой пространства. В результате расчета инсоляции в точке приложение позволяет следующее:

При расчете времени инсоляции в расчетной точке окна приложение учитывает влияние конструкции светопроемов и затеняющих элементов фасада.

Особенность этого программного приложения к AutoCAD в том, что оно соответствует требованиям существующих нормативных документов и методике расчета инсоляции. А также, оно учитывает и современные тенденции совершенствования методики расчета. Так его инструментами можно легко рассчитать инсоляцию площадки внутри помещения на все дни года и определить годовой инсоляционный режим. Также, учитывая возможности пакета AutoCAD, представляется возможным при расчете инсоляции брать во внимание дневной и годовой циклы движения солнечного диска и учитывать изменения интенсивности и состава солнечного излучения [19].

Во многом прогрессу в развитии методологии расчета и нормирования инсоляции способствуют альтернативные научные теории и методы, реализованные по средствам новейших достижений в области программного обеспечения и компьютерной техники. При этом немаловажную роль играет пропаганда автоматизации проектирования, закрепление этого подхода в административно-правовой базе проектных работ. В рамках этого процесса кафедрой графики ЮУрГУ были разработаны и внедрены в учебный план задания для студентов архитектурных специальностей, направленные на формирование у них понимания процесса расчета инсоляции как задачи начертательной геометрии, а также приобщение их к компьютерным технологиям решения этой задачи.

Итак, история развития методологии расчета и нормирования инсоляции была сопряжена с совершенствованием знаний в области светотехники, начертательной геометрии, строительной физики и биологии. На данный момент сформированы серьёзные научные знания, позволяющие успешно решать вопросы, связанные с инсоляцией и естественным освещением в архитектурной среде. Однако, архитектурное проектирование и строительство – отрасли, развивающиеся достаточно неторопливо, особенно в России в сравнении с Японией, ОАЭ, США, Европой. Существующие социальные, законодательные, культурные и ментальные взаимосвязи с архитектурой весьма сложны, поэтому деятельность по модернизации проектно-строительной отрасли в наше время особенно актуальна, т.к. несмотря на все сложности, в конечном счете, человек должен существовать в комфортной и здоровой среде.

Рис. 1
Рис. 1 Определение ПИ по СанПиН 2.2.1/2.1.1. 1076-01. а) схема определения ПИ инсоляции, б) инсоляционный график.


Рис. 2
Рис. 2 Расчетные сцены. а) LARA: таблица результатов расчета, иллюстрированная на солнечной карте небосвода контуром затеняющих расчетную точку объектов, а на генплане - веерами их визирования из расчетной точки помещения, б) LARA: дискретная карта затенения преобразованная в карту поля ПИ, в) СОЛЯРИС, г) Autodesk Ecotect Analysis: схема инсоляции, д) Autodesk Ecotect Analysis: дискретная карта затенения, е) Autodesk Ecotect Analysis: расчетная сцена с отображением трехмерной схемы дневного (желтый) и годового (синий) пути Солнца по небосводу.


Рис. 3
Рис. 3 Расчет инсоляции в программном приложении ЮУрГУ на базе пакета AutoCAD. а), б) схема расчета (расчетная точка и траектория движения солнца образуют коническую поверхность), в) секторы инсоляции ,г), д) расчетная сцена (экстерьер), е) расчетная сцена (интерьер).


Вопросы и комментарии к докладу:


Фото
Адонкина Евгения Васильевна
(12 марта 2010 г. 13:27)
Уважаемый Александр Львович! Знакомите ли вы студентов архитектурных специальностей на 1ом курсе с понятием инсоляции в заданиях по построению интерьеров, выбору источников света и построению теней? С уважением Адонкина Е.В.
Фото
Шахова Алевтина Бруновна
(12 марта 2010 г. 13:41)
Здравствуйте Александр Львович! Этот доклад безусловно научен,т.к. с помощью НГ решается конкретная прикладная актуальная задача. Желаю Вам и дальнейших аналогичных задач. С уважением Шахова А.Б.
Фото
Хейфец Александр Львович
(13 марта 2010 г. 0:25)
1. Евгения Васильевна, я даю задачу инсоляции в курсе начертательной геометрии, ибо это классическая 2-ая позиционная задача на построение линии пересечения плоскости (в равноденствие) или конуса (в другие дни) с поверхностями зданий. Я ее привожу на лекциях, она есть в наших рабочих тетрадях. Студенты выполняют контрольно-графическое задание по расчету инсоляции в курсе начертательной геометрии. Материалы на эту тему опубликованы. В списке литературы к докладу эта строна задачи не рассматривалась и соответствующие наша статьи не указаны. 2. Алевтина Бруновна. Да, расчет инсоляции - это научная прикладная задача. Мною разработа САПР по расчету инсоляции, которую внедряем с моим аспирантом - соавтором доклада среди архитекторов города. Но для нас, кафедр графики, важно, что это прикладная задача курса начертательной геометрии, которую мне посчастливилось найти и внедрить в учебный процесс. Уж не обессудьте, посмотрите на эту тему ответ, данный выше Евгении Васильевне. А.Л. Хейфец
Фото
Касаткина Елена Петровна
(19 марта 2010 г. 17:49)
Здравствуйте, уважаемый Александр Львович! Прочитав Вашу статью, поняла, как изменить содержание заданий для специальности"Светотехника", надеюсь, что это поможет отстоять позицию кафедры при формировании новых планов. СПАСИБО ВАМ! Касательно обсуждения статьи И.Д. Столбовой думаю, что я скорее прагматик, чем романтик. При желании можно законодательно организовать обратную связь РАБОТОДАТЕЛЬ-ВУЗ так, что субъективные факторы будут сведены к нулю. Это реально при современных инфотехнологиях в делопроизводстве. С уважением, Е.П. Касаткина

Назад