一种基于Revit的太阳辐射数据分析及可视化建模方法

一种基于revit的太阳辐射数据分析及可视化建模方法
技术领域
1.本发明属于建筑能耗分析领域，具体涉及一种基于revit的太阳辐射数据分析及可视化建模方法。


背景技术：

2.随着社会与经济的快速发展和城市化进程的加快，在建筑规划建设中，建筑热环境被广泛用于策划、建造、设计、围护以及改造等建筑活动。所以太阳辐射作为影响热辐射的重要因素，也直接影响了建筑热环境。通过建筑热环境的分析研究，可更有效的进行建筑规划建设，所以建筑热环境受到了越来越多的学者的研究，计算室外建筑表面的太阳辐射量也变得至关重要。
3.现在越来越多的建筑设计人员在建筑设计规划前期首先通过建模软件进行建模，这样在实施阶段就可以预防可能出现的问题。这些年来，面向bim的建模软件revit被越来越多建筑设计人员学习和使用，通过revit建立建筑信息模型或利用revit api进行二次开发，来扩充revit软件功能。现阶段的revit软件的功能已经包括分析建筑模型的日照情况路径等，但对辐射数据的直观展示和分析还不完善，大多时候需要将建筑信息模型导入专业的模拟分析工具，进行辐射数据的分析和可视化，但无疑增加了设计人员工作的复杂程度。所以在建筑规划设计中，如何通过建模软件对建筑信息模型进行太阳辐射计算与可视化分析，以便建筑设计人员更方便的进行建筑规划设计，一直是目前存在的问题，在此背景下，发明面向建筑物的辐射分析及可视化插件二次开发系统及方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服上述不足，提供一种基于revit的太阳辐射数据分析及可视化建模方法，完成对建筑模型中的太阳辐射进行分析和可视化，对建筑规划、设计以及能耗分析等给予更精确的信息支持。
5.为了达到上述目的，本发明包括以下步骤：
6.s1，采集太阳辐射数据，在revit中建立待分析建筑的信息模型，采集待分析建筑物的相关参数，构建建筑信息模型；
7.s2，对比现有太阳辐射模型，进行太阳辐射的计算，分析建筑表面所接收太阳辐射情况，计算出建筑外表面上的太阳辐射；
8.s3，采用revit avf可视化分析框架结合颜色映射模型对建筑表面的辐射数据进行三维可视化展示。
9.s1中，采集太阳辐射数据的具体方法如下：
10.确定地球大气上界的太阳辐射量，作为太阳常数；
11.采集到达地球表面的太阳辐射量，在地球表面与太阳之间建立坐标系来描述太阳位置。
12.s1中，采集的太阳辐射数据包括观测当地纬度、太阳天顶角、太阳入射方向和天顶
方向所夹的角度、太阳赤纬角、太阳中点与地球中点的连线与其在地球赤道平面的投影的夹角、太阳时角、地球上任意一点与地球中心的连线在赤道上的投影与当地正午时日地中心连线在赤道平面的投影之间的夹角；
13.地球上任意一点与地球中心的连线在赤道上的投影与当地正午时日地中心连线在赤道平面的投影之间的夹角包括日出时角与日落时角。
14.太阳天顶角、太阳赤纬角、太阳时角的计算方式分别为：
[0015][0016][0017][0018]
其中，θz为太阳天顶角，δ为太阳赤纬角，为观测当地纬度，ω为太阳时角，n为一年中的第几天。
[0019]
s2中，进行太阳辐射的计算采用晴天模型与直散分离模型相结合的方法。
[0020]
s2中，分析建筑表面所接收太阳辐射情况的具体方法如下：
[0021]
将到达地球表面的太阳辐射根据辐射路径分为太阳直接辐射和散射辐射；
[0022]
分别针对地表水平面、铅垂面和倾斜面所接收到的辐射量进行计算，在非水平面的分析表面加入地表水平面对其反射的辐射量，得到建筑表面所接收太阳辐射情况。
[0023]
s2中，计算建筑外表面上的太阳辐射的具体方法如下：
[0024]
根据建筑信息模型的相关参数，结合遮挡因子，通过遮挡监测计算出建筑外表面上的太阳辐射。
[0025]
s3的具体方法如下：
[0026]
获取建筑信息模型中的参数信息，确定显示样式和数据分析内容，根据建筑信息模型中每个点的坐标以及该点的数据信息进行分析，结合显示样式可视化分析后进行显示。
[0027]
与现有技术相比，本发明对revit平台进行了二次开发，首先在revit中构建建筑信息模型，再计算建筑外表面上的太阳辐射，最后结合revit avf可视化分析框架对辐射数据进行三维可视化展示，本发明能够接完成对建筑模型中的太阳辐射进行分析和可视化，对建筑规划、设计以及能耗分析等给予更精确的信息支持。本分明对比传统的方式，本发明不需要对数据进行多次传输转换，直接在revit建模软件上进行分析，从而使本发明不仅降低了使用复杂度，避免了中间环节出错造成数据缺失等问题，而且本发明对设计人员不需要太高要求，也提高了时间效率，本发明所得到的分析结果不会持久地存在于建筑信息模型中，这样不会占用太多的内存空间。
附图说明
[0028]
图1为本发明的功能模块图；
[0029]
图2为本发明的技术路线流程图；
[0030]
图3为本发明实施例的建筑信息模型三维抽象图；
[0031]
图4为本发明实施例的建筑信息模型平面示意图；
[0032]
图5为本发明计算参数获取图；
[0033]
图6为本发明太阳辐射计算流程图；
[0034]
图7为本发明实施例辐射数据二维可视化图；
[0035]
图8为本发明三维可视化流程图；
[0036]
图9为本发明实施例的建筑信息模型辐射数据可视化图；其中，(a)为前侧，(b)为右侧，(c)为后侧，(d)为左侧。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图对本发明做进一步说明。
[0038]
本发明是开发基于revit平台的插件，主要采用的开发工具是：revit软件建模：(revit2018版本)，visual studio开发：(2017版)。利用revit api来操作和计算revit模型，开发语言的选择只要支持.net framework框架的都可以使用，这里选择c#编程语言进行开发。
[0039]
参见图1，本发明包括以下步骤：
[0040]
s1，采集太阳辐射数据，在revit中建立待分析建筑的信息模型，采集待分析建筑物的相关参数，构建建筑信息模型；采集太阳辐射数据的具体方法如下：
[0041]
确定地球大气上界的太阳辐射量，作为太阳常数；
[0042]
采集到达地球表面的太阳辐射量，在地球表面与太阳之间建立坐标系来描述太阳位置。
[0043]
采集的太阳辐射数据包括观测当地纬度、太阳天顶角、太阳入射方向和天顶方向所夹的角度、太阳赤纬角、太阳中点与地球中点的连线与其在地球赤道平面的投影的夹角、太阳时角、地球上任意一点与地球中心的连线在赤道上的投影与当地正午时日地中心连线在赤道平面的投影之间的夹角；
[0044]
地球上任意一点与地球中心的连线在赤道上的投影与当地正午时日地中心连线在赤道平面的投影之间的夹角包括日出时角与日落时角。
[0045]
太阳天顶角、太阳赤纬角、太阳时角的计算方式分别为：
[0046][0047][0048][0049]
其中，θz为太阳天顶角，δ为太阳赤纬角，为观测当地纬度，ω为太阳时角，n为一年中的第几天。
[0050]
s2，对比现有太阳辐射模型，采用晴天模型与直散分离模型相结合的方法，进行太阳辐射的计算，分析建筑表面所接收太阳辐射情况，计算出建筑外表面上的太阳辐射；
[0051]
分析建筑表面所接收太阳辐射情况的具体方法如下：
[0052]
将到达地球表面的太阳辐射根据辐射路径分为太阳直接辐射和散射辐射；
[0053]
分别针对地表水平面、铅垂面和倾斜面所接收到的辐射量进行计算，在非水平面的分析表面加入地表水平面对其反射的辐射量，得到建筑表面所接收太阳辐射情况。
[0054]
计算建筑外表面上的太阳辐射的具体方法如下：
[0055]
根据建筑信息模型的相关参数，结合遮挡因子，通过遮挡监测计算出建筑外表面上的太阳辐射。
[0056]
s3，采用revit avf可视化分析框架结合颜色映射模型对建筑表面的辐射数据进行三维可视化展示。具体方法如下：
[0057]
获取建筑信息模型中的参数信息，确定显示样式和数据分析内容，根据建筑信息模型中每个点的坐标以及该点的数据信息进行分析，结合显示样式可视化分析后进行显示。
[0058]
实施例：
[0059]
如图2所示，为本发明实施的技术路线流程图。下面结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
[0060]
步骤1：建筑信息模型的构建；
[0061]
本发明选取中国-西安一处建筑群室外空间进行太阳辐射计算及可视化插件的功能验证，经度为108.94度，纬度为34.34度，海拔高度为400米。首先在revit平台上建立该建筑群三维建筑模型，建筑表面均为普通涂漆饰面，地面默认为水平地面，一个包含四栋建筑物，并且四面围合，每一栋建筑的高低都不同。为了方便对该建筑物进行辐射计算和可视化，将其抽象为非透明的建筑结构，如图3所示，图4为该建筑物的平面示意图。
[0062]
步骤2：获取太阳辐射基础数据；
[0063]
选定与太阳辐射有关的参数主要有太阳赤纬角、太阳天顶角、时角和纬度等
[0064]
用户在选定待分析建筑物的所处位置，即所在地区时，插件自动获取该地区的经纬度；也可以选择日期，对太阳辐射进行逐日分析，这时同样自动提取该日期的日出与日落时间，以便进行时角计算。相关参数包括省份、城市、经度、纬度、海拔、日期、日出时间、日落时间，如图5所示。
[0065]
步骤3：计算太阳辐射量；
[0066]
到达地球大气层外的辐射量为太阳常数，g0为1368w/m2，引入太阳天顶角θz进行修正，则修正后的太阳常数为：
[0067][0068]
然后将到达地表面的太阳总辐射量分为直接辐射数据和散射数据，然后分别对地表水平面、竖直立面上的辐射情况进行分析计算。
[0069]
水平面太阳辐射量计算公式为：
[0070]
g1＝g0τ
dr
cosθz+(0.271-0.294τ
bn
)g0ꢀꢀ
(2)
[0071]
式中，τ
dr
、τ
bn
分别为大气中太阳直射透过比和大气中太阳散射透过比。
[0072]
竖直立面太阳辐射量计算公式为：
[0073]
g2＝g0τ
dr
cosθzrb+(0.271-0.294τ
bn
)g0rd+ρ[(g0τ
dr
cosθz+(0.271-0.294τ
bn
)g0)fg]
ꢀꢀ
(3)
[0074]
式中，rb、rd分别为竖直面与水平面太阳直接辐射和散射辐射之比，ρ为地表反射率，fg为竖直立面与地表水平面之间的角系数。
[0075]
计算流程如图6所示，计算结果可为初步的建筑设计规划提供一定的参考。
[0076]
步骤4：室外建筑表面的辐射量；
[0077]
在步骤3计算出的水平面和不同方位建筑立面太阳辐射量基础之上，结合建筑信息模型，通过建筑面对于太阳的方位角与高度角计算室外建筑表面所接收的太阳辐射量。
[0078][0079]
式中，n为建筑物水平面的个数，m为建筑物非水平面的个数，g
dr
、g
sr
分别为地表水平面所接收的太阳直接辐射量和散射辐射量，k为该建筑面的阴影情况。
[0080]
步骤5：辐射数据可视化；
[0081]
首先将水平面和不同方位建筑立面单位面积接收的辐射数据进行二维图表的可视化展示如图7，包括柱形图和折线图；然后采用revit avf可视化分析框架结合颜色映射模型对建筑表面的辐射数据进行三维可视化，可视化的基本流程如图8所示，而图9展示了本实施例的建筑信息模型辐射数据可视化。