CN103632605A - 一种用于日照投影模拟的实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于日照投影模拟的实验装置，包括机箱、赤道平面盘、时间刻度圆盘和地平面盘，其中赤道平面盘可根据季节相应调节角度，地平面盘可根据地理纬度自动调节角度，时间刻度圆盘可360度自由旋转，通过将建筑模型放在地平面盘上并配合聚光源照射，能够精确、直观地模拟在多种因素综合影响下的各种日照投影情况。通过本发明，能够模拟在不同经纬度、各时间，不同赤纬度以及不同太阳高度下的建筑静态或动态投影情况，同时具备结构紧凑、自动化程度高、高精度和直观性强等特点，因此对建筑设计及城市规划设计有着重要的意义，并尤其适用于建筑设计或建筑教学过程中的日照投影模拟等用途。

Description

一种用于日照投影模拟的实验装置

技术领域

本发明属于建筑设计和规划技术领域，更具体地，涉及一种用于日照投影模拟的实验装置。

背景技术

建筑日照是建筑设计必须重点考虑的问题，如日照的时间、范围对建筑间距的确定和建筑方位的布置均起着至关重要的作用。在有些情况下，建筑需要避免日照，如夏季防止室内过热或者室内要求避免眩光或暴晒的空间；而在另外一些情况下则正好相反，如冬季的日照会对人们产生良好的心理作用，日照还可使房间在冬季获得较多的太阳辐射，从而提高室内温度等；此外，寒冷地区的建筑一般都需要争取较好的日照，温和地区的多数建筑也需要至少在冬季正午前后有一定的日照时间，这时的阳光含有较多紫外线，有利于消灭细菌和预防一些疾病，使室内保持良好的卫生环境。总之，为满足建筑对日照的需求，应在设计时按照使用要求，综合考虑地区气候条件、日照特点、当地地形及前后建筑的遮挡条件、房间的自然通风要求，以及节约用地等因素，从而采取相应的措施，正确地选择房屋朝向、间距、建筑体型、窗口位置、遮阳处理等。

为了便于更好地获得有关日照投影的数据，现有技术中已经提出了一些可实现日照投影模拟的装置，例如，CN201667166U公开了一种全维度日照日影模拟观察仪，该模拟观察仪包括影棒调节装置、全维度调节***、时间日期调节***和底座组件，由此用来执行全维度范围内的无遮挡试验；又如，CN202049246U公开了一种建筑日照测量装置，该装置主要由底座、立柱、维度盘、转动轴、手动转盘、赤纬盘、计数器等组成，并可用来测量建筑物的日照时间等。

然而，进一步的研究表明，上述现有的日照投影模拟装置仍然存在以下的缺陷或不足：首先，它们难以全方位地模拟不同经纬度、各时间、不同赤纬度以及不同太阳高度角下的建筑静态或动态投影情况，因此存在适用场合有限、功能不齐全的问题；其次，由于需要手工操控，在对操作者提出更高要求的同时，还相应带来了模拟精度不高、操作效率低下等缺陷；其三，为很多场合下，例如建筑教学过程中为学生所作的课堂演示、或是旧城改造和建筑设计过程中的微缩建筑模型测试等场合，往往需要便于快捷切换、印象更为直观的模拟效果，而现有技术难以满足此方面的要求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于日照投影模拟的实验装置，其中通过对其关键组件的结构及其联接方式进行设计，能够模拟在不同经纬度、各时间，不同赤纬度以及不同太阳高度下的建筑静态或动态投影情况，同时具备结构紧凑、自动化程度高、高精度和直观性强等特点，因此尤其适用于建筑设计或建筑教学过程中的日照投影模拟等用途。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于日照投影模拟的实验装置，其特征在于，该装置包括机箱、赤道平面盘、时间刻度圆盘和地平面盘，其中：

所述赤道平面盘的中部通过升降杆设置在所述机箱之上，并与机箱在边缘部可枢轴转动地相铰接；此外，赤道平面盘上加工有直线滑槽，并沿着该直线滑槽平行设置有标有各地理纬度的刻度尺；

所述时间刻度圆盘上标有全天的时间刻度，并通过转轴可360度旋转地设置于所述赤道平面盘上；所述时间刻度圆盘上还配备有滑槽接块，该滑槽接块可沿着加工在赤道平面盘上的所述直线滑槽来回移动；

所述地平面盘设置在时间刻度圆盘之上用于承载作为测试对象的建筑模型，它的上面标有太阳方位角和高度角，并在中央位置装有棒影针；所述地平面盘在其边缘部与时间刻度圆盘可枢轴转动地相铰接，并且在地平面盘的中央与所述滑槽接块之间，通过两端带万向节的撑杆相互联接。

作为进一步优选地，所述赤道平面盘与机箱相互铰接的边缘部还配备有角度尺，并通过第一步进电机驱动丝杆和导轨的方式来调整和锁定赤道平面盘的赤纬角度。

作为进一步优选地，所述时间刻度圆盘的滑槽接块被贯穿设置在滚珠丝杆上，并以第二步进电机驱动丝杆和导轨的方式来调节和锁定地平面盘的纬度角度。

作为进一步优选地，所述滑槽接块上还配备有螺栓锚固指针，该螺栓锚固指针指向所述赤道平面盘上标有各地理纬度的刻度尺，以此方式来便于读取当前的纬度值。

作为进一步优选地，所述机箱内配备有中央控制器，该中央控制器用于根据所输入的指标，对所述第一、第二步进电机相应发出指令，以使得地平面盘和赤道平面盘分别自动到达所需的地理纬度和赤纬度位置。

作为进一步优选地，所述实验装置还配备有光源组件，该光源组件包括平行光源以及可升降和调节方位的光源支架。

作为进一步优选地，所述平行光源优选为卤素聚光灯。

作为进一步优选地，所述机箱的底部配备有多个支撑脚支架，并通过这些支撑脚支架来调整水平。

按照本发明的另一方面，还提供了上述实验装置在建筑设计以及课堂教学演示等方面的用途。

总体而言，按照本发明的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、本发明中通过对地平面盘、时间刻度圆盘和赤道平面盘各自的结构及其联接方式的设计，除了能够准确模拟不同地区、各太阳高度角直射日光下的建筑投影情况，还能够用于模拟不同纬度、季节和时间等要素下的建筑投影情况，因此适用面广、功能强，能够满足不同复杂场合的多方面用途；

2、通过将用于承载测试对象的地平面盘可枢轴转动地联接在时间刻度圆盘上，并可随着时间刻度圆盘作360度的旋转，能够较好地满足不同地区不同时间变换的模拟需求，并具备便于操作、适于快捷变换的优点；

3、通过为按照本发明的日照投影模拟装置配备自动控制***，并采用高精度的步进电机和丝杆导轨方式执行驱动，相应能够降低对操作者的负担和技能要求，并且可显著提高模拟的精度和准确程度，测试表明对建筑模型的日照分析与实际建筑的日照状态基本一致；

4、按照本发明的日照投影模拟装置整体结构紧凑、自动化程度和精度高，特别是能够直观观察到建筑物在各类场合下的静态或动态投影情形，因而尤其适用于建筑设计、建筑课堂教学或其他类似用途，并便于获得最优化的设计和日照实验教学研究。

附图说明

图1是按照本发明的日照投影模拟装置的总体结构示意图；

图2a是用于显示图1中地平面盘与时间刻度圆盘相互联接关系的局部区域侧视图；

图2b是用于显示图1中地平面盘与时间刻度圆盘相互联接关系的立体结构示意图；

图3是按照本发明优选实施方式所构建的滚珠丝杆及导轨的轴向结构示意图；

图4是按照本发明优选实施方式的光源组件的结构示意图；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-地平面盘 2-赤道平面盘 3-撑杆 4-万向节 5-第二步进电机6-滑槽接块 7-螺栓锚固指针 8-刻度尺 9-升降杆 10-机箱 11-平行光源 12-光源支架 13-时间刻度圆盘 14-棒影针 15-地理纬度调节钮16-赤纬调节钮 17-支撑脚支架

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的日照投影模拟装置的总体结构示意图。如图1中所示，该装置主要包括机箱10，以及设置在机箱10上方的三个关键组件也即赤道平面盘2、时间刻度圆盘13和地平面盘1。

具体而言，如图2a和2b中所示，赤道平面盘2的中部通过升降杆9设置在机箱10之上，并与机箱10在边缘部（图1中显示为左侧的边缘部）可枢轴转动地相铰接；此外，赤道平面盘2上加工有直线滑槽（图中未显示），并沿着该直线滑槽平行设置有标有各地理纬度的刻度尺8；时间刻度圆盘13上标有全天的时间刻度，例如钟表的设置形式，全天24小时并精确到分，并通过转轴可360度旋转地设置在赤道平面盘2上；时间刻度圆盘13上还配备有滑槽接块6，该滑槽接块6可沿着加工在赤道平面盘2上的所述直线滑槽或导轨来回移动。

此外，地平面盘1譬如呈现为四方形板的形式，它设置在时间刻度圆盘13之上用于承载作为测试对象的建筑模型，它的上面标有太阳方位角和高度角，并在中央位置装有棒影针14；对于地平面盘和时间刻度圆盘两者而言，地平面盘1在其边缘部（图2b中显示为左侧的两个边缘点）与时间刻度圆盘13可枢轴转动地相铰接，并且在地平面盘1的中央与所述滑槽接块6之间，通过两端带万向节4的撑杆3相互联接。

通过以上构思，由于用于承载建筑模型的地平面盘和用于调节建筑模型所处赤纬角的赤道平面盘均能沿着垂直向自由转动，而用于调节建筑模型所处时间的时间刻盘圆盘可360度自由转动，并且三者之间相互联系共同确定影响日照投影的多种因素，以此方式不仅能够准确模拟不同地区、各太阳高度角直射日光下的建筑投影情况，而且由于太阳在天球中行径的黄道面与赤道面呈现倾角关系，还能够用来模拟不同纬度、季节、时间等要素下的建筑投影情况，因此其适用面广、功能强，能够满足不同复杂场合的多方面用途。

按照本发明的一个优选实施方式，所述赤道平面盘2与机箱10相互铰接的边缘部还配备有角度尺，并通过第一步进电机及配备导轨（可安装在机箱10内部，图中未显示）来调整和锁定赤道平面盘的角度。此外，参见图3中所示，所述时间刻度圆盘13的滑槽接块6优选被贯穿设置在滚珠丝杆上（图中显示为包括由两条滚珠丝杆共同构成的导轨），并在第二步进电机5的驱动下沿着所述直线滑槽来回移动。以此方式，能够方便角度和纬度的精准微调，进一步提高模拟的准确性。

按照本发明的另一优选实施方式，所述滑槽接块6上还配备有螺栓锚固指针7，该螺栓锚固指针7指向所述赤道平面盘2上标有各地理纬度的刻度尺8，以此方式来能够便于使用者读取当前的纬度值。

按照本发明的另一优选实施方式，所述机箱10内配备有中央控制器，该中央控制器用于根据所输入的指标，对所述第一、第二步进电机相应发出指令，以使得地平面盘1和赤道平面盘2分别自动到达所需的地理纬度和赤纬度位置。在操作时，使用者仅需要按下地理纬度调节钮15和赤纬调节钮16，即能轻松完成上述调节过程，而无须过多的手动干预，同时降低了对人工的技能要求。

此外，如图4中所示，上述实验装置还配备有光源组件，该光源组件包括平行光源11用于模拟太阳，并配备有可升降和调节方位的光源支架12。所述平行光源11优选为卤素聚光灯，并最好具备高强度，且在实验场所尽量无自然光直射为佳，以避免外光干扰聚光灯的投射效果。光源安装到支架上端之后，调整其位置使其正确照射到地平面盘上，以模拟太阳光进行日照分析实验。

所述机箱10的底部优选还配备有多个支撑脚支架17，并通过这些支撑脚支架来调整水平。

下面将具体描述按照本发明的日照投影模拟装置的具体使用步骤。

在实验进行前需进行校正调试。首先调整脚支架17，使机箱10水平，然后开通电源，再电动调节赤道平面盘2调至水平，将测试建筑模型承载地平面盘1调到45度纬度角，将时间盘13的定位指针指向12时，将聚光光源放置在日照仪正前方例如十米处，开启平行光源11，通过升降支架调整光源的高度和方位，将棒影针14（100mm）安装在模型承载地平面盘的中间，使棒影针的投影正好落在45度高度角处和指向0度的方位角。

在校正调试之后，就可以将建筑模型放置在地平面盘1之上，执行建筑日照模拟测试过程。

对于室内日照模拟测试，为了准确模拟目标模型所在环境中的投影情况，可由地理纬度调节钮15调节目标所处的地理纬度，由赤纬调节钮16调节目标所处的赤纬角，并转动时间刻度盘13以观察不同时间下的建筑投影情况。转动时间刻度盘13以观察阴影变化情况，日照时间、日照面积、遮阳板的遮蔽情况，达到建筑设计及建筑日照分析的实验教学应用。

此外，在日照模拟测试过程中，可以由地理纬度调节钮15调节目标所处的地理纬度角，由赤纬调节钮16调节目标所处的赤纬角，并转动时间刻度盘13以观察不同时间下的建筑物之间投影遮挡阴影情况。转动时间刻度盘，观察出光源与模型承载地平面盘平行的时刻，即日出（日没）时间。转动时间刻度盘，观察目标建筑物之间一天中的投影遮挡阴影的关系，观察建筑物朝向、间距关系，以及建筑互相遮挡状况，达到建筑设计及建筑日照分析的实验教学应用。

综上所述，本发明通过对关键组件的结构及其联接方式的设计，可实现根据地理纬度自动调节角度的地平面盘、根据季节调节的赤道平面盘和可自由转动的时间盘，当将建筑模型放在地平面盘上并配合聚光源照射时，适用于模拟不同地理纬度不同季节的日照投影情况。与现有技术相比，能够将以前的日照分析靠数字计算创新到比例实物模型模拟分析，在设计阶段更精确直观看到建筑模型的日照分析，并且较多的实践测试表明与实际建筑建好后的日照基本相同。

本发明能够精确模拟任何城市（不同纬度）、任何季节（不同赤纬角）、全天（不同时间）下的建筑日照情况，可在设计阶段做成缩尺比例模型到日照分析仪上进行日照分析，得到最优化科学的设计，尤其是，对建筑设计及城市规划设计有着重要的意义，对于旧城改造方案的推敲和评判有着重要的意义，同时对高等学校的实验教学有着重要的意义。

本领域的技术人员容易理解，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作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于日照投影模拟的实验装置，其特征在于，该装置包括机箱（10）、赤道平面盘（2）、时间刻度圆盘（13）和地平面盘（1），其中：

所述赤道平面盘（2）的中部通过升降杆（9）设置在所述机箱（10）之上，并与机箱（10）在边缘部可枢轴转动地相铰接；此外，赤道平面盘（2）上设置有直线滑槽，并沿着该直线滑槽平行设置有标有各地理纬度的刻度尺（8）；

所述时间刻度圆盘（13）上标有全天的时间刻度，并通过转轴可360度旋转设置于所述赤道平面盘（2）上；所述时间刻度圆盘（13）上还配备有滑槽接块（6），该滑槽接块（6）可沿着加工在赤道平面盘（2）上的所述直线滑槽来回移动；

所述地平面盘（1）设置在时间刻度圆盘（13）之上用于承载作为测试对象的建筑模型，它的上面标有太阳方位角和高度角，并在中央位置装有棒影针（14）；所述地平面盘（1）在其边缘部与时间刻度圆盘（13）可枢轴转动地相铰接，并且在地平面盘（1）的中央与所述滑槽接块（6）之间，通过两端带万向节（4）的撑杆（3）相互联接。

2.如权利要求1所述的实验装置，其特征在于，所述赤道平面盘（2）与机箱（10）相互铰接的边缘部还配备有角度尺，并通过第一步进电机驱动丝杆和导轨的方式来调整和锁定赤道平面盘的赤纬角度。

3.如权利要求1或2所述的实验装置，其特征在于，所述时间刻度圆盘（13）的滑槽接块（6）被贯穿设置在滚珠丝杆上，并以第二步进电机（5）驱动丝杆和导轨的方式来调节和锁定地平面盘的纬度角度。

4.如权利要求1-3任意一项所述的实验装置，其特征在于，所述滑槽接块（6）上还配备有螺栓锚固指针（7），该螺栓锚固指针（7）指向所述赤道平面盘（2）上标有各地理纬度的刻度尺（8），以此方式来便于读取当前的纬度值。

5.如权利要求4所述的实验装置，其特征在于，所述机箱（10）内配备有中央控制器，该中央控制器用于根据所输入的指标，对所述第一、第二步进电机相应发出指令，以使得地平面盘（1）和赤道平面盘（2）分别自动到达所需的地理纬度和赤纬度位置。

6.如权利要求1-5任意一项所述的实验装置，其特征在于，所述实验装置还配备有光源组件，该光源组件包括平行光源（11）以及可升降和调节方位的光源支架（12）。

7.如权利要求6所述的实验装置，其特征在于，所述平行光源（11）优选为卤素聚光灯。

8.如权利要求1-6任意一项所述的实验装置，其特征在于，所述机箱（10）的底部配备有多个支撑脚支架（17），并通过这些支撑脚支架来调整水平。

9.如权利要求1-8任意一项所述的实验装置在建筑设计或者课堂教学演示等方面的用途。

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