【摘要】作为管控可建设空间范围的科学工具，基于特定日照边界条件的阳光包络面可有效协调城市高强度开发与阳光权维护之间的空间矛盾。通过梳理国外阳光包络面概念与方法衍化历程，本文辩证分析了其内涵实质与演进动力，总结其应用经验与实施途径。研究成果显示，随着相关概念实质的不断迭代，阳光权维护标准的高度地域化、求导方法的大数据化成为当前阳光包络面研究的发展趋向；合理的流程设置与职能分工是新工具纳入规划实施的必要条件。
“阳光权”意指现代城市中居民合理获取充足阳光与日照的基本权利。工业革命以来，城市建设的规模与强度前所未有。为保障阳光权，日照标准得以科学制定并成为城市开发必须满足的要求。为了提高工作效率并保障方案设计满足日照标准，相应的建筑形态控制方法不断演化。1850年代，英、法等欧洲国家尝试通过控制建筑高度、街道宽度来确保各地块的阳光获取；1930年代，格罗皮乌斯在设计柏林西门子住宅区时提出了“日照间距”的雏形，即主张依据建筑高度合理计算建筑间距，以保证建筑内日照充足。此后，为确保建筑设计方案不会侵害相邻区域的基本阳光权，间距控制理念亦成为现代规划领域的常用思路。1980年代“日照间距”概念被引入我国规划管理条例，成为控规制定地块限高、建筑控制线等用地指标的重要依据。至今，基于日照间距控制的理念，限制建筑控制线的位置与地块限高的方法在我国规划实践中仍属主流。运用上述方法，实践中会通过用地指标界定断面呈矩形的“可建设空间范围”（图1）。但现行矩形断面“可建设空间范围”的应用一方面可能在某种程度上造成城市空间和土地资源的浪费；另一方面，由于“日照间距达标”是对“日照标准达标”的简单等效，因此由日照间距简单求导出的可建设空间范围仍然存在侵害周边地块阳光权的风险，可能引发纠纷。若叠加对城市公共空间阳光权的讨论，则情况更为复杂。故现行“可建设空间范围”获取方法亟须改良，以更好地协调城市高强度开发与地块阳光权保障之间的矛盾。在此方面，国外“阳光包络面”方法与应用经验或可提供借鉴。
注：左—断面为矩形的“可建设空间范围”（轴测）；右—当前“可建设空间范围”获取方法导致的城市空间浪费（东立面）图1 矩形截面的“可建设空间范围”示意图
矩形断面可建设空间范围导致的城市空间浪费自19世纪以来就引发关注和反思。在1950年代巴塞罗那新城规划中，临街建筑通过退台处理，在确保阳光权的同时突破了原有建筑高度限制，实现土地利用强度的大幅提升；《伦敦建筑法》（1894年）、《巴黎建筑法》（1902年）在控制街道宽度和建筑高度的基础上，通过引入顶部倾斜、退台等形态规范，在实质上放宽建筑高度限制，从而在保障地块和公共空间阳光权的同时显著增加了建设空间（图2）。至此，运用日照间距实现阳光权控制的局限性得到共识；其改进方向与思路的正确性在实践中得到证明，但受制于当时的技术条件，更具普适性的、能够精确保证阳光权的可建设空间范围求导方法未能提出。
图2 《巴黎建筑法》的建筑形态控制规范
1912年，波士顿建筑师威廉·阿特金森指出，同一地块的建筑物不应被限制在同一高度，不同位置的建筑高度应依据光影规律加以推导，以便高效利用城市空间。沿此思路，1969年南加州大学太阳能工作室的拉尔夫·诺尔斯教授团队创造性地发展出“阳光包络面”（solar envelope）概念，并给出求导方法。依据诺尔斯的观点，阳光包络面指“基于特定日照标准（即日照边界条件）针对某一地块生成的一组三维控制边界，用以限制地块内建设项目的三维建设范围，从而确保特定时段内该地块建筑的阴影不会侵犯毗邻地块阳光权”（图3）。阳光包络面概念将太阳高度、方位的周期变化、建筑阴影与入射光线的对应关系纳入考量范围，克服了传统矩形截面可建设空间范围的缺陷，在理论上兼顾地块公共空间阳光权的维护和城市空间利用效率的提升。
图3 诺尔斯教授的阳光包络面示意（以洛杉矶为例）
“日照间距达标”不能简单等同于“日照标准达标”；同理，“日照时数达标”亦不等同于“阳光权达标”。鉴于地理位置与自然条件的差异，阳光在有些区域可能构成灾害，在有些地区却是稀缺资源。由此，阳光权维护的概念内涵在不同地域条件下宜作出针对性调整。这成为推动阳光包络面概念与求导方法发展的内在动力（表1）。
表1 主要研究团队及其后续研究
2.1 简单几何法——以“美国南加州大学太阳能工作室”为代表简单几何法是运用画法几何和阴影透视原理，依据日照标准日特定太阳高度角和方位角生成指定地块阳光包络面的方法。该方法可分为“描述法”（descriptive method）与“剖面角法”（profile angle method），前者由诺尔斯教授提出，后者则可理解为对前者工作步骤的简化（图4,表2）。据此，后续学者分别开发了集成于AutoCAD和三维建模软件的计算机程序，用以辅助规整地块的阳光包络面自动生成。基于此类经验，诺尔斯教授团队于2003年提出计算模型SolCAD，用以辅助城市范围内各类复杂地块的阳光包络面计算。
图4 阳光包络面生成方法工作程序
表2 基于简单几何法的阳光包络面计算方法示意
注：在实际操作中，截止时间可为夏季、冬季中的两个时间段，本表以冬季截止时间为例进行说明。作为一种时空结构，阳光包络面在空间上受到用地规模、形状、方向、地形、纬度以及周围环境等多个因素限制；在时间上则受太阳运动周期的影响。故此类阳光包络面计算方法涉及两项关键参数。其一，依据当地日照标准设置截止时间（cut-off time）确定计算时间节点，类似于我国建筑日照标准中的“有效日照时间带”。其二，依据相邻用地边界准许阳光入射的最低高度设置阴影栅栏（shadow fences），类似于我国的“日照时间计算起点”。若涉及实践应用，上述两项参数的选取需结合所在地情况严格论证。在包络面求导过程中，该方法的主要目标在于：保证周围地块在最不利情况下日照时数达标。对最不利原则的应用必然导致计算结果存在较大的冗余量，也就意味着，某些情况下空间利用效率仍可进一步提升。本质上，简单几何法是“日照时数达标”理念的衍生，因此无法避免该理念难以适用于多种地理条件的缺陷。相关推导方法随着阳光权维护概念的衍化而得到蜕变。2.2 精细几何法——以“以色列理工学院气候与能源实验室”为代表精细几何法基于对阳光能量水平和实际日照需求等多因素的考量，对简单几何法展开精细修正，实现了全年日照边界的精准获取和特定地块阳光包络面的精确计算。作为该方法的理论与实践推动者，以色列理工学院气候与能源实验室长久专注于阳光包络面几何概念完善和软件开发。理论层面，该团队将诺尔斯教授提出的传统概念定义为“阳光权利包络面”（SRE），以强调其对毗邻地块阳光权的眷注；并于1997年提出“阳光采集包络面”（SCE）概念，用以衡量地块自身阳光权的获取程度；由这两类包络面共同限定的能够同时满足地块自身和毗邻地块阳光权的三维空间则被定义为“阳光体积”（SV，图5）。
图5 不同阳光包络面的生成原理
方法层面，在麻省理工可感城市实验室研究思路的基础上，以色列团队突破了简单几何法以日照时长为考量，依据日照标准日太阳位置生成阳光包络面的思路，于2017年开发了综合考量日照时数、能量水平、实际效能等因素的精细化阳光包络面几何获取方法。此过程综合考虑全年天气数据（温度、湿度、辐射水平等）、太阳入射角度、周边环境特征及其日照需求等条件，论证了全年有效日照时间带的筛选机制，从而精准定位了各类日照边界条件（图4）。在此过程中，多因素影响下的日照边界条件精准计算问题可采用参数化方法解决。与“确保最不利日的日照时数达标”思路不同，该方法更关注“确保项目自身及其周边地块全年日光照射总能量的达标”，开始由简单的几何参数思路转向精细化的阳光能量获取思路，从而有效降低简单几何法计算结果的冗余量，扩大可建设空间范围，从而为土地利用强度的提升提供帮助（表3）。同时，鉴于其对太阳辐射总能量的重视，该方法尤其适用于夏季日照构成灾害的炎热干旱低纬地区。
表3 日照边界条件精细化对阳光包络面范围的影响
2.3 能量性能法——以“美国麻省理工学院可感城市实验室”为代表近年来，作为人工智能技术与建筑规划学科的交叉研究团队，麻省理工学院可感城市实验室基于数字高程模型（DEMs: Digital Elevation Models）的研究成果，从太阳能的全面量化评估角度再次升级了阳光权维护的概念，优化了阳光包络面的生成逻辑与计算方法。理论层面，该方法克服了传统方法难以量化实际辐射接收量的困境，从太阳能接收总量的角度定义了“等阳光权利包络面”（ISRS: iso- solar rights surfaces）和“等阳光采集包络面”（ISCS: iso- solar collection surfaces）。前者用于确保毗邻地块太阳辐射获取量；后者用于保障地块自身太阳辐射的等量采集。由此，“等阳光包络面”概念将精准反映辐射接收量与日照强度。该方法颠覆了既定太阳位置条件下简单几何法思路，全面考虑阳光直射、漫射等全部天空太阳辐射量，开发了基于特定地点辐亮度“天空模型”【天空模型（SkyModel）是将天空半球进行区域细分以辅助天空亮度、辐亮度分布等数据测算的理念模型。该概念于1987年由特雷琴扎（Tregenza）率先提出，现主要应用于太阳能监测领域。现行常用的天空模型常将天空半球细分为145个区域】的“等阳光包络面”获取方法。在数字高程模型的支持下，采用“天空模型”辐亮度数据进行能量加权计算，以构建用地范围的辐照度三维标量场，从而获取相对精准的等阳光包络面（图4）。受此启发，希腊、以色列等地学者对基于能量维度的阳光包络面生成方法进行了拓展研究。由于全面涵盖了阳光直射、天空漫射的能量效应，该方法计算结果的误差更小、适用范围更广（表4），在全年日照天数较少、雨雾天气占主导的情况下（如我国的四川、重庆等地区）独具优势。需要指出，计算结果的精度与准确度在很大程度上受支撑数据质量与人工智能算法的制约，因此具体做法有很大优化空间。
表4 米兰贸易博览会重建项目的等阳光权利包络面、等阳光采集包络面案例
3.1 有效性论证
在保障建筑物和公共空间阳光获取的前提下，阳光包络面对于城市开发强度提升的具体效能在诺尔斯教授的研究中得到确认。同时，研究成果也在一定程度上论证了阳光包络面作为中高密度城市形态管控工具的可行性。1979年起，诺尔斯教授通过长达10年的洛杉矶住区项目研究，推算了新工具在城市开发强度提升方面的贡献。实验选取了当地150余个地块作为研究对象以排除偶然性影响，同时实验步骤的设计严格遵照科学工作流程（图6）。对所有最优方案居住单元密度【居住单元密度（housing density）是指用地单位面积上的居住单元户数，常用单位为“户/英亩”（du/ac）。该指标作为居住区密度量度和评价的重要指标，被广泛应用于欧美城市规划实践中】的统计成果验证了新工具在协调阳光权与开发强度方面的有效性与适用性。得益于新工具的辅助，在充分满足洛杉矶冬季日照与自然通风的条件下，地块居住单元密度可达到80~100户/英亩甚至更高。这是美国城市平均值的14~16倍，洛杉矶现有平均值的17~20倍（表5）此外，诺尔斯教授的住区项目研究显示，在不同地形条件等因素影响下，新工具对地块开发强度的提升存在不同的限值。由此，新工具可用于估算各种环境条件下地块的最大开发强度，这将为规划初期开发强度的预判提供帮助，论证了其作为美国分区规划【在美国，分区规划（zoning plan）是一种以产权地块为基本单元，对地块用地性质、形态尺度、建设指标实行标准化分级控制的土地管制工具，对地块经济利益的保护具突出作用。在作用上类似于我国的控制性详细规划】工具的可行性。当然，鉴于其效能贡献与美国房地产市场倡导的主流生活模式存在冲突，该工具在美国的实施受限。
图6 洛杉矶住区项目的工作流程
表5 洛杉矶住区项目典型地块的阳光包络面及其贡献
注：*体形系数倒数是建筑体积与表面积之比（V/S），实质上是单位外表面积所分摊到的建筑体积。作为有关建筑能耗的表述单位，该指标被诺 尔斯教授应用于洛杉矶住区项目研究中，主要用于衡量项目被动式设计的潜力。诺尔斯团队研究发现，当V/S值＜10时，建筑耗能主要用以抵抗建筑物表面热能损失，可通过项目形态控制进行被动式太阳能设计；当V/S值＞10时，建筑耗能主要用以内部系统运行，需更多地依赖传统能源供给系统，而被动式太阳能技术已无法满足能耗需求。实践中，城市形态管控工作的多层级性、阳光包络面计算工作的高复杂性为新工具的大范围规划介入提出挑战。亦即，阳光包络面求导与应用方法需要结合规划工作流程以得到针对性的体系化开发。对此，特拉维夫实践研究能够提供一定参照。面对多层级、大规模复杂计算任务带来的超量工作负荷，科学分工被证明是解决这一问题的有效策略。在特拉维夫，由规划管理部门会同科研机构负责制定包络面执行标准，简化定位求导方法，审核执行结果；由设计部门承担每个项目具体的阳光包络面计算。具体而言，阳光包络面求导首先需要执行以色列标准协会相关条例支持的“阳光剖面线图”（solar section lines），并对城市郊区分而治之（图7）；在此基础上，细分地块的阳光包络面还需加入对人行道、地块内公共空间阳光权维护等问题的考量（表6）；最终，在建筑布局确定之后，阳光包络面求导结果能够进一步约束建筑形体。由此，合理分工有效提升了工作效率和成果质量，使阳光包络面工具在规划中的介入具备了可操作性。
图7 特拉维夫阳光剖面线图
表6 特拉维夫细分地块阳光包络面的部分执行标准
注：当地街道宽度常为12m或20m，此处以12m为例
4.1 内涵实质
在土地集约利用背景下，由限高、建筑控制红线划定矩形断面“可建设空间范围”的方法已经开始限制城市开发强度的提升空间，同时也因其过度简化的特征而受到建设质量、地块经济性等因素的挑战。阳光包络面突破了常规思路与方法的局限，能够更好地兼顾城市高强度开发与阳光权维护问题。在理论上，该概念支撑的不规则断面“可建设空间范围”在确保精准阳光权维护的同时，可有效减少现有工具求导结果的冗余量，从而辅助城市开发强度的提升。相较于传统方法，该工具能够从地块自身和毗邻区域的阳光权维护出发，基于日照边界条件获取地块可建设空间的最大体积，从而在遵循阳光韵律的同时最大化获取城市空间使用资源。在实践中，该工具颠覆了建筑日照间距的简单思想，从简单等效到精确控制，在一定程度上缓解了因兼顾地块经济性、地权平等原则所致的地块退界、建筑退线要求与日照间距的矛盾，从而减少了利益侵犯和维权摩擦。自问世至今，阳光包络面概念与方法的演进中不断纳入更多因素，从而实现准确性与精确化等方面的持续迭代。其中，简单几何法着重对阳光辐射“量”的考量；精细几何法开始将阳光辐射的“质”（即优劣程度）纳入考量范畴；随着能量性能法的开发，计算方法越来越多地从单纯的几何问题向能量获取与能量平衡问题转化，以适应地形与城市环境的复杂性，有效降低计算结果冗余，扩大可建设空间范围。当前，为了更好地适应精细化城市管理的发展需求，阳光权维护标准地域化、求导方法大数据化成为相关研究的重要趋势。一方面，兼顾多方因素的阳光包络面标准宜精确匹配地域条件，实现高度因地制宜，直至“一城一策”；另一方面，基于气候大数据分析，阳光包络面求导已经从对特定时段阳光获取条件的保障，发展为对常年全时段日照质量的保障，由此其工具开发具备了高度精准化、定制化的可能。其中，参数化方法对复杂阳光包络面求导的可行性与优越性已得到论证，我国学者也已运用相关技术探讨了“城市界面太阳能采集的定量化评估”、“日照标准约束下地块最大包络体的生成与最大容积率估算”等问题。本质上，阳光包络面求导是一个降低和利用传统规划工具所致可建设空间冗余的过程，是定制化思维导向下对城市空间的精细化利用。故其标准制定、求导计算、审核评估等各个环节均需高度因地制宜，这样，该工具才能在更好地促成城市开发与阳光权维护目标的同时实现与彼此平衡。因此，阳光包络面的成功介入需要上述环节在规划流程中的全面纳入。此外，科学的职能分工将有力提升实施效率、降低实施难度，从而确保复杂工作流程的顺利运行。总体而言，科研机构负责根据各地地域条件制定地方性阳光包络面计算标准与技术规程；规划主管部门主要负责地方性标准的颁布、监管与项目审核；勘察设计单位负责依据既定规则进行具体项目的阳光包络面范围求导。该思路与我国当前住宅建筑日照标准的实施思路大体相符，但更突出精细化与定制化要求。
作者：刘姝宇，博士，厦门大学建筑与土木工程学院，副教授。liu_shuyu@msn.com沈小洁，厦门大学建筑与土木工程学院，硕士研究生。shenxj@stu.xmu.edu.cn宋代风（通信作者），博士，厦门大学建筑与土木工程学院，副教授。songdf22@163.com
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