Schaduwsimulaties zijn een essentieel hulpmiddel bij het ontwerpen van efficiënte gebouwen. Dit is de enige manier om de positieve en negatieve effecten van invallend zonlicht op een gebouw in voldoende detail te onderzoeken en zo een veel duidelijker antwoord te geven op vragen over dimensionering. Met de zonweringberekening op basis van Revit gebouwmodellen biedt LINEAR zijn gebruikers opnieuw een interessante mogelijkheid om nauwkeuriger berekeningen uit te voeren en tegelijkertijd productiever te worden.
Inleiding
Om rekening te houden met alle factoren in een dynamische simulatie, is het absoluut noodzakelijk dat de ruimte-omhullende componenten worden verantwoord met hun juiste oriëntatie en materiaaleigenschappen in overeenstemming met de normen. Deze stap wordt nu grotendeels uitgevoerd door automatische herkenningsalgoritmen direct vanuit het gebouwmodel, zodat in het ideale geval de resultaten alleen nog maar hoeven te worden beoordeeld. Aan de andere kant vereist de juiste berekening van de warmteopbrengst van transparante componenten de bepaling van glasoppervlakken en schaduwvlakken om de invloed van zelfbeschaduwing en externe beschaduwing te evalueren. In tegenstelling tot de omhullende oppervlakken zijn de schaduwelementen niet direct gerelateerd aan de beschouwde kamervolumes. Het moet al bekend zijn in welke mate een ondoorzichtig element een ander transparant element kan beschaduwen om te beslissen of het als schaduwbron in de berekening moet worden opgenomen.
Het vooraf bepalen van de relevante schaduwbronnen is niet altijd mogelijk voor elke toepassing. Als je de wenselijke vereisten voor een gedetailleerde schaduwberekening samenvat, is naast een correcte bepaling van de kozijnverhouding ook de inherente beschaduwing door luifels, atriums, binnenkoeren of de verschuiving van het gebouw vereist. Afhankelijk van het project kan het echter ook de moeite waard zijn om rekening te houden met externe schaduwbronnen, zoals naburige gebouwen, topografie of begroeiing. Voor een voldoende nauwkeurige analyse is het eerst nodig om te bepalen welke modeloppervlakken relevant zijn voor een schaduwberekening. Dit kan puur semantisch gedaan worden door bepaalde modelinhoud of -materialen uit te sluiten of geometrisch met behulp van geometrische heuristieken (bijv. positie, afmetingen).
In de praktijk worden verschillende vereenvoudigingen gemaakt om interne en regelbare beschaduwing te kunnen modelleren (bijv. gordijnen of jaloezieën). Voor vaste of externe schaduwinvloeden worden vaak combinaties van semantische en geometrische filtering gebruikt naast handmatige modellering. De definitie van geschikte geometrische drempelwaarden (bijv. zoekstralen, minimale oppervlakken) moet gebaseerd zijn op empirische waarden met behulp van het simulatiedoel voor de gegeven bouwkundige situatie. Het gevaar is dat te veel of te weinig gebieden als schaduwelementen in de berekening worden opgenomen. Terwijl in het eerste geval de doorlooptijd van de berekening verloren gaat, kan het tweede geval leiden tot een grove foutieve inschatting van de zonnestraling. Sommige simulatietools zijn daarom gebaseerd op methoden waarbij geen geometrische drempelwaarden hoeven te worden ingesteld. In deze aanpak worden lichtstralen door het model getraceerd vanuit de richting van de zon, waardoor een nauwkeurige bepaling van schaduweffecten mogelijk wordt. De schaduwelementen ontstaan automatisch door de onderbreking van de lichtbanen.
Nieuwe functie: Schaduwberekening
De benadering die in dit artikel wordt gepresenteerd is gebaseerd op zogenaamde ray tracing methoden. In plaats van alleen maar schaduwelementen te identificeren en deze door te geven voor berekening, worden de schaduwcurven direct binnen het gebouwmodel voorgerekend. Deze ontkoppeling van de puur geometrische componenten van ons rekenproces heeft het voordeel dat complexe geometrische berekeningen GPU-versneld en vooraf uitgevoerd kunnen worden. Tijdens het parametriseren van een dynamische simulatie kunnen deze schaduwcurven herhaaldelijk worden opgevraagd en direct worden gebruikt. Een herberekening is alleen nodig als het architectuurmodel verandert en semantische filtering kan worden toegepast via de instellingen van de huidige weergave.
Een belangrijk aspect van deze aanpak is vertrouwen. Vooral bij dynamische simulaties kunnen individuele effecten vaak alleen kwalitatief worden gevalideerd door de overlay van meerdere invoervariabelen of door het gebruik van specifieke testscenario's. Als het gaat om schaduwberekeningen voor gebouwcomponenten, hebben we te maken met complexe berekeningen, maar de resultaten kunnen eenvoudig worden geverifieerd. Om dit te vergemakkelijken introduceren we in versie 25 de nieuwe toepassing "Schaduwberekening" als onderdeel van de LINEAR oplossingen voor Revit.
De berekeningsperiode kan optioneel worden beperkt tot de relevante ontwerpdagen volgens VDI 2078 in plaats van een heel jaar te beslaan. Als er onaannemelijkheden worden gedetecteerd (bijv. door een verkeerd ingestelde projectlocatie of onjuiste positionering/oriëntatie van componenten), kan de inhoud van het model direct worden gecorrigeerd en kan de schaduwdataset voor het model opnieuw worden berekend.
De interface van het diagnosehulpmiddel is ontworpen zoals een audiobewerkingssoftware. Met een zoekfunctie kunnen gebruikers representatieve vensters selecteren voor plausibiliteitscontroles nadat de berekening is voltooid. Voor alle berekende tijdstippen kunnen de schaduwcurven van deze voorbeeldsituaties worden geanalyseerd en vergeleken met de in Revit geïntegreerde visuele weergave. Om dit te doen moeten het zonpad en de schaduwwerking worden geactiveerd in de werkweergave.
Zodra de kwaliteit van de berekende resultaten is gecontroleerd, kunnen de gegevens worden overgedragen naar LINEAR Building. Hiervoor worden de schaduwcurven voor alle ramen opgeslagen in een bestand met de extensie EAC en gebruikt in de raamconfiguratie van de dynamische koellast als externe dempingscoëfficiënt (EAC).
Door de EAC-dataset te verwisselen en opnieuw te berekenen, kunnen meerdere vooraf berekende varianten eenvoudig worden vergeleken.
Validatie
Naast visuele inspectie valideren we de resultaten ook aan de hand van onafhankelijke richtlijnen. Hiervoor gebruiken we schaduwtestcases zoals TF09 van het SimQuality-project, dat als doel heeft de kwaliteitsborging en standaardisatie van simulatiemethoden te verbeteren. De onderliggende voorbeelden onderzoeken vaste stralingsobstakels, zoals externe obstakels, overstekken en zijvinnen, of combinaties van meerdere effecten met een enkel raam als referentie.
Deze validatiegevallen hebben betrekking op vereenvoudigde gebouwgeometrieën waarbij vaste stralingsobstakels worden gemodelleerd en berekend met behulp van meerdere simulatieomgevingen voor een referentiedag op de locatie in Potsdam. Deze geometrieën werden nauwkeurig hermodelleerd in Revit voor validatiedoeleinden en berekend met de rekenkern van de nieuwe schaduwberekeningsworkflow, volledig geïntegreerd in het model. In alle gevallen werd een zeer hoge mate van consistentie bereikt met betrekking tot zonposities en zonlicht- en schaduwfactoren. Als voorbeeld toont afbeelding 5 de consistentie van de schaduwfactoren voor testcase 9.3 (overstek en zijvinnen).
Prestaties
Naast de betrouwbaarheid van de resultaten is een cruciaal aspect van complexe dynamische berekeningen de benodigde rekentijd om het gewenste resultaat te bereiken en de benodigde hardwarebronnen. De grafische versnelling is geoptimaliseerd om te voldoen aan de prestatievereisten van Autodesk Revit. In dit voorbeeld, waarin we verschillende gebouwgroottes en -instellingen analyseren, gebruiken we een standaard CAD-werkstation dat is uitgerust met een Intel Core i7-14700K (3,4 GHz), 64 GB RAM en een NVIDIA GeForce RTX 4060.
Het kleinere model, dat "Kantoor S" wordt genoemd, stelt een typisch kantoorgebouw voor met een netto vloeroppervlak van 1.820 m², met 82 buitenramen en glazen gevels op de begane grond. Het gebouw heeft een overstek op de bovenste verdiepingen van de zuidgevel en volgt verder een rechthoekige plattegrond. De berekening voor de ontwerpdagen is binnen enkele seconden voltooid, terwijl de berekening voor het hele jaar ongeveer een minuut in beslag neemt.
Het middelste model (aangeduid als "School") is een schoolgebouw met een aangrenzende gymzaal. Het heeft een netto vloeroppervlak van 6.980 m², met 217 buitenramen, een grote glazen koepel en glazen gevels in de foyer. De gevel van het L-vormige hoofdgebouw heeft verschillende overstekken. Voor dit model liggen de doorlooptijden in een vergelijkbare range als die van het voorbeeld "Kantoor S". Ondanks een aanzienlijk groter vloeroppervlak kan de relatief korte doorlooptijd worden verklaard door een lager niveau van geometrische modelontwikkeling.
Het grootste model dat hier wordt bekeken (aangeduid als "Kantoor L") is een kantoorgebouw met een netto vloeroppervlak van ongeveer 11.000 m², verdeeld over drie vleugels met een hoge mate van zelfbeschaduwing op de binnengevels van elke vleugel. Het gebouwmodel wordt geleverd als een IFC-link. Op de locatie van het gebouw worden de buitengevels beschaduwd door omliggende gebouwen, die kunnen worden gemodelleerd met solids. Voor deze benchmark zijn extra omringende geometrieën weggelaten, omdat ze slechts marginale veranderingen in de rekentijden zouden veroorzaken. Dit voorbeeld laat zien dat het extraheren van de geometrie van het model ongeveer zes minuten verwerkingstijd vergt, waardoor het aanzienlijk veeleisender is. Dit komt zowel door het hoge niveau van geometrische details als door de onderliggende IFC-gebaseerde modellering, die meer rekeninspanning vereist in vergelijking met Revit-native architecturen. De berekening van de ontwerpdagen blijft echter binnen een praktisch bereik van iets minder dan zeven minuten, zelfs in deze configuratie. Berekeningen voor een heel jaar kunnen indien nodig gemakkelijk tijdens een lunchpauze worden uitgevoerd.
Conclusie
De nieuwe modelgeïntegreerde LINEAR schaduwberekening levert snelle en betrouwbare schaduwresultaten voor dynamische berekeningsmethoden met gebruik van hardwareversnelde berekeningen. Het basisprincipe is: "Wat je ziet is wat je krijgt!". Dit betekent dat de specificatie van de te beschouwen modelinhoud wordt bepaald door een modelfilter, die rechtstreeks in Revit kan worden ingesteld - per categorie of zelfs op elementniveau. Als je wilt dat een element wordt meegenomen in de berekening, hoef je het alleen maar zichtbaar te maken in de relevante view. Voor aangrenzende constructies zoals gebouwen of bruggen kun je vereenvoudigde conceptuele solids maken of importen uit geografische informatiesystemen gebruiken (bijvoorbeeld via Autodesk Forma). De resultaten kunnen vervolgens eenvoudig worden gecontroleerd op plausibiliteit en, eenmaal gevalideerd, naadloos worden geïntegreerd in uw dynamische koellastberekening. Mis deze krachtige nieuwe functie niet!
Referenties
SimQuality test case beschrijving: Klik hier om naar de Duitse test case beschrijving te gaan.