Symulacje zacienienia są niezbędnym narzędziem przy projektowaniu wydajnych budynków. Jest to jedyny sposób na wystarczająco szczegółowe zbadanie pozytywnych i negatywnych skutków padania światła słonecznego na budynek, a tym samym zapewnienie znacznie jaśniejszej odpowiedzi na pytania dotyczące wymiarowania. Dzięki obliczeniom zacienienia opartym na modelach budynków Revit, LINEAR po raz kolejny oferuje swoim użytkownikom interesującą możliwość wykonywania dokładniejszych obliczeń, a jednocześnie zwiększenia produktywności.
Wprowadzenie
Aby uwzględnić wszystkie czynniki w symulacji dynamicznej, absolutnie konieczne jest uwzględnienie komponentów otaczających pomieszczenie z ich prawidłową orientacją i charakterystyką materiałową zgodnie z normami. Ten etap pracy jest obecnie w dużej mierze wykonywany przez algorytmy automatycznego rozpoznawania bezpośrednio z modelu budynku, więc w idealnym przypadku wyniki wymagają jedynie przeglądu. Z drugiej strony, prawidłowe obliczenie uzysku ciepła z elementów przezroczystych wymaga określenia powierzchni szklanych i obszarów zacienienia w celu oceny wpływu zacienienia własnego i zewnętrznego. W przeciwieństwie do powierzchni otaczających, elementy zacieniające nie są bezpośrednio związane z rozpatrywaną kubaturą pomieszczenia. Musi być już wiadomo, w jakim stopniu nieprzezroczysty element może zacieniać inny przezroczysty element, aby zdecydować, czy uwzględnić go jako źródło cienia w obliczeniach.
Wcześniejsze określenie odpowiednich źródeł cienia nie zawsze jest możliwe w przypadku każdego zastosowania. Jeśli podsumować pożądane wymagania dotyczące szczegółowych obliczeń zacienienia, oprócz prawidłowego określenia proporcji ramy, wymagane jest nieodłączne zacienienie przez ościeża, atria, wewnętrzne dziedzińce lub przesunięcie budynku. Jednakże, w zależności od projektu, warto również wziąć pod uwagę zewnętrzne źródła zacienienia, takie jak sąsiednie budynki, topografia lub roślinność. Aby uzyskać wystarczająco dokładną analizę, należy najpierw określić, które powierzchnie modelu są istotne dla obliczeń zacienienia. Można to zrobić albo czysto semantycznie, wykluczając pewną zawartość modelu lub materiały, albo geometrycznie, stosując heurystykę geometryczną (np. położenie, wymiary).
W praktyce dokonuje się różnych uproszczeń, aby móc modelować wewnętrzne i kontrolowane zacienienie (np. zasłony lub żaluzje weneckie). W przypadku stałego lub zewnętrznego zacienienia, oprócz ręcznego modelowania, często stosuje się kombinacje filtrowania semantycznego i geometrycznego. Definicja odpowiednich geometrycznych wartości progowych (np. promienie wyszukiwania, minimalne obszary) musi opierać się na wartościach empirycznych przy użyciu celu symulacji dla danej sytuacji strukturalnej. Niebezpieczeństwo polega na tym, że zbyt wiele lub zbyt mało obszarów zostanie uwzględnionych w obliczeniach jako elementy zacieniające. Podczas gdy pierwszy przypadek pociąga za sobą straty w czasie wykonywania obliczeń, drugi przypadek może prowadzić do rażąco błędnej oceny danych wejściowych promieniowania słonecznego. Niektóre narzędzia symulacyjne opierają się zatem na metodach, które nie wymagają ustawiania geometrycznych wartości progowych. W tym podejściu promienie świetlne są śledzone przez model z kierunku słońca, co pozwala na dokładne określenie efektów zacienienia. Elementy zacieniające powstają automatycznie w wyniku przerwania ścieżek światła.
Nowa funkcja: Obliczanie cieniowania
Podejście przedstawione w tym artykule opiera się na tak zwanych metodach śledzenia promieni. Zamiast jedynie identyfikować elementy cieniowania i przekazywać je do obliczeń, krzywe cieniowania są wstępnie obliczane bezpośrednio w modelu budynku. To oddzielenie czysto geometrycznych komponentów naszego procesu obliczeniowego ma tę zaletę, że złożone obliczenia geometryczne mogą być akcelerowane przez GPU i wykonywane z wyprzedzeniem. Podczas parametryzacji dynamicznej symulacji, te krzywe cieniowania mogą być wielokrotnie dostępne i używane bezpośrednio. Ponowne obliczenia są konieczne tylko wtedy, gdy zmienia się model architektoniczny, a filtrowanie semantyczne można zastosować za pomocą ustawień bieżącego widoku.
Kluczowym aspektem tego podejścia jest zaufanie. Zwłaszcza w symulacjach dynamicznych poszczególne efekty mogą być często weryfikowane jedynie jakościowo ze względu na nakładanie się wielu zmiennych wejściowych lub poprzez zastosowanie określonych scenariuszy testowych. Jeśli chodzi o obliczenia zacienienia elementów budynku, mamy do czynienia ze złożonymi obliczeniami, ale ich wyniki można łatwo zweryfikować. Aby to ułatwić, wprowadzimy nową aplikację "Shading Calculation" jako część rozwiązań LINEAR dla Revit w wersji 25.
Okres obliczeniowy może być opcjonalnie ograniczony do odpowiednich dni projektowych zgodnie z VDI 2078, zamiast obejmować cały rok. W przypadku wykrycia nieprawidłowości (np. z powodu nieprawidłowo ustawionej lokalizacji projektu lub nieprawidłowego położenia/orientacji komponentów), zawartość modelu może zostać skorygowana bezpośrednio, a zestaw danych zacienienia dla modelu może zostać ponownie obliczony.
Interfejs narzędzia diagnostycznego został zaprojektowany podobnie do oprogramowania do edycji dźwięku. Narzędzie wyszukiwania pozwala użytkownikom wybrać reprezentatywne okna do sprawdzenia wiarygodności po zakończeniu obliczeń. Dla wszystkich obliczonych punktów czasowych, krzywe zacienienia tych przykładowych sytuacji mogą być analizowane i porównywane z wizualną reprezentacją zintegrowaną z Revit. Aby to zrobić, ścieżka słońca i rzucanie cienia muszą być aktywowane w widoku roboczym.
Po zweryfikowaniu jakości obliczonych wyników dane można przenieść do programu LINEAR Building. W tym celu krzywe zacienienia dla wszystkich okien są zapisywane w pliku z rozszerzeniem EAC i są używane w konfiguracji okna dynamicznego obciążenia chłodniczego jako zewnętrzny współczynnik tłumienia (EAC).
Zamieniając zestaw danych EAC i ponownie obliczając, można łatwo porównać wiele wstępnie obliczonych wariantów.
Walidacja
Oprócz kontroli wizualnej, walidujemy również wyniki przy użyciu niezależnych wytycznych. W tym celu wykorzystujemy przypadki testowe zacienienia, takie jak TF09 z projektu SimQuality, który ma na celu poprawę jakości i standaryzację metod symulacji. Podstawowe przykłady badają stałe przeszkody radiacyjne, takie jak przeszkody zewnętrzne, zwisy i żebra boczne, lub kombinacje wielu efektów przy użyciu pojedynczego okna jako odniesienia.
Te przypadki walidacji obejmują uproszczone geometrie budynków, w których stałe przeszkody radiacyjne są modelowane i obliczane przy użyciu wielu środowisk symulacyjnych dla dnia referencyjnego w lokalizacji w Poczdamie. Geometrie te zostały precyzyjnie przemodelowane w programie Revit do celów walidacji i obliczone przy użyciu rdzenia obliczeniowego nowego przepływu pracy Shading Calculation, w pełni zintegrowanego z modelem. We wszystkich przypadkach osiągnięto bardzo wysoki poziom spójności w odniesieniu do pozycji słońca, a także współczynników nasłonecznienia i zacienienia. Jako przykład, rysunek 5 ilustruje spójność współczynników zacienienia dla przypadku testowego 9.3 (zwis i żebra boczne).
Wydajność
Oprócz wiarygodności wyników, kluczowym aspektem złożonych obliczeń dynamicznych jest wymagany czas obliczeń, aby osiągnąć pożądany wynik i potrzebne zasoby sprzętowe. Akceleracja graficzna jest zoptymalizowana pod kątem wymagań wydajnościowych Autodesk Revit. W tym przykładzie, w którym analizujemy różne rozmiary budynków i ustawienia, używamy standardowej stacji roboczej CAD wyposażonej w procesor Intel Core i7-14700K (3,4 GHz), 64 GB pamięci RAM i kartę graficzną NVIDIA GeForce RTX 4060.
Mniejszy model, określany jako "Office S", reprezentuje typowy budynek biurowy o powierzchni netto 1820 m², z 82 oknami zewnętrznymi i szklanymi fasadami na parterze. Budynek ma zwis na wyższych piętrach południowej fasady, a poza tym ma prostokątny plan piętra. Obliczenia dla dni projektowych są wykonywane w ciągu kilku sekund, podczas gdy obliczenia dla całego roku trwają około minuty.
Model średni (zwany "Szkołą") to budynek szkolny z dołączoną salą gimnastyczną. Jego powierzchnia netto wynosi 6 980 m², z 217 oknami zewnętrznymi, dużą szklaną kopułą i szklanymi fasadami w holu. Fasada głównego budynku w kształcie litery L ma kilka nawisów. W przypadku tego modelu czasy działania mieszczą się w podobnym zakresie, jak w przykładzie "Office S". Pomimo znacznie większej powierzchni podłogi, stosunkowo krótki czas działania można wytłumaczyć zmniejszonym poziomem rozwoju modelu geometrycznego.
Największy rozważany tutaj model (określany jako "Office L") to budynek biurowy o powierzchni netto około 11 000 m², rozmieszczony w trzech skrzydłach, które mają wysoki stopień samozacienienia na wewnętrznych fasadach każdego skrzydła. Model budynku jest dostarczany jako łącze IFC. W lokalizacji budynku elewacje zewnętrzne są zacienione przez otaczające budynki, które można modelować za pomocą brył. Na potrzeby tego testu porównawczego pominięto dodatkowe otaczające geometrie, ponieważ spowodowałyby one jedynie marginalne zmiany w czasie obliczeń. Ten przykład pokazuje, że wyodrębnienie geometrii modelu wymaga około sześciu minut czasu przetwarzania, co czyni go znacznie bardziej wymagającym. Wynika to zarówno z wysokiego poziomu szczegółowości geometrycznej, jak i modelowania opartego na IFC, które wymaga większego wysiłku obliczeniowego w porównaniu z natywnymi architekturami Revit. Obliczenia dni projektowych pozostają jednak w praktycznym zakresie, wynoszącym nieco poniżej siedmiu minut, nawet w tej konfiguracji. W razie potrzeby obliczenia dla całego roku można wygodnie wykonać podczas przerwy na lunch.
Podsumowanie
Nowe, zintegrowane z modelem obliczenia zacienienia LINEAR zapewniają szybkie i wiarygodne wyniki zacienienia dla dynamicznych metod obliczeniowych wykorzystujących akcelerację sprzętową. Zasada przewodnia brzmi: "To, co widzisz, jest tym, co otrzymujesz!". Oznacza to, że specyfikacja zawartości modelu do uwzględnienia jest określana przez filtr modelu, który można ustawić bezpośrednio w programie Revit - według kategorii lub nawet na poziomie elementu. Jeśli element ma zostać uwzględniony w obliczeniach, wystarczy uczynić go widocznym w odpowiednim widoku. W przypadku sąsiednich konstrukcji, takich jak budynki lub mosty, można tworzyć uproszczone bryły koncepcyjne lub korzystać z importu z systemów informacji geograficznej (np. za pośrednictwem Autodesk Forma). Wyniki można następnie łatwo sprawdzić pod kątem wiarygodności, a po zatwierdzeniu płynnie zintegrować z obliczeniami dynamicznego obciążenia chłodniczego. Nie przegap tej potężnej nowej funkcji!
Referencje
Opis przypadku testowego SimQuality: Kliknij tutaj, aby przejść do niemieckiego opisu przypadku testowego.