Symulacje komputerowe są obecne we wszelkich dziedzinach inżynieryjnych, pozwalają na odtworzenie w warunkach cyfrowych modelu rzeczywistych zjawisk. Aeronautyka wykorzystuje symulacje w tunelach aerodynamicznych do sprawdzania wytrzymałości oraz zachowań samolotów, fizycy tworzą zaawansowane modele matematyczne, by symulować zachowania czarnej dziury, natomiast konstruktorzy stosując symulacje, sprawdzają wytrzymałość projektowanej konstrukcji. Dzięki rozwojowi komputerów osobistych wcześniej niezwykle czasochłonne obliczenia, dziś są możliwe do przeprowadzenia bez dostępu do superkomputerów.
Również w dziedzinie architektury symulacje zagościły jako narzędzia pozwalające na porównanie alternatywnych rozwiązań pod względem ich wpływu na użytkowników oraz środowisko. Dzięki wykorzystaniu modeli trójwymiarowych możliwe jest przewidzenie wpływu takich czynników, jak światło dzienne, wiatr czy hałas, na funkcjonowanie przyszłych użytkowników przestrzeni, zarówno w skali budynku, jak i w skali miasta.
symulacje światła dziennego
Człowiek spędza przeciętnie ponad 90 procent czasu w budynkach — mieszkając, pracując, ucząc się czy też robiąc zakupy. W tym czasie jest narażony na negatywne skutki aranżacji przestrzeni na jego zdrowie wiążące się z zaburzeniem zegara biologicznego. Najczęściej problem tkwi w złej jakości i ilości światła. Z raportu opublikowanego przez World Green Building Council wynika, że pracownicy, którym zapewniono dostęp do naturalnego światła, są o 18 procent bardziej produktywni oraz wykazują większy komfort pracy. Dlatego symulacje dotyczące słońca stanowią najszerszą grupę narzędzi. Możliwe jest symulowanie zarówno wpływu światła dziennego, jak i sztucznego na funkcjonowanie użytkownika. Najprostszym typem symulacji związanych ze światłem dziennym są symulacje nasłonecznienia. Dzięki wykorzystaniu wektorów padania światła naturalnego dla danego dnia lub okresu możliwe jest obliczenie na przykład nasłonecznienia określonego w polskim ustawodawstwie oraz obliczenie średniej wartości nasłonecznienia dla przestrzeni publicznych, co z kolei umożliwia podjęcie decyzji dotyczących zagospodarowania przestrzeni. Obliczenie nasłonecznienia z wykorzystaniem symulacji pozwala na szybką ocenę spełnienia warunków oraz eliminuje ewentualne błędy wynikające z zastosowania metody linijki słońca.
Istnieją również metody oceny światła dziennego we wnętrzach, które możliwe są do wykonania tylko poprzez zastosowanie symulacji, obliczające model złożony z geometrii oraz zastosowanych materiałów wykończeniowych. Do tej grupy symulacji możemy zaliczyć Daylight Factor, Daylight Autonomy oraz Glare Analysis.
ośrodek szkoleniowo-naukowy Okręgowej Izby Lekarskiej w Gdańsku: analiza Solar Glare
© Designbotic
Popularną oceną warunków oświetleniowych we wnętrzach budynków jest wskaźnik Daylight Factor, który określa stosunek zewnętrznego natężenia światła dziennego do światła wpadającego do wnętrza budynku. W obliczeniach Daylight Factor, w odróżnieniu od czasu nasłonecznienia, wykorzystuje się model nieba, który pomaga w obliczeniu zbliżonych do rzeczywistych warunków środowiskowych. Daylight Factor dotyczy komfortu wizualnego użytkowników i z tego powodu jest obliczany na wysokości płaszczyzny roboczej, na przykład biurka. W ostatnich latach widoczny jest znaczący rozwój symulacji w dziedzinach, których celem jest poprawa zdrowia oraz komfortu przyszłych użytkowników, dlatego też wskaźnik Daylight Factor jest uwzględniony jako kryterium oceny w certyfikacji budynków BREEAM oraz niedawno ogłoszonej przez Polskie Stowarzyszenie Budownictwa Ekologicznego certyfikacji Zielony Dom. Przeprowadzenie symulacji we wczesnej fazie koncepcji oraz jej dalsza weryfikacja zwiększa szanse na zdobycie wysokiej oceny w procesie certyfikacji budynku.
Innym typem oceny światła dziennego we wnętrzu budynku są symulacje dynamiczne światła dziennego, które w odróżnieniu od statycznych (Daylight Factor) oprócz geometrii budynku i materiałów wykończeniowych, wykorzystują takie dane, jak całoroczny model nieba zbudowany na podstawie pomiarów stacji meteorologicznych, oraz uwzględniają godziny, w których pomieszczenia są użytkowane. Ze względu na wysoką dokładność pomiaru oraz złożoność, symulacje dynamiczne stają się coraz popularniejszą metodą oceny warunków związanych ze światłem dziennym. W certyfikacji BREEAM, LEED oraz WELL, stosowane są dwie metody oceny warunków: Spatial Daylight Autonomy (sDA) oraz Annual Sunlight Exposure (ASE). Pierwsza z metryk sDA wskazuje, jaka część powierzchni w danym budynku spełnia warunek minimum 50 procent czasu pracy użytkowników w warunkach zapewniających natężenie światła dziennego na poziomie 300 luksów. Z kolei ASE, podobnie jak wcześniej opisany sDA, bada natężenie światła w pomieszczeniu, jednak pozwala na przewidzenie negatywnego wpływu światła na użytkownika. Dzięki symulacji oraz metryce ASE, możemy wskazać procentowy udział powierzchni badanych pomieszczeń, dla których występuje natężenie światła powyżej 1000 luksów dla minimum 250 godzin w roku. Dzięki tym dwóm metrykom oraz zastosowaniu dynamicznych symulacji, jesteśmy w stanie zarówno zapewnić minimalny poziom światła niezbędny do komfortowej pracy, jak i chronić użytkowników przed jego negatywnym skutkiem związanym ze zbyt dużą intensywnością.
symulacja ASE służąca porównaniu jakości naturalnego oświetlenia dla dwóch rodzajów fasad
© Designbotic
Symulacje obliczające wskaźniki sDA oraz ASE pozwalają na podjęcie odpowiednich decyzji projektowych mających na celu zapewnienie najlepszego komfortu użytkowników. Należy jednak zauważyć, że stanowią one pewnego rodzaju uproszczenie, nie weryfikując, które faktycznie przestrzenie będą wykorzystywane przez użytkowników, ani w jaki sposób będą oni usytuowani. Symulacje Glare Analysis pozwalają na obliczenie luminancji, czyli natężenia światła padającego bezpośrednio w stronę kąta widzenia użytkownika. W obliczeniach wykorzystuje się zarówno odpowiedni model nieba, geometrię budynku, aranżację pomieszczenia, wartości odbicia światła stosowanych materiałów oraz urządzeń, jak i dokładną lokalizację pracy użytkowników. Dla każdego z przyszłych użytkowników przestrzeni badana jest możliwość wystąpienia olśnienia — niepożądanego stanu procesu widzenia, który obniża komfort pracy i może powodować złe samopoczucie.
tunelowe symulacje wiatru oraz ruchów mas powietrza
Najbardziej zaawansowanym obliczeniowo typem symulacji w dziedzinie architektury są symulacje związane z mechaniką płynów (Computational Fluid Dynamics, CFD). Służą one inżynierom w analizach dotyczących przepływu cząstek, symulując ich zachowanie w cyfrowym środowisku. W szeroko pojętej dziedzinie inżynierii stosowane są do projektowania turbin, silników oraz geometrii samolotów i pojazdów. Symulacje są niezwykle zaawansowane, ponieważ odtwarzają skomplikowane środowisko, uwzględniając ciśnienie, temperaturę, gęstości oraz przepływ cząstek, natomiast w dziedzinie architektury, dodatkowo wymagają modelu otoczenia o dużym zakresie (szacunkowo w promieniu 300 metrów).
symulacja oddziaływania wiatru na wieżowiec The Shard w Londynie
© Designbotic
Symulację tworzy się oddzielnie dla każdego z kierunków wiatru, uwzględniając jego prędkość dla danej lokalizacji. Dzięki wynikom obliczeń, możliwe jest zbadanie w cyfrowym środowisku takich aspektów, jak wpływ wiatru na konstrukcję budynku, rozprzestrzenianie zanieczyszczeń czy prędkość wiatru na poziomie pieszych.
Analizy wiatru należą do symulacji, które są wykonywane najrzadziej ze względu na ich skomplikowanie oraz brak wymogu wykonania obliczeń przez regulacje krajowe czy też certyfikację budynków. Jednak ta sytuacja może się niedługo zmienić. W 2011 roku w mieście Leeds w wyniku dużej prędkości wiatru, która dodatkowo została zwielokrotniona przez bryłę studwunastometrowego budynku Bridgewater Place, doszło do śmiertelnej tragedii. Wiatr wiejący z ogromną prędkością przewrócił ciężarówkę na pieszego — był to jeden z dwudziestu pięciu wypadków w tej okolicy wynikających z geometrii oraz lokalizacji budynku. W związku z tym wypadkiem w 2019 roku w Wielkiej Brytanii wprowadzono dokument Wind Microclimate Guidelines, który zawiera informacje, w jaki sposób należy przygotować dokumentację dotyczącą wpływu wiatru na pieszych, wymaganą między innymi dla szpitali oraz budynków powyżej 25 metrów wysokości.
analiza Wind Pedestrian Comfort
© Designbotic
Jedną z metod przewidzenia wpływu wiatru na pieszych jest symulacja Wind Pedestrian Comfort, która polega na obliczeniu średniej prędkości wiatru dla danej lokalizacji oraz porównaniu jej z City Lawson Criteria, która określa prędkość jako pozwalającą na siedzenie, okazjonalne siedzenie, stanie, chodzenie lub określa warunki jako niekomfortowe. Symulacja może pomóc w podjęciu decyzji zarówno o formie budynku, lokalizacji wejść do budynku, zagospodarowaniu terenu, jak i przebiegu ścieżek rowerowych.
analizy promieniowania słonecznego
W dziedzinie budownictwa istotną rolę w kształtowaniu formy odgrywa analiza promieniowania słonecznego. Zastosowanie symulacji promieniowania umożliwia określenie zasobów energii słonecznej budynku, które pozwalają na oszczędności w utrzymaniu obiektu poprzez pasywne zyski energii. Dzięki wykorzystaniu danych meteorologicznych dla danej lokalizacji oraz modelu trójwymiarowego budynku oraz jego bezpośredniego otoczenia, możliwe jest wykonanie odpowiednich analiz. Należy zwrócić uwagę, że maksymalizacja zysków energii z promieniowania może również prowadzić do negatywnych skutków, takich jak przegrzewanie się budynku w okresie letnim, co z kolei powoduje nakłady energii na klimatyzację pomieszczeń. Zastosowanie szeregu symulacji może pomóc w znalezieniu optymalnego rozwiązania przestrzennego zarówno w skali bryły budynku, jak i jego fasady, która — odpowiednio zaprojektowana — pomaga w regulacji poziomu temperatury.
symulacja Solar Radiation
© Designbotic
projektowa konieczność stosowania symulacji
Postępujące zmiany klimatu w postaci zmian temperaturowych, a także ekstremalnych warunków pogodowych wymagają reakcji w postaci projektowania zrównoważonego. Budynki przyszłości będą zawierały wiele rozwiązań ekologicznych pozwalających na ograniczenie negatywnego wpływu na środowisko, zwiększenie ich jakości, żywotności oraz poprawę komfortu użytkowników.
Uzyskanie takiego projektowego efektu jest możliwe tylko dzięki zastosowaniu symulacji komputerowych w każdej fazie projektowej, poczynając od koncepcji.
Współcześnie dostępne narzędzia pozwalają projektantom na zapewnienie najwyższej jakości przestrzeni biurowych i mieszkalnych za pomocą oświetlenia naturalnym światłem słonecznym przy jednoczesnym wprowadzeniu ochrony przed nadmiernym nagrzewaniem. W projektowanych wnętrzach urbanistycznych możemy zadbać o komfort przyszłych użytkowników, modelując bryły obiektów oraz zieleni tak, aby chroniły przed wiatrem, hałasem czy pyłami.
Oprócz opisywanych powyżej standardowych symulacji architektonicznych istnieje możliwość tworzenia modeli badawczych przeznaczonych dla konkretnych problemów projektowych. Takie działania podejmują już największe zachodnie biura projektowe (np. Foster + Partners, UNStudio czy Bjarke Ingels Group). Wraz ze wzrostem znaczenia systemów certyfikacji oraz świadomości klientów dotyczącej zdrowych budynków z pewnością symulacje komputerowe na stałe zagoszczą w praktyce architektonicznej.
Kacper RADZISZEWSKI, Jakub BLADOWSKI
designbotic.pl
Ilustracje: archiwum Autorów
