Wpływ wprowadzenia symulacji na etapie konkursu na proces projektowy

10 marca '21

wizualizacja zabudowy biurowej

...

Studium przypadku ukazało się w A&B 2'2021

W ostatnich latach świat projektowania przechodzi poważną zmianę. Do grona myślicieli wyznaczających kierunki rozwoju miast dołączyły firmy technologiczne. Już nie tylko jako dostawcy narzędzi i programów do projektowania. Na naszych oczach dzieje się to, co przewidział Ben van Berkel (założyciel UNStudio i UNSense) — architektura zaczyna nadrabiać zaległości w rozwoju technologicznym względem innych dziedzin naszego życia.

Giganci technologiczni, jak Google czy Microsoft, interesują się wielką ilością danych, jakie można zebrać w przestrzeniach okupowanych przez ludzi. Zauważono, że te same narzędzia, które pomagają identyfikować preferencje użytkowników w internecie można zastosować w projektowaniu. Zastosowanie złożonej analityki komputerowej w procesie projektowym, planowanie całych cykli życia budynków oraz zbieranie danych w trakcie użytkowania obiektu zwiększą jakość przestrzeni oraz komfort mieszkańców i pracowników.

Największe zachodnie pracownie architektoniczne (np. Foster + Partners, Bjarke Ingels Group, UNStudio) powołują do życia działy analityczne i spółki córki, które oprócz projektantów zatrudniają specjalistów od zrównoważonego rozwoju, programistów, psychologów czy inżynierów zajmujących się obróbką dużych ilości danych. Większość firm architektonicznych nie może sobie pozwolić na osobne działy analityczne, dlatego aby podjąć podobne próby musi się posiłkować zewnętrznymi podmiotami, które są w stanie dostarczyć symulacje.

W czerwcu 2020 roku konsorcjum firm Arup Polska, Roark Studio oraz Designbotic wystartowało w konkursie architektonicznym na zespół zabudowy mieszkaniowej i biurowej organizowanym przez Allcon Osiedla w Gdyni (najlepszy okazał się projekt pracowni Grupa 5 Architekci).

całoroczna analiza nasłonecznienia przestrzeni publicznej i półpublicznej

W składzie zespołu projektowego wspomnianego konsorcjum znaleźli się architekci, konstruktorzy, geotechnicy, projektanci branży sanitarnej, elektrycznej, teletechnicznej oraz specjaliści od zrównoważonego rozwoju i symulacji architektonicznych. Podjęto próbę wprowadzenia komputerowych analiz dotyczących nasłonecznienia, zysków z energii słonecznej, zacienienia sąsiedniej zabudowy oraz analiz tunelowych oddziaływania wiatru na zabudowę i wnętrza urbanistyczne na wstępnym etapie projektowania. Symulacje były kilkukrotnie powtarzane, a ich wyniki miały wpływ na podejmowane decyzje projektowe, co w ocenie zespołu miało znaczenie dla ostatecznego rezultatu. Projektowany układ zabudowy z założenia miał zawierać budynek wysokościowy, dlatego kwestie oddziaływania wiatru czy zacienienia na sąsiednią zabudowę były wyjątkowo istotne.

Taki tryb pracy był w pewnym sensie eksperymentem organizacyjnym, chodziło o sprawdzenie, jak metodologia pracy zaczerpnięta od najbardziej rozwiniętych pod względem technologicznym zespołów sprawdzi się w praktyce.

symulacje architektoniczne
i ich wpływ na decyzje projektowe

Podstawową analizą wykonywaną dla każdej z koncepcji, było sprawdzenie, czy zostały spełnione warunki nasłonecznienia dla projektowanej zabudowy mieszkaniowej oraz zabudowy sąsiadującej. Dzięki pracy z wykorzystaniem metodologii Building Information Modelling poszukiwanie możliwych rozwiązań od samego początku było prowadzone na modelach trójwymiarowych wykorzystywanych w symulacjach. Analizę nasłonecznienia wykonywano z wykorzystaniem symulacji komputerowej, która z dokładnością do 0,5 metra kwadratowego obliczała liczbę godzin bezpośredniego nasłonecznienia dla fasady projektowanego obiektu oraz budynku sąsiadującego. Sam proces dzięki przygotowaniu metod wymiany danych przed rozpoczęciem projektu udało się zredukować do 7–10‑dniowych iteracji dla kolejnych wstępnych koncepcji. Symulacja została również wykorzystana do obliczenia czasu bezpośredniego nasłonecznienia dla przestrzeni publicznej oraz półpublicznej. Dostarczając dodatkowych informacji dotyczących wpływu brył budynków na liczbę godzin nasłonecznienia przestrzeni w ciągu całego roku, możliwe było wprowadzenie dodatkowego kryterium oceny rozwiązań.

porównanie wyników symulacji czasu nasłonecznienia dla dwóch wczesnych koncepcji zabudowy mieszkaniowej

Innymi analizami dotyczącymi światła dziennego były analizy Daylight Factor (DF) oraz Spatial Daylight Autonomy (sDA) wymagane w celu spełnienia kryteriów związanych z dostępnością światła (BREEAM, WELL) dla przestrzeni biurowych, a więc zapewnieniem pracownikom odpowiednich warunków związanych z komfortem wizualnym. Projektowane zabudowy mieszkaniowa oraz biurowa w każdej z koncepcji były równolegle analizowane pod względem wzajemnego wpływu na warunki oświetleniowe. W przypadku części biurowej symulacje były wykonywane dla wnętrz budynku. W trakcie pierwszych iteracji analizowano spełnienie warunków określonych w systemach certyfikacji zarówno pod względem spełnienia minimalnych współczynników, jak i minimalizacji przestrzeni narażonej na niekorzystne warunki z powodu zbyt intensywnego natężenia światła słonecznego. Powyższe symulacje wymagały podjęcia wstępnych decyzji dotyczących zastosowanych materiałów oraz formy elewacji. Z tego powodu były wykonywane każdorazowo przy zmianie zarówno bryły budynku, jak i rozwiązań elewacyjnych, pozwalając na ciągłą weryfikację spełnienia najlepszych warunków dla użytkowników budynku.

analiza Spatial Daylight Autonomy przestrzeni biurowej

Analizy dotyczące światła dziennego stanowią największą grupę symulacji, mają wpływ zarówno na formę budynków, przestrzeń publiczną, jak i wnętrza budynków. Duży wpływ na formę elewacji budynku biurowego miały symulacje dotyczące promieniowania słonecznego, które były wykonywane dla całego projektowanego kompleksu, by zmaksymalizować pasywne zyski energii. Dzięki zastosowaniu analizy o wysokiej dokładności (10 cm²) dla wybranych fragmentów elewacji, pozwoliła na wyselekcjonowanie rozwiązań, które dzięki swojej geometrii pasywnie ograniczały możliwość przegrzewania się pomieszczeń w godzinach roboczych. Po przeprowadzeniu symulacji zdecydowano o zastosowaniu poziomych żyletek na elewacjach południowych, oraz pionowych na elewacjach wschodnich i zachodnich, dodatkowo tworząc charakterystyczny układ elewacji, na fragmentach skośnych względem kierunków stron świata.

symulacja zysków energii z promieniowania słonecznego

W przypadku projektów o tej skali warto zwrócić uwagę na ich wpływ na ruch mas powietrza. Duże powierzchnie oraz małe odległości pomiędzy budynkami, mogą prowadzić do tworzenia zarówno miejsc narażonych na silne, nagłe porywy wiatru, jak i przestrzeni, które w ciągły sposób będą stymulować przepływ wiatru, powodując dyskomfort użytkowników, a nawet zagrażać ich zdrowiu czy życiu. W trakcie projektu przeprowadzono trzykrotnie analizy CFD (Computational Fluid Dynamics), symulujące w środowisku wirtualnym tunel aerodynamiczny. Wykonanie stosownych obliczeń wymagało modelu bryłowego otoczenia w promieniu 500 metrów, rzeźby terenu oraz danych pogodowych dotyczących pomiarów prędkości wiatru dostarczanych przez stacje meteorologiczne. Każdorazowo obliczenia wykonano dla czterech dominujących kierunków wiatru, natomiast wyniki dostarczyły informacji dotyczących wpływu projektowanej zabudowy na ruch mas powietrza: pozwoliły na eliminację potencjalnych zagrożeń, zwiększenie komfortu użytkowników oraz miały wpływ na projekt zagospodarowania przestrzeni.

wynik symulacji w tunelu aerodynamicznym ruchu mas powietrza dla projektowanej przestrzeni

Przy projektowaniu korzystano z dostępnych na rynku narzędzi, jednak w trakcie pracy pojawiła się nowa potrzeba. Ze względu na lokalizację działki oraz wysokość dominanty mieszkaniowej (120 m) dodatkową wartością dla jednostek mieszkalnych był dostęp do widoku na Zatokę Gdańską. Po podjęciu decyzji związanej z lokalizacją budynku biurowego we wschodniej części działki i w odpowiedzi na ograniczenie widoczności mieszkańców na morze, zdecydowano się na stworzenie indywidualnego narzędzia. Program korzystając z modelu miasta oraz projektowanych budynków z wydzieleniem jednostek mieszkalnych, analizował je pod względem widoczności. Wykorzystując narzędzie oraz wprowadzając zmiany w geometrii budynków biurowych, znaleziono rozwiązanie, które maksymalizowało liczbę mieszkań z widokiem na Zatokę Gdańską. Dzięki ciągłej współpracy między firmami, możliwe było wspólne opracowanie i zastosowanie indywidualnego narzędzia oraz metody oceny widoczności, które miały wpływ na proces decyzyjny architektów.

wizualizacja projektu

wnioski zespołu

W początkowej fazie prac nad koncepcją konkursową konieczność iteracyjnej pracy nad bryłową kompozycją podyktowana wynikami analiz była dla architektów trudna i nieintuicyjna. Zwykle decyzje o kontynuowaniu koncepcji podejmuje się na podstawie innych parametrów, które w opisywanym przypadku również musiały być brane pod uwagę (spełnienie programu funkcjonalnego, zgodność z przepisami, atrakcyjność wizualna koncepcji itd.). Jednak dość szybko zespół zrozumiał, że dodatkowa warstwa informacyjna wynikająca ze stosowania symulacji umożliwia podejmowanie właściwych decyzji na wstępnych etapach projektowych. Dzięki temu skraca się czas pracy nad projektem — o wadliwości rozwiązań projektanci dowiadują się bardzo szybko, co umożliwia im korektę i skupienie się na innych ważnych elementach projektu.