Кривенко Ольга Віталіївна. Геометрія світлотіней при змінному природному освітленні стосовно задач архітектурного формоутворення

Краткое описание

Кривенко Ольга Віталіївна. Геометрія світлотіней при змінному природному освітленні стосовно задач архітектурного формоутворення : дис... канд. техн. наук: 05.01.01 / Київський національний ун-т будівництва і архітектури. - К., 2006

Кривенко О.В. Геометрія світлотіней при змінному природному освітленні стосовно задач архітектурного формоутворення. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.01.01 - Прикладна геометрія, інженерна графіка. - Київський національний університет будівництва і архітектури, Україна, Київ, 2006 р.
Дисертація присвячена вирішенню проблеми відповідності архітектурного проекту і реально зведених об’єктів у натурі за рахунок розширення теорії тіней та методики її застосування для вирішення задач архітектурного формоутворення при змінному природному освітленні.
У роботі розглядаються три типи природного освітлення за станом неба: при ясному небі (пряме сонячне освітлення), при похмурому небі (освітлення розсіяним світлом неба), при захмареному небі (освітлення при сумарній дії сонячного і розсіяного світла неба). Для прямого змінного сонячного освітлення при врахуванні впливу параметрів змін отримані наступні характеристики моделюванні світлотіней: область переміщення падаючої тіні, контури зон можливого тінеутворення, зони постійного, перемінного освітлення, постійного затінення, контури зон зорового сприйняття для заданих точок спостереження. Для змінного розсіяного світла у роботі досліджені раціональні для використання способи світлотіньового моделювання для різних поверхонь. Для моделювання різних типів природного освітлення запропоновано використовувати переважно світловий вектор, що дозволяє відтворювати дію складного освітлення при захмареному небі та враховувати вплив нерівномірного розподілу яскравості неба (ясного, похмурого, захмареного). Достовірність запропонованих положень була оцінена на основі розробленої автором методики експериментальних натурних вимірювань динамічної яскравості неба. Визначено базові логічні схеми взаємозв’язків між динамікою природного освітлення та візуальним формоутворенням поверхонь. Представлено методику застосування програмних засобів реалізації геометричних аспектів моделювання формоутворюючих параметрів змінного природного світла. У дисертації наведений приклад впровадження отриманих теоретичних положень в практику реального архітектурного проектування.

Проблема відповідності архітектурного проекту і реально здійснених об’єктів у натурі виникає головним чином при застосуванні методів зображень цих об’єктів і умов їх сприйняття. Зокрема, невідповідності, зумовлені застосуванням способів побудови тіней при умовному фіксованому напрямі освітлення, який не співпадає з напрямами реального освітлення, що змінюється у часі та залежить від станів неба, властивих для конкретних умов.
Тому на основі аналізу існуючої теорії тіней та реальних умов природного освітлення постали задачі розширення теорії тіней і методики її застосування для вирішення задач архітектурного формоутворення при динамічному природному освітленні.
При розробці способів моделювання світлотіньового розподілу стосовно задач архітектурного формоутворення в умовах реального змінного освітлення отримані наступні результати:
1.Встановлено, що для практичних задач потрібно розглядати три типи природного освітлення за станом неба:
а)пряме змінне сонячне світло при ясному небі (0-3 балів хмарності);
б)розсіяне світло неба при похмурому небі (7-10 балів хмарності);
в)складне при сумарній дії прямого сонячного і розсіяного світла неба при захмареному небі (3-7 балів).
2.Для прямого змінного сонячного освітлення на відміну від побудов при фіксованому напрямі світла виникає необхідність визначення закономірностей переміщення падаючих і власних тіней, визначення їх областей існування та тривалості тінеутворення. При цьому, враховуючи значний світлотіньовий контраст між освітленими і затіненими ділянками, контури падаючих і власних тіней відіграють основну роль у світлотіньовій характеристиці об’єкту.
2.1.Запропоновані у роботі способи геометричного моделювання дають можливості враховувати при тінеутворенні вплив параметрів, що задають положення носія падаючих тіней у просторі та по відношенню до тінеутворюючої фігури, а також параметрів, що визначають рух сонячних променів (широта, день, година) за допомогою використання геометричної моделі добового конуса сонячних променів змінної геометрії
2.2.Визначені у роботі підходи до геометризації” моделювання падаючих та власних тіней дозволили прийняти до застосування і включити у процес моделювання світлотіней наступні характеристики:
а)область переміщення падаючої тіні на заданій поверхні протягом заданого періоду часу (року чи сезону), що обмежується граничними лініями, які є лініями перетину заданої поверхні носія тіні та денної частини добового конуса сонячних променів з вершиною у тінеутворюючій точці об’єкта;
б)контури зон можливого утворення падаючих тіней на різних кривих та граних поверхнях, які запропоновано визначати за допомогою способу обгортних конічних та пірамідальних поверхонь з вершиною в точці тінеутворення і методу тіньових проекцій;
в)зони постійного, перемінного освітлення, постійного затінення. Межа між першою і другою зоною є межа тіньового розділу як обвідна всіх контурів власних тіней. Межа між другою і третьою зоною є лінією світлового розділу як обвідна всіх освітлених частин, на які можуть падати тіні.
2.3.При запропонованому світлотіньовому моделюванні враховується, що у візуальній оцінці беруть участь тільки ті частини зон, які знаходяться на видимій стороні поверхні архітектурного об’єкта для заданих точок спостереження.
3.При аналізі динаміки зміни освітленості в умовах розсіяного світла неба були досліджені раціональні для використання способи світлотіньового моделювання для різних поверхонь:
а)на поверхнях додатної і нульової гауссової кривин та поверхонь з плоскими гранями спосіб пов’язується зі зміною положення дотичних площин в точках поверхні (або граней), які визначають ту ділянку неба, що бере участь у розподілі освітлення та дає можливість використовувати закон проекції тілесного кута;
б)на поверхнях із самозатіненням чи при затіненні поверхонь іншими об’єктами із-за ускладнення у визначенні активної ділянки неба запропоновано перейти до моделювання освітлення через світловий вектор і визначати градації освітленості через кут між світловим вектором і нормаллю у заданій точці поверхні. Тут знаходить застосування прийом розшарування конгруенції нормалей на множину поверхонь нормалей вздовж твірних чи ліній кривини.
3.1.В ході дослідження запропоновано для моделювання різних типів природного освітлення використовувати переважно світловий вектор, що дозволило:
а)на основі зображення векторами розсіяного та прямого сонячного світла визначати напрям і довжину сумарного вектора, який моделює дію складного освітлення при захмареному небі, що найбільше відповідає світловим умовам України;
б)враховувати вплив нерівномірного розподілу яскравості неба (ясного, похмурого, захмареного) при визначенні освітленості за рахунок коригування величини і напряму світлового вектора. Для похмурого і ясного неба це здійснюється моделюванням умовного тиску на світловий вектор в межах поверхні чи кривої розподілу яскравості, а для захмареного неба визначенням положення середньозваженої величини яскравості в межах проміжної поверхні (кривої) між граничними поверхнями (кривими) розподілу яскравості похмурого і ясного неба.
3.2.У ході досліджень автором розроблена та представлена методика експериментальних натурних вимірювань динамічної яскравості неба. На її основі була оцінена достовірність запропонованих у роботі аналітичних та геометричних методів моделювання яскравості неба при різному його стані (ясне, захмарене, похмуре).
4.З метою забезпечення використання отриманих положень з геометричного моделювання динаміки зміни природного освітлення на поверхнях в архітектурно-проектній практиці та подальшого застосування комп’ютерних технологій у роботі:
а)розроблені логічні схеми взаємозв’язків між параметрами, що складають три різні блоки. Параметри першого блоку визначають реальні світлові та проектні умови. Параметри другого блоку складають апарат геометричного моделювання та характеризують його результати. Параметри третього блоку визначають формоутворюючі якості освітленості;
б)на основі аналізу сумісності параметрів виділені шляхи моделювання формоутворюючих якостей природного світла у реальних проектних умовах;
в)сформульовано принципи інтегрування формоутворюючих засобів природного світла у процес реального архітектурного проектування;
4.1.На прикладі розробленої програми по визначенню та графічній побудові добового конуса сонячних променів в автоматизованому режимі показано, що запропоновані у роботі способи по геометричному моделюванню змінного природного освітлення створюють базу для розробки системи автоматизованого проектування на мовах програмування.
5.Виконано впровадження роботи у проектно-дослідному інституті Кіровоградагропроект” при розробці експертної оцінки візуального сприйняття фасадів будівлі Апеляційного суду АР Крим у м. Сімферополі; у навчальний процес на кафедрі архітектурних конструкцій у Київському національному університеті будівництва і архітектури при розробці приладу для експериментальних досліджень по вимірюванню яскравості неба по заданому напряму; при розробці програмного забезпечення по моделюванню на ПЕОМ умов змінного прямого сонячного опромінення.
6.Запропоновані у роботі способи геометричного моделювання динаміки зміни падаючих та власних тіней, світлотіньових градацій на поверхнях створюють основу для роботи зі змінним природним світлом як із засобом творення архітектурних форм відповідно до їх візуального сприйняття. Отримані результати дослідження розкривають їх прикладний характер, можливості автоматизації, показують практичне значення і місце в архітектурно-проектній діяльності.
7.Результати досліджень, отримані у цій роботі, можуть бути розширені у теоретичній частині у напрямі збільшення кола поверхонь та визначення їх світлотіньових характеристик, а у прикладній частині у наступних задачах:
- в області архітектурного формоутворення при моделюванні впливу на сприйняття світлотіньового розподілу фактури, кольору, матеріалу поверхонь, розподілу відбитих світлових променів, фізіології зору людини;
- в області будівельної фізики у задачах створення світлового комфорту за рахунок пропозицій по розширенню градацій стану неба та розподілу яскравості по ньому;
- в області автоматизації при моделюванні формоутворюючих якостей світлотіньового розподілу за рахунок переведення розрахункової частини та апарату графічних побудов до програмного виду тощо.