Геометрія світлотіней при змінному природному освітленні стосовно задач архітектурного формоутворення - Автореферат

Дослідження візуального сприйняття архітектурних обєктів одночасно з вивченням цілого ряду спеціальних питань потребує аналізу закономірностей освітлення їх поверхонь при природному світлі. В процесі розвитку теорії тіней були отримані значні досягнення щодо розширення області її застосування для рішення практичних задач, спрощення техніки побудов контурів тіней на різних поверхнях та їх комбінаціях, врахування фізичних законів відбиття світла при побудові ліній рівного відтінення на поверхнях. § визначення способів геометричного моделювання основних параметрів, що впливають на динаміку зміни формоутворюючих якостей власних та падаючих тіней на поверхнях при освітленні прямим сонячним світлом з урахуванням реальних проектних, кліматичних та світлових умов; § дістало подальшого розвитку геометричне моделювання природного освітлення за допомогою світлового вектора змінних параметрів, що дозволило установити особливості окремої та спільної дії таких джерел природного світла, як пряме сонячне світло, розсіяне світло неба та складне світло Сонця і неба; Запропоновані окремі положення (моделювання кількісних та якісних параметрів освітленості поверхонь при розсіяному та складному природному світлі, геометричне моделювання впливу яскравості на освітленість при різному за хмарністю стані неба) можуть бути використані при вирішенні інших задач у будівельній фізиці.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. 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. 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 обєкта; 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 повязується 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 обєктами 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.

Проблема відповідності архітектурного проекту і реально здійснених обєктів у натурі виникає головним чином при застосуванні методів зображень цих обєктів 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 обєкту.

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 обєкта;

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 обєкта 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 повязується 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 обєктами 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 компютерних технологій у роботі: а) розроблені логічні схеми взаємозвязків 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.

1. Кривенко О.В. Побудова ліній рівної освітленості у динаміці на лінійчатих нерозгортних поверхнях.// Прикладна геометрія і інженерна графіка. Вип.65. К.: КДТУБА, 1999. С. 181-184.

2. Кривенко О.В. Побудова ліній ходу падаючих тіней на сферичній поверхні.// Прикладна геометрія і інженерна графіка. Вип.66. К.: КДТУБА, 1999. С. 226-228.

3. Кривенко О.В. Траєкторії руху падаючої тіні від точки на поверхнях другого порядку при змінному напряму сонячного освітлення.// Прикладна геометрія і інженерна графіка. Вип.67. К.: КНУБА, 2000. С. 209-211.

4. Кривенко О.В. Визначення освітленості поверхонь від розсіяного світлу небозводу. // Прикладна геометрія і інженерна графіка. Вип.69. К.: КНУБА, 2001. С. 201-203.

5. Кривенко О.В. Моделювання світлових векторів при освітленні розсіяним світлом небозводу.// Вентиляція, освітлення та теплогазопостачання. Вип.3. К.: КНУБА, 2001. С. 62-64.

6. Кривенко О.В. Архітектурне формотворення і природне освітлення.// Технічна естетика і дизайн. Вип.1. К.: 2000. С. 99-102.

7. Кривенко О.В. Моделювання динаміки зміни освітленості архітектурних обєктів і контрастності тіней при безхмарному небі. // Прикладна геометрія і інженерна графіка. Вип.72. К.: КНУБА, 2003. С. 198 - 202.

8. Кривенко О.В. До питання геометричного моделювання світлотіньового розподілу на кривих поверхнях. // Прикладна геометрія і інженерна графіка. Вип.73. К.: КНУБА, 2003. С. 243-249.

9. Кривенко О.В. Моделювання лінії ходу падаючої тіні на площині загального положення при змінних величинах азимута та кута нахилу до площини горизонту.// Геометричне та компютерне моделювання. Вип.3. Харків: 2003. С. 65-69.

10. Кривенко О.В. Геометричне моделювання розподілу нерівномірної яскравості стандартного неба МКО. // Геометричне та компютерне моделювання. Вип.4. Харків: 2004. С. 79-84.

11. Кривенко О.В. Особливості проектування граних архітектурних поверхонь з урахуванням утворення та динаміки падаючих тіней на них при прямому сонячному освітленні. // Технічна естетика і дизайн. Вип.3. К.: 2004. С. 123-125.

12. Кривенко О.В. Геометричні параметри світлового вектора при складному природному світлі. // Геометричне та компютерне моделювання. Вип.12. Харків: 2005. С. 114- 117.

13. Кривенко О.В. Визначення ліній світлового розділу при геометричному моделюванні динаміки падаючих тіней на кривих поверхнях при змінному сонячному освітленні. // Тезиси ІІ Кримської науково-практичної конф. “Геометричне та компютерне моделювання: енергозбереження, екологія, дизайн”. Крим, Новий Світ, 2005. С 234-236.

14. Підгорний О.Л., Кривенко О.В. Визначення зон тінеутворення на архітектурних формах. // Прикладна геометрія і інженерна графіка. Вип. К.: КНУБА, 2005. С. 198 - 202.