Wybór szkła stanowi jeden z kluczowych aspektów procesu decyzyjnego i projektowania przeszklonych ścian osłonowych, między innymi dla architektów, inżynierów i inwestorów.
Szeroka gama zaawansowanych technologicznie powłok i różne techniki obróbki powierzchni wraz z innowacyjnymi, inteligentnymi technologiami szklenia, takimi jak szyby o zmiennej przezierności (switchable glazing) i systemy kontroli słonecznej, oferują wiele opcji umożliwiających osiągnięcie założeń projektowych i wymagań efektywności energetycznej.
Wstęp
Bogata oferta nowoczesnych szyb stawia architektom i inżynierom wyzwania dotyczące wyboru między dwoma przeciwstawnymi kryteriami - efektywnością energetyczną (szczególnie w lecie gdy musimy chronić się przed słońcem) oraz czystym (niezakłóconym) widokiem.
Podczas gdy inżynierowie w swoich analizach dotyczących efektywności optycznej i termicznej polegają na bardzo dokładnych i spójnych narzędziach analitycznych oraz numerycznych, wizualizacja (przedstawienie cech oszklenia za pomocą obrazu) wybranych systemów oszklenia przez architektów i wizualizatorów zależy od subiektywnych szacunków właściwości szkła, dając niejedonoznaczne, często mylące wyniki.
Dlatego też w przypadku analiz jakościowych szkła początkowy wybór oszklenia jest tradycyjnie oparty na ocenie na podstawie małych próbek szkła, później ocena ta jest weryfikowana za pomocą pełnowymiarowych wizualnych makiet (prototypów) rzeczywistych elewacji. Oprócz tego, że jest to proces bardzo kosztowny i czasochłonny, nakłada również ograniczenia na możliwość zrealizowania wizji projektanta poprzez drastyczne zmniejszenie palety opcji i powtarzalności projektu.
Natomiast obrazy generowane komputerowo oferują nieograniczone opcje i dużą elastyczność przy ułamku zużytego czasu i kosztów w porównaniu z rzeczywistymi makietami. Dlatego w niniejszym artykule zaproponowano uogólnione, oparte na fizyce podejście do wirtualnego odwzorowywania (prototypowania) w celu elastycznego projektowania szkła i bezkonfliktowej komunikacji między uczestnikami inwestycji (architekt, wykonawca, inwestor) – dzięki minimalizacji rozbieżności między wirtualnymi wizualizacjami i rzeczywistymi makietami.
Rys. 1. Przepuszczalność szkła z naniesioną powłoką na bazie srebra – w zależności od grubości warstwy srebra [10] (po lewej); Właściwości optyczne powłok bez srebra i powłok na bazie srebra [11] (po prawej)
Poprzednie prace
Wizualizacje oszklenia, dokładnie odwzorowujące fizyczną rzeczywistość, w przeszłości opierały się głównie na sprawdzonych symulacjach promieniowania (radiance)1 przy użyciu modułu rpict [1].
Jednak analiza promieniowania bazuje na uproszczeniach, takich jak reprezentowanie/odwzorowanie przez pojedynczą taflę szkła – właściwości szyb z wieloma taflami. Pominięte są tu dane dotyczące wielokrotnych odbić i zniekształceń optycznych (przy wyższych kątach padania) w szybach zespolonych złożonych z wielu tafli szklanych.
Ponadto szyby zespolone mogą zawierać laminowane tafle szkła, a także na taflach szkła mogą być naniesione różne powłoki i mogą występować różne obróbki powierzchni – wszystko to powoduje skomplikowane/ złożone odbicia promieniowania.
Jednym z podejść, które próbuje odwzorować i oszacować te odbicia, jest wzór/model odbicia promieniowania, który generuje opis promieniowania dla szyb zespolonych IGU, w tym powłok, międzywarstw i wielowarstwowego układu – może on być też stosowany do geometrii jednowarstwowej/jednopowierzchniowej.
Definicja materiału opiera się na danych Dwukierunkowej Funkcji Rozkładu Odbicia (Bidirectional Reflectance Distribution Function, BRDF)2 dla dwóch stron tafli szkła wyeksportowanych z programu LBNL Optics i przechowywanych w bibliotece ze skryptami optics2rad i optics2glazedb [2].
Jedno z zastosowań programu Radiance do wizualizacji działania ciekłokrystalicznych inteligentnych szyb zostało przedstawione w [3]. W raporcie omówiono występowanie różnych stanów „przełączalnego” oszklenia (switchable glass) w różnych warunkach środowiskowych.
Jednak pomimo tego, że program Radiance, oparty na Linuksie, został zaprojektowany do symulacji jakościowych i ilościowych, ma ograniczenia dotyczące praktycznej i szeroko rozpowszechnionej implementacji w branży komputerowego obrazowania grafiki (Computer Graphics Imaging CGI).
Wymaga on wirtualizacji do działania na komputerach z systemem Windows, ma jednak ograniczenia, szczególnie dotyczące szybkości oraz interaktywności. Jest to spowodowana brakiem równoległości obliczeń i graficznym interfejsem użytkownika (Graphical User Interface GUI), który obsługuje wszystkie moduły programu Radiance.
1 Radiancja (fizyka) – strumień promieniowania emitowany, odbijany, transmitowany lub odbierany na jednostkę kąta bryłowego w danym kierunku przez jednostkę powierzchni źródła.
2 BRDF (ang. Bidirectional Reflectance Distribution Function, dwukierunkowa funkcja rozkładu odbicia) – stosunek luminancji energetycznej mierzonej w kierunku obserwatora do natężenia napromienienia badanego z kierunku padania promieniowania. Wartość funkcji BRDF w pełni charakteryzuje własności refleksyjne powierzchni odbijającej.
Funkcja BRDF jest zależna od kierunku padania promieniowania (określają go dwa kąty przestrzenne), kierunku odbicia promieniowania (kolejne dwa kąty) oraz długości fali padającego promieniowania. Czasami funkcję BRDF definiuje się dla całego zakresu falowego promieniowania.
Funkcji BRDF używa się m.in.:
– w symulacji oświetlenia i iluminacji obiektów,
– w radiacyjnej wymianie ciepła,
– przy modelowaniu układów fotowoltaicznych,
– w technikach modelowania właściwości optycznych powierzchni w fotorealistycznej grafice komputerowej.
Funkcje BRDF określa się również empirycznie, dokonując serii pomiarów własności obiciowych próbki materiału przy różnych kątach padania promieniowania.
Rys. 2. Właściwości optyczne próbek szkła
W konsekwencji, w celu szerszego wykorzystania, dokładnie odwzorowujących fizyczne rzeczywistość, wizualizacji szkła i jego doboru na podstawie informacji wizualnych, architekci i specjaliści od wizualizacji projektowej potrzebują narzędzi, które są zintegrowane z ich procesem projektowania i są oparte na komputerowym obrazowaniu grafiki CGI oraz możliwości modelowania obiektów/materiałów w technologii 3D .
Jeden z pierwszych dokładnych wizualizacji CGI, który wykorzystywał wiodące w branży oprogramowanie do modelowania 3D jest program 3ds Max – zintegrowany z modułem renderującym Mental Ray. Jest on stosowany do wybierania odpowiednich właściwości materiału i konfigurowania ustawień renderowania3 (graficznego przedstawiania) dla fizycznie dokładnej symulacji [4], [5] .
Exposure to nowy moduł do fizycznie dokładnych symulacji złożonych scen 3D ze źródłami światła dziennego i / lub oświetleniem elektrycznym – dostępny tylko w programie 3ds Max Design. Moduł ten został opracowany specjalnie dla projektantów zainteresowanych integracją światła dziennego ze swoim projektem.
Moduł programu określa/przewiduje warunki oświetleniowe wewnątrz pomieszczeń w przypadku zachmurzonego i czystego nieba wg modelu CIE (Commission Internationale de i’Eclairage Międzynarodowa Komisja ds. Oświetlenia), oraz modelu luminacji kopuły nieba PEREZ.
Umożliwia architektom ocenę ich projektu zgodnie z systemem ekologicznych/ zielonych budynków wg klasyfikacji LEED (Leadership in Energy and Environmental Design) – opracowanej przez US Green Building Council (w ramach zadania Indoor Environmental Quality Daylighting Credit 8.1).
W raporcie wyjaśniono wiele procesów roboczych dotyczących określenia charakterystyki materiałów szklanych oraz modeli pojedynczych i grubych/ wielowarstwowych powierzchni. Brakuje jednak „dwustronnego” podejścia, uwzględniającego odmienne parametry z dwóch stron szkła – co jest powszechne dla powlekanego oszklenia, jak również widoczne w szybach zespolonych.
Ponadto wiodący na rynku producenci szkła oferują narzędzia i aplikacje do wizualizacji, ale wyłącznie swoich produktów szklanych. Przykładami takich narzędzi są Saint-Gobain Glass Pro App [6], AGC Architectural Glass Visualizer [7] i Guardian Glass Analytics - Glass Visualizer [8].
Narzędzia te są oparte na bazie danych wstępnie renderowanych scen/obrazów dla wszystkich dostępnych kompozycji szkła przy różnym oświetleniu i w różnych środowiskach. Dla każdego zestawu parametrów szkła, narzędzia używają ją bazy danych, aby pobrać informacje z powiązane z renderowaniem w celu wyświetlenia..
Chociaż takie podejście może ułatwić proces doboru szkła, z góry określony kontekst i geometria nie są wystarczające, aby zademonstrować efekt, jaki będzie miało przeszklenie po zastosowaniu w konkretnym budynku i jego rzeczywistym otoczeniu/kontekście.
W tym celu niektóre firmy oferują usługi „na żądanie”, takie jak Saint-Gobain Glass Pro „na żywo”. Jednak wybór szkła jest nadal ograniczony do oferty firmy, a co ważniejsze, proces projektowania i doboru szkła jest oddzielony od projektowania architektonicznego i procesu wizualizacji.
3 Renderowanie (ang. rendering) – graficzne przedstawienie treści zapisanej cyfrowo w formie właściwej dla danego środowiska (np. wyświetlenie w oknie przeglądarki, strony WWW zapisanej w kodzie HTML). Część programu komputerowego odpowiedzialna za renderowanie nazywana jest mechanizmem renderującym, silnikiem renderującym lub rendererem.
Rys. 3. Modele odbicia Fresnela5 BRDF
(...)
Nebojsa Jakica, Mikkel Kragh, Ferro Corporation
Gregoire Besse, Eclat-Digital
Podziękowania
Chcielibyśmy podziękować firmie Eclat Digital za wsparcie, oprogramowanie i wykonanie symulacji. Artykuł został oparty na wykładzie zaprezentowanym na Konferencji GLASS PERFORMANCE DAYS 2019, która odbyła się w dniach 26-28 czerwca 2019 r. Tampere w Finlandii
Bibliografia:
[1] G. W. Larson i R. Shakespeare, Rendering i randiancja sztuka i nauka wizualizacji oświetlenia (Rendering with Radiance: the art and science of lighting visualization). Space & Light, 2003.
[2] J. De Valpine, Lepsze szklane materiały budowlan w programie Radiance (Building Better Glass Materials in Radiance), 2009 International Radiance Workshop, 2009.
[3] David Barker, W pogoni za przejrzystością - okna ciekłokrystaliczne MERCK (Chasing Transparency – MERCK Liquid Crystal Windows), 2018.
[4] C. Reinhart, M. Landry i P.-F. Breton, Symulacja światła dziennego w programie 3ds Max Design 2009 – wprowadzenie (Daylight Simulation in 3ds Max Design 2009 - Getting Started), Daylight Simul. Autodesk 3ds Max Des. 2009 3ds, s. 1–23, 2009.
[5] C. F. Reinhart, M. Landry i P.-F. Breton, Symulacja światła dziennego w programie 3ds Max Design 2009 - koncepcje zaawansowane (Daylight Simulation in 3ds Max Design 2009 - Advanced Concepts), Daylight Simul. Autodesk 3ds Max Des. 2009 3ds, s. 1–23, 2009.
[6] Glass Pro - symulacja szklenia elewacji budynków (Glass Pro - Glazing simulation for building facades ) Saint-Gobain Glass Scandinavia. ” [Online]. Dostępne: http://scandinavia.saint-gobain-glass.com/content/glass-proglazing-simulation-buildingfacades [Dostęp: 03.04.2019].
[7] AGC. [Online]. Dostępne: https://www.yourglass.com/archiglassvisualiser/#!Home!init [Dostęp: 03.04.2019].
[8] Guardian Glass AnalyticsTM. [Online]. Dostępne: https://glassanalytics.guardian.com/MVC/Visualizer/Standard [Dostęp: 03.04.2019].
[9] B. Burley i W. Disney, Fizyczne cieniowanie w Disney (Physically-Based Shading at Disney).
[10] D. Zhang, H. Yabe, E. Akita, P. Wang, R. I. Murakami i X. Song, Wpływ rozwoju warstw srebra na przewodnictwo i przepuszczalność cienkich warstw ZnO / Ag (Effect of silver evolution on conductivity and transmittance of ZnO/ Ag thin films). J. Appl. Fiz., T. 109, nie. 10, 2011.
[11] M. Junghahnel, Zaawansowane uszlachetnianie szkła dzięki cienkim powłokom - trendy i wyzwania technologii cienkowarstwowych w oknach i szklanych fasadach (Advanced Glass Refinement by Thin Films - Trends and Challenges of Thin Film Technologies for Windows and Facade Glasses,” in 4th G.A.S.T. Travelling Conference ”Energy efficient Buildings), 2013.
[12] G. Ding i C. Clavero, Technologia powłok o niskiej emisyjności na bazie srebra do energooszczędnych zastosowań w oknach (Silver-Based Low-Emissivity Coating Technology for Energy-Saving Window Applications), w: Modern Technologies for Creating the Thin-Film Systems and Coatings, N. Nikitenkov, Ed. IntechOpen, 2017, s. 409–431.
[13] L. Belcour i P. Barla, Praktyczne rozszerzenie teorii mikrościanek do modelowania zmiennej opalizacji (A practical extension to microfacet theory for the modeling of varying iridescence), ACM Trans. Wykres., T. 36, nie. 4, s. 1–14, 2017.
[14] C. Schlick, Niedrogi model BRDF do renderowania fizycznego (An Iuspensive BRDF Model for Physically-based Rendering), w: Proceedings of Eurographics ‘94, Computer Graphics Forum v13, n3, 1994, s. 233–246.
[15] G. Ward, Zachowanie materiałów w programie Radiance (Behavior of Materials in Radiance).
[16] Eclat Digital OCEAN. [Online]. Dostępny: https://www.eclat-digital.com/. [Dostęp: 20 kwietnia 2019 r.].
[17] B. J. Lindbloom, Przydatne ocena kolorów (Useful color equations), Useful Color Equ., <Http // www. brucelindbloom. pl / index.html, 2010.
[18] G. Ward i E. Eydelberg-Vileshin, Doskonały obraz renderowania RGB przy użyciu wstępnego filtrowania widmowego i ostrych kolorów podstawowych (Picture Perfect RGB Rendering Using Spectral Prefiltering and Sharp Color Primaries), w: Rendering Techniques 2002 - Thirteenth Eurographics Workshop on Rendering, 2002, s. 117–124.
Całość artykułu w wydaniu drukowanym i elektronicznym
Inne artykuły o podobnej tematyce patrz Serwisy Tematyczne
Więcej informacji: Świat Szkła 4/2021