Methode zur Visualisierung parametrischer und interaktiver

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Fifth German-Austrian IBPSA Conference
RWTH Aachen University
BAUSIM 2014: METHODE ZUR VISUALISIERUNG PARAMETRISCHER UND
INTERAKTIVER ARCHITEKTURKONZEPTE IN ECHTZEIT
B. Popfinger1 und M. Bauer1
1
Fakultät für Architektur und Bauwesen,
Hochschule Augsburg, Germany
KURZFASSUNG
Zur Visualisierung der Raumwirkung digitaler
interaktiver Architekturentwürfe in Echtzeit wird die
Entwicklung eines CAD-Werkzeugs vorgestellt. Es
zielt auf die Darstellbarkeit und Optimierung der
Raumwirkung
bei
parametrischen
Entwurfsmethoden.
Ziel der Entwicklung ist die Bereitstellung von
Simulationsalgorithmen,
die
neben
der
Lichtverteilung auch die Verarbeitung örtlicher
Klimafaktoren und nutzerbedingter Einflüsse
vorbereitet.
Das Verfahren wird in die CAD-Systemumgebung
Rhinoceros und Grasshopper unter Verwendung der
Tageslichtsimulation DIVA/DAYSIM implementiert.
Externe
Einflussfaktoren
können
über die
Schnittstelle Firefly in Verbindung mit einem
Mikrocontroller integriert werden.
Die Anwendung wird anhand eines Besipielenwurfs
und
verschiedenen
Kombinationen
aus
Klimafaktoren und interaktiven Nutzereinflüssen
nachgewiesen.
ABSTRACT
This paper introduces the development of a CADtool for the spatial visualisation of digital interactive
architectural designs in real time. It targets the
presentation and optimisation of spaces using
parametric design methods.
The aim of the development is the provision of
simulation algorithms, which, along with the light
distribution, also prepares the processing of local
climate factors and user specific influences.
The process will be implemented in the CAD-System
environment "Rhinoceros" and "Grasshopper" using
the daylight simulator DIVA. External influences can
be integrated using the interface "Firefly" in
connection with a microcontroller.
The application will be evidenced by means of a
sample example design with different combinations
of climate factors and interactive user influences.
GESTALTUNG ALS ABSTIMMUNGSPROZESS ZWISCHEN ENTWURFSMETHODIK UND RAUMWIRKUNG
Mit zunehmender Komplexität der digitalen
Entwurfsmethoden steigt in der Architektur der
Anspruch an eine adäquate Darstellungsform. Die
klassischen Trias Grundriss, Ansicht und Schnitt
können deren Inhalte jedoch nur begrenzt und nur als
statische und graphische Abbildungen wiedergeben
(Stöcklmayr, N. 2009). Sie dienen der endgültigen
Präsentation von Ideen und können nicht auf
Änderungen im Entwurfsprozess flexibel reagieren sie müssen immer wieder neu aufbereitet werden.
Im vorgelegten Ansatz wir ein Modell der
Ingenieurarchitektur aufgezeigt, das Synthese und
Analyse zur direkten Bewertung am CAD-System
aufbereitet. Es ermöglicht die Darstellung komplexer
parametrische Architekturentwürfe in Echtzeit. Es
wird untersucht, inwiefern die Beurteilung der
Raumwirkung
gegenüger
herkömmlichen
Darstellungsformen durch eine direkte Rückmeldung
aus dem CAD-System verbessert werden kann.
Hierzu wird ein CAD-Simulationsmodell unter dem
Ansatz des parametric design mit physikalischen
Modellen der Tageslichtberechnung kombiniert und
durch verschiedene Schnittstellen ergänzt, sodass
eine
standortbezogene
und
nutzerabhänige
Berechnung
der
Geometrieund
Helligkeitsänderungen implementierbar wird.
Wahrnehmung
Das Sehen nimmt eine zentrale Rolle beim Prozess
der menschlichen Wahrnehmung ein. Die visuelle
Wahrnehmung beschreibt den Vorgang der
Interpretation der auf der Netzhaut eines Betrachters
gewonnenen Informationen. Bereits in der ersten
Wahrnehmungsstufe
werden
dabei
einfache
Merkmale wie Licht und Schatten, Farbe,
Orientierung, Größe und stereoskopischer Abstand
von Objekten unterschieden. Der Mensch sieht dank
seines visuellen Systems ein Objekt und kann
Schlussfolgerungen über die Realität ziehen (Dörner,
et al. 2013).
Ein weiterer Aspekt ist die individuelle Einordnung
und Deutung jedes Einzelnen der durch das visuelle
- 626 -
System gelieferten Informationen, sowie der
Vergleich mit früheren Erfahrungen. Dieselben Reize
führen
bei
verschiedenen
Betrachtern
zu
unterschiedlichen Wahrnehmungen. Sogar bei
derselben Person sind zu unterschiedlichen
Zeitpunkten
verschiedenen
Wahrnehmungen
möglich. Es gibt keinen festen und objektivierbaren
Zusammenhang zwischen der Realität und der
visuellen Wahrnehmung des Menschen über die
Realität (Lugmair, 2006).
Für die visuelle Aufbereitung einer sich stetig
ändernden Raumgeometrie bedarf es daher einer
Reduktion auf wehnige Bildinformationen. Dies wird
in
abstrakten
Perspektivenrenderings
zur
strategischen Entwicklung und Argumentation
aufbereitet. Der Schwerpunkt liegt auf einer
möglichst neutralen und wertfreien räumliche
Inszenierung, um die subjektive Wertung des
Betrachters auf ein Minimum zu reduzieren.
Abbildung 1: Blattwerk als Leitgedanke des
Architekturentwurfs und dessen architektonische
Interpretation
Datenerfassung und -verarbeitung im CAD
Als Simulationsumgebung dient die CAD-Software
Rhinoceros
(Rhino3D
2014)
mit
diversen
Erweiterungen. Die Bereitstellung der Objekte kann
auf unterschiedliche Arten erfolgen. Entweder durch
Modellierung direkt in Rhino mit dem Vorteil der
exakten geometrischen Datenaufbereitung, oder
alternativ durch Import über entsprechende, von
Rhinoceros angebotene Schnittstellen.
Anhand einer beispielhaften 3D-Geometrie wird dazu
ein Verfahren aufgezeigt. Es handelt sich um einen
Fassadenentwurf, deren dynamische Komponenten
verschattende
Eigenschaften
aufweisen.
Als
Leitgedankte dient Blattwerk und dessen natürliche
Wachstumsform. Das Haupttragwerk stellt eine
horizontale Fassadenstruktur mit groß- und
kleinteiligen Ästen dar. Dem untergeordneten
Tragwerk werden bereits die Verschattungselemente,
also
das
Blattwerk
mit
charakteristischer
Wachstumsrichtung, zugewiesen.
Den
einzelnen
Blättern
werden
zusätzlich
verschiedene Transparenzgrade zugeteilt, dies führt
bei zufälligen Überlagerungen der einzelnen Blätter
bei einer Veränderung der Blattstellung zu
verschiedenen Verschattungseffekten. Der Effekt
führt bei zufälligen Überlagerungen der Geometrien
zu verschiedenen Verschattungsgraden an den
Raumoberflächen. Zusätzlich leiten vereinzelte
spiegelnde Flächen Sonnenstrahlen in den Innenraum
und
erzeugen
neben
Reflexionspunkten
Überstrahleffekte an der betreffenden Fassadenstelle.
Die horizontale Fassadenstruktur wird in drei
Segmente geteilt mit je 12 Abschnitten. Sie stellen
die Knoten einer Sprossachse des Blattwerks dar, an
welchen die Verschattungselemente angebracht
werden. Jeder Abschnitt kann eigenständig
parametrisch gesteuert werden und ermöglich
demnach ein unabhängiges adaptives Verhalten
gegenüber der umgebenden Konstruktion.
- 627 -
Mit dem graphischen Algorithmeneditor Grasshopper
(Grasshopper
2014)
wird
die
eigentliche
Simulationsumgebung aufgebaut. Das Plug-In bietet
zur parametrischen Modellierung einen Editor, um
Parameter-Abhängigkeiten
zwischen
Elementgruppen
zu
definieren
und
diese
Abhängigkeiten mit vordefinierten oder selbst
erstellten Algorithmen zu verknüpfen (König, R.
2012).
Architektur
Wahrnehmung
Sensoren
Klimafaktoren
Nutzer
Interaktion
CAD
Parameter
Simulation
DIVA/Daysim
Rendering
Systemgrenze
Pragmatische Annahmen
Raumwirkung
ENTWICKLUNG EINES
SIMULATIONSMODELLS ZUR
INTEGRATION IN PARAMETRISCHE
MODELLIERER
Abbildung 2: Prozesskette des Simulationsmodells im
CAD zur Erzeugung der Raumwirkung komplexer
parametrischer Architekturentwürfe
Der gesamte Simulationsaufbau ermöglicht es, eine
qualitative Bewertung der Raumwirkung in
Abhängigkeit
parametrischer
Komponenten
vorzunehmen.
Bei
Überschreiten
definierter
Grenzwerte wird eine Simulation der veränderten
Parameter veranlasst und als Ergebnis ein
graphisches Rendering ausgegeben.
Interaktionsmöglichkeit mit dem CAD-Modell
Datenerfassung und -verarbeitung externer
Parameter
Status A
wolkenlos
Zur Erfassung externer Parameter des Klimas und der
Nutzerinteraktion wurde eine Kombination aus Softund Hardwarekomponenten entwickelt. Für den
Steuerungskern am PC wurde eine Schnittstelle
genutzt, die es ermöglicht, die externen Parameter zu
erfassen. Je nach Nutzen und Notwendigkeit kann sie
auf das Simulationsmodell angewendet werden.
Der verwendete Controller ATmega 328 stellt eine
Komponente des Arduino- Boards UNO dar. Arduino
ist eine ´Physical Computing Platform´, die auf
einem logischen Input-Output Mikrocontrollerboard
basiert und eine Entwicklungsumgebung der
Processing Programmiersprache darstellt.
Das Mikrocontroller-Board kann mit verschiedenen
Eingabeports
versehen
werden,
um
die
Umgebungsparameter zu erfassen. Die empfangenen
Daten können durch die Programmierumgebung des
auf dem Board befindlichen Mikrocontrollers
ausgelesen
und
zur internen
Verarbeitung
bereitgestellt werden. Der integrierte Controller
erhält mithilfe der Programmierung eines Sketches
(Firmware des Mikrocontrollers) die Möglichkeit,
auf die Eingangssignale zu reagieren und eine
entsprechende Reaktion zu veranlassen. Das ist
beispielsweise die Bereitstellung der Messwerte über
eine weitere Schnittstelle für den PC.
Die Schnittstelle zwischen den Klimafaktoren und
dem Mikrocontroller bildet die Messtechnik. Im
konkreten Fall handelt es sich um den
Helligkeitssensor TLS 2561. Die Aufgabe des
Sensors ist dabei die Erfassung nichtelektrischer
Messgrößen und Wandlung in elektrische Signale für
den Mikrocontroller.
Externe
Faktoren
Mikrocontroller
Eingabe
Sensoren
Klima
Nutzer
Interaktion
Helligkeitssensor
Bewegungssensor
Verarbeitung
Controller
PC
Status C
Maximale
Verschattung
Abbildung 4: Funktionsprinzip der MenschComputer-Interaktion mittels nutzerbedingter
Adaption am Sensor: Simulation von Verschattung
mittels Beeinflussung der Umgebungshelligkeit
Wie in der vorangegangenen Abbildung dargestellt,
kann durch aktives Handeln Einfluss auf die
gemessene
Beleuchtungsstärke
eines
Helligkeitssensors genommen werden. Ein von Hand
erzeugter Schatten über den Dioden des Sensors
simuliert Bewölkung von geringer bis starker
Wolkenbildung. Es sind drei Verschattungsstufen zu
unterscheiden: Wolkenlos ohne Beeinflussung der
Beleuchtungsstärke (Status A), eine mäßige
Verschattung (Status B) und eine starke Bewölkung
aufgrund maximaler Verschattung durch den Nutzer
(Status C). Für eine qualitative Auswertung kann ein
künstlicher Himmel eingesetzt werden.
Positionsänderung
Adaption des
virtuellen Modells
z
x
y
Simulationsumgebung
Datenverarbeitung
und Aufbereitung
Mikrocontroller
Ausgabe
Datenexport
Status B
Verringerte
Strahlungsintensität
CAD
Nutzerinteraktion
Analog-Stick
Abbildung 5: Funktionsprinzip der MenschComputer-Interaktion: Positionsänderung im
Simulationsmodell mittels auf einem NunchukController befindlichen Analog-Stick
Abbildung 3: Prozesskette des Simulationsmodells
zur Datenerfassung und -verarbeitung externer
Faktoren
- 628 -
Am Beispiel des Nunchuck-Controllers von Nintendo
wird ein Verfahren beschrieben, anhand dessen eine
fiktive Person im virtuellen Raum gesteuert wird.
Der Nutzer bewegt dafür einen auf einem Nunchuk
angebrachten Analog-Stick. Mittels in die Hardware
integrierte
Potentiometer
lassen
sich
Spannungsänderungen, die durch eine Bewegung des
Sticks ausgelöst werden, messen und daraus die
Änderung zum Ursprung, die Bewegungsrichtung
und die Bewegungsgeschwindigkeit ableiten. Die
Funktionsweise ermöglicht eine genaue Bestimmung
von Bewegungsabläufen der fiktiven Person auf einer
zweidimensionalen Ebene im virtuellen Raum mit
entsprechend zwei Freiheitsgraden (x, y).
Parametersimulation
Beim parametrischen Entwerfen geht es vorrangig
um assoziative Verknüpfungen der Parameter
verschiedener geometrischer Objekte zur Abbildung
komplexer
Abhängigkeiten,
die
in
einer
Baumstruktur organisiert sind (König, et al. 2011).
Architektonische Entwürfe nutzen die Strukturen zur
Darstellung geometrischer Raumstrukturen, da sie
eine Freiheit in der formalen Gestaltung bieten.
Um sensorbasierte Information in Grasshopper
auslesen und verarbeiten zu können, wurde das PlugIn Firefly als Schnittstelle zur Hardware verwendet.
Die Software bezieht die Messwerte vom
angeschlossenen Mikrocontroller und ermöglicht ein
Weiterverarbeiten. Eine Anpassung der Messdaten an
die gewünschte Klimasituation kann durch den
Nutzer mit dem Regler für den Verschattungsfaktor
vorgenommen werden.
Messdaten
Systemgrenze
Datenimport Firefly
Verschattungsfaktor
Drehwinkel X|Y
Teilungsfaktor
Fassadengeometrie
Blattwerk
Abbildung 7: Ausschnitt aus Grasshopper mit Regler
und Schaltungen am Beispiel Teilungsfaktor der
Fassadengeometrie
Anschließend fließen die Daten in die Berechnung
der dynamischen Fassadenkomponenten ein. Die
geometrischen
Änderungen
der
einzelnen
Komponenten können anhand von Drehwinkel und
Teilungsfaktor bestimmt werden. Sie ergeben ein
gesamtheitliches Abbild der Fassadenstruktur als
Blattwerk. Der Nutzer erhält zusätzlich die
Möglichkeit die transparenten Eigenschaften der
Fassade
zu
verändern,
indem
er
die
Häufigkeitsverteilung manuell variiert. Diese werden
anhand eines Zufallsprinzips unter Berücksichtigung
eines geringen Prozentsatzes an spiegelnden Flächen
angewendet.
Die geometrischen Eigenschaften sowie die
definierten Transparenzgrade fließen gesamtheitlich
in die anschließende Lichtsimulation ein.
Lichtsimulation
Zur qualitativen Bewertung der Raumwirkung wird
die Lichtsimulation jede Änderung der Sensordaten
in nahezu Echtzeit als graphisches Rendering
ausgegeben. Für das Experiment wurde die
Raumwirkung anhand 5 verschiedener Szenarien
untersucht: V1 Änderung des Verschattungsgrades
durch Nutzerinteraktion am Sensor, V2 Einfluss der
Jahreszeiten auf die Fassadengeometrie am 21.6.
21.9. und 21.12. um 12 Uhr, V3 Sonnenaufgang am
21.9. von 6 bis 10 Uhr, V4 Einfluss der
Außenlufttemperatur und V5 Positionsänderung
durch Nutzerinteraktion.
Die folgende Auswertung bezieht sich auf die
Experimente V1 und V5, da sie auf die
Nutzerinteraktion Bezug nehmen.
Transparenzgrad
Lichtsimulation, DIVA/Daysim
Systemgrenze
Rendering
Abbildung 6: Prozesskette zur Datenverarbeitung
und Geometrieermittlung in Grasshopper
- 629 -
UNTERSUCHUNG VON LICHTWIRKUNG UND RAUMEINDRUCK
V1a
V5a
y
>2,0m
x
V1b
V5b
y
y
<2,0m
x
V1c
V5c
x
y
y
<1,0m
x
Abbildung 8: Änderung des Verschattungsgrades
durch Nutzerinteraktion am Sensor als Außenraumund Innenraumperspektive. 21.12. um 12 Uhr,
Sonnenhöhe 19°, Einstrahlwinkel 176°, Standort
Augsburg
Abbildung 9: Änderung der geometrischen
Fassadeneigenschaften durch Positionsänderung
anhand Nutzerinteraktion als Außenraum- und
Innenraumperspektive. 21.12. um 13 Uhr,
Sonnenhöhe 18°, Einstrahlwinkel 190°, wolkenlos,
Standort Augsburg
Die Ergebnisse zeigen eine angenommene Änderung
des
Bewölkungsgrades
für
den
Betrachtungszeitpunkt 21. Dezember, 12 Uhr.
Bewölkungssituation: V1a sonnig, V1b mäßig
bewölkt und 1c stark bewölkt (linke Abbildung). In
der mittleren Abbildung wird der Simulationsaufbau
in Grasshopper mit dem Sonneneinstrahlwinkel
gezeigt, rechts die Simulationsergebnisse aus
DIVA/DAYSIM als Rendering.
Die Veränderung der Umgebungshelligkeit durch den
Nutzer führt im Simulationsmodell zu einer
Änderung der geometrischen Eigenschaften und
folglich des Transparenzgrades der dynamischen
Fassadenkomponenten. Der räumliche Eindruck wird
durch mehrere Einflussgrößen bestimmt. Ein
unbewölkter Himmel führt bei Variante 1a zu
Schattenbilder des Blattwerks mit starken Kontrasten
auf dem Boden (rote Markierung). Bedingt durch die
streuenden Eigenschaften zunehmender Bewölkung
verringert sich der Kontrast, bis die Konturen
einzelner Blätter nicht mehr wahrgenommen werden
können.
Die Zunahme des Bewölkungsgrades führt insgesamt
zu einem helleren Raumeindruck im Bereich von
Decke, Wände und Boden (grüne Markierung). Auch
der Bezug zum Außenraum gewinnt bei
zunehmender Bewölkung an Bedeutung. Durch die
horizontale Anordnung der Fassadenelemente wird
die Blickbeziehung von Außen- und Innenraum für
den Nutzer ermöglicht (blaue Markierung).
- 630 -
In einem Szenario nähert sich eine simulierte Person
der Fassade. Dafür soll der direkte Ausblick in den
Außenraum und somit die Interaktion mit der
Umwelt gefördert werden. Beträgt die Distanz
zwischen von Person und Fassade mehr als 2,0 Meter
(freier Parameter), wird keine Systemänderung
veranlasst und der Verschattungsgrad anhand der
umgebenden Klimaeinflüsse bemessen, wie Variante
5a zu entnehmen. Innerhalb eines Segments ändert
sich der örtliche Öffnungswinkel der dynamischen
Komponenten,
V5b.
Bei
zunehmender
Distanzverringerung vergrößert sich der betroffenen
Bereich anhand der Aktivierung weiterer Elemente
(grüne Markierung). Zeitgleich erhöht sich der
Öffnungswinkel aller Elemente im markierten
Bereich V5c.
Die Änderung der Fassadengeometrie nimmt
wiederum Einfluss auf das Schattenbild der
Raumflächen und schließlich der Raumwirkung.
Entsprechend der virtuellen Nutzerposition entsteht
eine ´scheinbar leuchtende Fläche´ durch den
erhöhten Anteil der direkten Sonnenstrahlen. In
diesem Bereich führt das wiederum zu einer
Veränderung
der
Schattenwirkung
in
den
angrenzenden Bereichen: In der unmittelbaren
Umgebung wirken sie kontrastreicher und die Ränder
erscheinen scharfkantiger.
ERGEBNISSE UND DISKUSSION
Abbildungen 10 bis 12: Aufbereitung der
Simulationsergebnisse aus den Versuchen 1a bis 1c:
Raumwirkung der dynamischen Fassadenstruktur bei
zunehmender Bewölkung
Durch eine Kopplung der Standardwerkzeuge der
digitalen
Architekturmodellierung
mit
dem
Simulationsmodell lassen sich der Raum, die
Sensoren und vor allem die Architekturwahrnehmung
zu einer Einheit führen. Der Gewinn liegt in der
Interaktionsmöglichkeit des Modells durch den
Nutzer sowie der Einbindung der umgebenden
Klimafaktoren. Eine interaktive und realistische
Darstellung des Entwurfskonzeptes wird ermöglicht.
Die Aufbereitung der Simulationsergebnisse in
nahezu
Echtzeit
erlaubt
die
Überprüfung
verschiedenster
nutzerund
klimabedingter
Szenarien. Neben der Betrachtung der Raumwirkung
ermöglicht das Simulationsmodell auch die Ausgabe
fotometrischer Grundgrößen für weiterführende
Bewertungen.
- 631 -
Während der Arbeit mit DIVA/DAYSIM stellten
sich
Einschränkungen
für
den
gezeigten
Simulationsprozess heraus. Die Veränderung der
Umgebungshelligkeit während der Dämmung, sowie
die spektralen Lichtfarben können nicht differenziert
dargestellt werden, sodass der Innenraum einem
gleichbleibenden
Farbton
mit
identischen
Helligkeiten in diesem Zeitraum unterliegt.
Auch ist ein Kompromiss zwischen der Qualität der
Renderings und dem Anspruch auf ein EchtzeitFeedback zu finden. Mit einer erhöhten Zahl an
Reflexionsschritten können zwar kleinteilige
Geometrien und weiche Schattenverläufe korrekt
erfasst und berechnet werden, allerdings steigt damit
die Berechnungszeit stark an, sodass keine EchtzeitAntwort mehr möglich ist. Daher wäre für einen
zukünftigen Einsatz des Simulationsmodells die
Implementierung einer alternativen EchtzeitRendering-Software ratsam.
LITERATUR
DIVA 2014: DIVA-Rhino, Version 2.1.1.1.
Verknüpfung von Rhinoceros mit DAYSIM.
Abgerufen
am
1.
Juli
2014
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http://diva4rhino.com/
Dörner, R. Broll, W. Grimm P. Jung, B. 2013.
Virtual und Augmented Reality (VR/AR).
Grundlagen und Methoden der Virtuellen und
Augmentierenden Realität. Springer-Verlag
Grasshopper 2014: Grasshopper Version 1.0
(0.9.0075) (04/04/2014). Plug-In für Rhino3D.
Abgerufen
am
1.
Juli
2014
unter
http://www.grasshopper3d.com
König, R. Geddert, F. 2011. Algorithmic
Architecture – Arbeiten zu parametrischen
Entwurfsmethoden an der Bauhaus-Universität
Weimar
- 632 -
König, R. 2012. Entwicklung des parametrischen und
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Juni
2014,
http://entwurfsforschung.de/entwicklung-desparametrischen-und-algorithmischen-entwerfens/
Lugmair, K. 2006. Sensorische Integration. Ludwig Maximilians - Universität München
Rhino3D
2014.
3D-Modellierungssoftware.
Abgerufen
am
1.
Juli
2014,
http://www.rhino3d.com
Stöcklmayr, N. 2009. Architektur ohne Maßstab.
Digitale Visualisierungen im Entwurfsprozess.
Publikation der Interdisziplinären Arbeitsgruppe
Bildkulturen: Maßlose Bilder. Visuelle Ästhetik
der Transgression, Wilhelm Fink Verlag
München

Methode zur Visualisierung parametrischer und interaktiver

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