Журнал «СВЕТОТЕХНИКА», 2007, №1 

Компьютерное моделирование архитектурного освещения

Т.В. БИБИКОВА, В.П. БУДАК

Московский энергетический институт (ТУ)

Приходилось ли Вам переставлять настольную лампу на вашем рабочем месте? Наверняка Вы не раз вращали ее подвижную часть, чтобы добиться максимально комфортного для Вас освещения. Настольная лампа не слишком громоздкий предмет, и ее перемещение даже в пределах комнаты едва ли доставит Вам неудобства. Задача многократно усложняется, если необходимо осветить не локальную поверхность небольших размеров, а фасад здания. Многократное перемещение осветительной установки (ОУ) в таком случае весьма трудоемко, причем не каждое вносимое изменение может быть эффективным, а оценка результатов перемещения требует времени. Весьма небесполезна в подобных задачах предварительная визуализация, позволяющая оценивать результаты расчета.

Для оценки существует масса возможностей, позволяющих делать объективные выводы касательно ряда показателей ОУ – от среднего уровня освещенности на всей рабочей поверхности до значений освещенности в конкретных расчетных точках, для чего используются самые различные функции программ, которые в статье будут рассмотрены. На сегодня известно немало светотехнических программ, помогающих вести расчеты и получать изображения, однако возможности компьютера не стоит переоценивать. Машинные вычисления основаны на характеристиках уже выбранных Вами осветительных приборов (ОП) и местах их расположения, и прежде чем обратиться к компьютеру, необходимо создать концепцию освещения.

Укажем необходимые, на наш взгляд, этапы проектирования ОУ для архитектурного наружного освещения (АНО). АНО требуется в темное время суток, и, несомненно, избежать разницы в дневном и ночном обликах архитектурного объекта крайне сложно. Однако идентичность восприятия при этом едва ли нужна. Основная задача АНО, на наш взгляд, – не разрушать архитектурной целостности объекта, подчеркивать особенности стиля, выделять нужные элементы и, возможно, скрывать какие-то недостатки. Для эффективного проектирования ОУ для АНО необходим анализ нескольких показателей, среди которых на первом месте – местоположение объекта, определяющее количественные параметры.

Для АНО по строительным нормам и правилам (СНиП) таковыми являются средние яркость фасада и яркости акцентируемых светом элементов, а также параметры локального освещения. Кроме того, освещенный объект должен органично вписываться в уже существующее окружение. Немаловажна и функциональность объекта, определяющая необходимость подсветки входов, аварийных выходов, а также возможность попадания прямого света от ОУ в оконные проемы. Все вышеперечисленное – условия необходимые, но недостаточные.

Грамотное освещение, выгодно подчеркивающее индивидуальность и неповторимость объекта, невозможно без анализа его архитектурного стиля и форм. Каждому стилю присуще наличие характерных элементов. Здание классического стиля часто бывает симметричным, с выделенной центральной частью с портиком, колоннами или пилястрами и тимпаном; над рядом окон размещены сандрики или замки, а оконные проемы, как правило, обрамлены лепными наличниками. На крыше здания может быть башня с ротондой, оканчивающаяся куполом.

Попробуем спроектировать оптимальную ОУ, используя программу DIALux. Одно из бесспорных преимуществ этой программы – общедоступность (бесплатность). И если по каким- то причинам она перестанет Вас удовлетворять, Вам легко от нее отказаться. Кроме того, она достаточно проста в применении, обладает дружественным интерфейсом и не требует специальных навыков работы с ней.

Будем освещать характерные элементы различными способами, а далее, выбрав наиболее, на наш взгляд, подходящие, скомбинируем и оценим результат. Такой подход не ограничен рассмотрением конкретного объекта, и потому позволит сформулировать некоторые рекомендации по освещению зданий классической архитектуры. Кроме того, поскольку время расчета зависит от сложности сцены, а значит – от количества ОП и размеров освещаемых объектов, займемся поэлементным АНО, что займет меньше времени и ускорит получение конечного результата.

Итак, рассмотрим АНО следующих характерных для классического стиля элементов: колонны, портика и пространства тимпана. Такой часто встречающий архитектурный элемент, как колонна, несложно смоделировать, используя стандартные элементы – параллелепипед и цилиндр. Создадим соответствующую сцену АНО. При этом капитель колонны, как правило, довольно сложна по форме, но для общей оценки точное воспроизведения архитектурных деталей нам не требуется. Зададим высоту цилиндра в 7 м и размеры пьедестала для него – 1 м х 1 м. Установим цилиндр на параллелепипед, длину и ширину которого выберем так, чтобы он был больше пьедестала, а его высоту зададим так, чтобы стандартный элемент «параллелепипед » выглядел как плита, например, толщиной 0,3 м. Скопируем эту «плиту» и положим на колонну сверху. Стоит отметить, что для таких перемещений, как правило, удобнее использовать двухмерный вид, в нашем случае это может быть вид сбоку.

Традиционно колонны подсвечиваются снизу, поскольку основной интерес в архитектурном смысле представляют их капители. Поскольку высота нашей колонны 7 м, воспользуемся ОП узконаправленного светораспределения. Программа позволяет воспользоваться ОП довольно многих производителей; в настоящее время практически любая фирма- производитель имеет плагин (plug-in) – подпрограмму, позволяющую использовать светотехнические данные ОП, приводимые в каталогах фирмы, для реализации приобретаемых ОП в среде DIALux. Таким образом, Вы можете выбрать ОП фирмы, плагин которой у Вас установлен, а недостающие каталожные данные, как правило, можно скачать на сайте этой фирмы. Световой поток используемого в данном проекте ОП (прожектора) составляет 6600 лм. ОП может быть установлен не на основании колонны, а около него, как то показано в файле КОЛОННЫ [1].

В открытом файле попробуйте вращать сцену, оценивая вид колонны со всех сторон, а движением колесика мыши выбирать нужную «приближенность» объекта. Уровень яркости, не обращаясь к результатам вычислений в контрольных точках, можно увидеть, подведя курсор мыши к интересующей Вас поверхности, однако оценить равномерность освещения таким образом довольно трудно, так как восприятие полученной инсталляции во многом зависит от настроек монитора. Оценить полученные результаты визуально можно с помощью фиктивных цветов, нажав на панели значок «отображение фиктивных цветов», который становится доступным по окончании расчета (название значка появляется при наведении на него курсора мыши).

Одинаковые уровни яркости изображаются соответствующим цветом, благодаря чему легко выявляются переосвещенные и недоосвещенные поверхности – без расчетов яркости в конкретных точках. Соответствие цвета определенному уровню яркости может выбираться самостоятельно. Вы можете задавать дискретные нужные Вам уровни или, задавая минимальный и максимальный уровни и используя функцию «интерполировать» (которая становится доступной при использовании режима фиктивных цветов), получать промежуточные значения.

Итак, на поверхности колонны видно небольшое красное пятно, соответствующее яркости 130 кд/м2, появление которого неизбежно. Однако же в целом колонна получилась достаточно равномерно окрашенной в сине-фиолетовые цвета, что в нашем файле соответствует уровням яркости от 10 кд/м2 в синем свете до 30 кд/м2 – в фиолетовом. При этом эти уровни согласуются с требованиями СНиП.

Попробуем расположить ОП сверху. При этом для удобства перейдем на вид сбоку и переместим ОП вверх. И поскольку в реальности ОП должен быть как-то закреплен, закрепим его вверху колонны. Запустим расчет – ОП закрывает капитель, и она остается неосвещенной, следовательно, это не лучшее расположение ОП. Может быть лучше ОП закрепить на фасаде над колонной? Для моделирования такой ситуации поместим ОП – это опять-таки удобнее сделать на виде сбоку – над колонной и оценим результат. Даже без помощи фиктивных цветов на капители колонны видно темное пятно. Известен также способ АНО, при котором ОП закрепляется не на самой колонне или в непосредственной близости от нее, а на каких-нибудь конструкциях напротив освещаемого объекта, например на фонарном столбе. Эффективность такого способа во многом зависит от окружающей обстановки и реальных возможностей закрепления ОП.

Впрочем, DIALux позволяет устанавливать ОП и просто в воздухе, а также задавать освещаемую точку. Для оценки этого способа АНО поместим наш ОП в пространство перед колонной. Это легко сделать на виде сверху, а высоту регулировать на видах сбоку или спереди. При помещении ОП в указанное пространство на панели инструментов активизируется функция задания освещаемой точки. Если воспользоваться ею, вместо привычного курсора мыши в виде стрелки появляется перекрестие, с помощью которого можно обозначить точку рабочей поверхности, в которую должен нацеливаться ОП. Для наглядности этой операции можно воспользоваться отображением фотометрического тела ОП, благодаря чему видно, как световой поток ОП распределяется в пространстве.

Попробуйте установить ОП на разной высоте и на разном расстоянии от освещаемой колонны. Добиться желаемого результата – как можно равномернее осветить колонну при данном расположении ОП – получится не сразу. На приведенном рисунке ОП расположен на высоте 11,5 м на расстоянии 7 м от колонны. Воспользовавшись фиктивными цветами, можно заметить неравномерность освещения объекта: в центральной части, куда направлена основная часть светового потока, яркость достигает 150 кд/м2, причем область, соответствующая этому уровню, довольна обширна; и напротив, сверху и снизу практически на треть колонна темна – уровни яркости в этих местах не выше 10 кд/м2. Изменить эти уровни можно используя ОП с большим световым потоком, однако в части равномерности такой шаг ситуацию не изменит.

Перейдем теперь к вариантам освещения портика. Поскольку портик – выступающая перед фасадом здания открытая галерея, образуемая колоннами, несущими перекрытие, для рассмотрения вариантов освещения смоделируем данную конструкцию тем, что «размножим» уже имеющуюся колонну. Для этого объединим все элементы колонны, последовательно выделяя каждый элемент (удерживая клавишу «shift»), а потом в выпадающем в меню списке функции «Обработать » выберем «скопировать вдоль одной линии». В открывающемся слева окне выбираем нужное число колонн – нам достаточно трех. Колонны установим на невысокий постамент, а сверху положим плиту, опять полученную из «параллелепипеда ». Для освещения колонн ОП расположим снизу. Поскольку ОП несколько, удобно воспользоваться линейкой ОП, с помощью которой просто добавлять и удалять ОП, не задумываясь всякий раз, насколько равномерно они установлены–программа автоматически расставляет их с равным интервалом на заданном расстоянии. Начало и конец отрезка, на котором располагаются ОП, можно определять как с помощью курсора мыши на любом из видов, так и задавая точные координаты в окне Инспектора слева.

На виде сверху расположим линейку ОП вдоль колонн. Для симметричного расположения ОП зададим соответствующие координаты начала и конца этой линейки. Высоты расположения ОП тоже можно задавать – исходя из известной нам высоты постамента, на котором располагаются колонны. Обратимся к файлу ПОРТИК [1]: АНО колонн практически не действует в пространстве за ними, что хорошо видно при отображении фиктивными цветами. Однако при нормируемой яркости элементов в 30 кд/м2 средняя яркость фасада должна составлять не менее 10 кд/м2. Поскольку трехмерные сцены можно поворачивать на 360° в любой плоскости, установим фронтальный вид портика и оценим результат. Колонны резковато выделяются на темном фоне, разрушая целостность восприятия фасада.

Теперь добавим ряд ОП в пространство за колоннами. Воспользуемся вновь линейкой ОП, пусть снова с тремя ОП. Высоту установки ОП легко определять на виде сбоку или исходя из высоты колонн во вкладке «Монтажная высота». Не забывайте, что отсчет ведется от светового центра ОП. Из результатов расчета – для наглядности используем фиктивные цвета – следует, что трех ОП недостаточно: фоновое для колонн освещение задней стены получается весьма слабым и неравномерным.

Далее попробуем использовать ОП с большим световым потоком. Для этого просто заменим ОП в уже установленной линейке ОП на ОП со световым потоком в 14 000лм и запустим расчет. Видим – задняя стена окрасилась в фиолетовый фиктивный цвет, что по нашей шкале соответствует 10 кд/м2, т.е. яркость увеличилась, но желаемой однородности фона достичь не удалось. Попробуем добиться указанной однородности, увеличив число ОП, например до 7, по-прежнему не меняя их расположения. Запустим расчет – яркость фона возросла до яркости колонн. Но равнояркость фона и выделяемых на нем элементов, т.е. колонн, не соответствуют положениям СНиП, да и сама идея акцентирования колонн как архитектурных элементов рушится.

Попробуем исправить ситуацию, оставив прежним число ОП и перейдя на ОП с меньшим световым потоком, например, в 6600 лм. В этом случае стена освещена наиболее равномерно, и ее яркость меньше яркости колонн. Колонны выглядят зрелищно ярко, и, не контрастируя с фоном слишком, не отвлекают чрезмерного внимания на себя.

Во многих случаях фасад имеет окна. В зависимости от функционального назначения объекта – является ли он жилым зданием или памятником архитектуры–попадание прямого или отраженного света от ОУ в окна недопустимо в первом случае и возможно во втором. Посредством DIALux соответствующих неприятностей можно избегать, размещая в нужном месте оконные проемы и с помощью фиктивных цветов оценивая уровни яркости освещенности в плоскости окон.

Перейдем к освещению тимпана – файл ТИМПАН [1]. Для его моделирования мы используем стандартный элемент «призма». По его периметру для большей реалистичности можно расположить элемент «бордюр», который можно найти среди файлов с мебелью [1]. Неизменным требованием остается определенный уровень яркости, не превышающий указанной нормы в 30 кд/м2. Для начала попробуем установить ОП на основании тимпана. Далее – знакомая операция – берем линейку ОП и на виде спереди устанавливаем ее на основании тимпана. Если, как в случае портика, ОП окажется недостаточно – как в нашем случае пяти ОП со световым потоком 6600 лм, – тимпан будет выглядеть полосатым, что нас не может удовлетворить.

Оставим число ОП на основании прежним (пять) и добавим к ним ОП, установленные на боковых сторонах. Установить линейку ОП под нужным углом наклона можно во вкладке «Вращения» в окне Инспектора. Оставим по два ОП с каждой стороны тимпана, а пятый ОП установим в его вершине. Визуализация, полученная по результатам расчета, показывает тимпан освещенным еще «пестрее», не соответствующим классическим канонам, и потому попробуем его осветить равномерно. Для этого возьмем большее число ОП с меньшим, по сравнению с предыдущим, световым потоком – 3300 лм. Число ОП естественно, зависит от длины основания тимпана.

Попробуйте поварьировать это число и оценить указанную равномерность. Достигнутый нами неплохой результат соответствует числу 23. И еще – во избежание «оторванности» тимпана от портика следует обеспечить пространству между ними тоже равномерное освещение с уровнем яркости, меньшим, чем у выделяемых на фасаде элементов.

Конечно, мы рассмотрели не все элементы классического стиля, но мы надеемся, что Вы, воспользовавшись описанными приемами, попробуете применять их для других архитектурных форм.

Заключительный этап расчета АНО состоит в совмещении всех частей в единое целое. Соблюдение должных уровней яркости отдельных составляющих объекта при освещении сводит возможность появления чрезмерно выделяющихся на фасаде элементов к минимуму. Переосвещенные участки могут возникать в местах пересечения световых пучков.

Присылайте свои вопросы и пожелания по адресу inet@svetoservis.ru.
Успехов Вам!

Выпуск подготовила Новикова Евгения
Группа компаний "Светосервис"

www.svetoservis.ru