Schattensimulation

in Planung und Architektur

Definition

In aller Regel werden Radiosity-Berechnungen zur Kontrolle von konkreten Lichtplanungen oder Überprüfung von Tageslichtkonzepten eingesetzt. Eine präzise Aufgabenstellung ist die Voraussetzung, um zu den gewünschten Antworten zu kommen. Insbesondere bei Radiosity-Berechnungen besteht die Gefahr, dass zu komplexe räumliche Situationen im Nachhinein vereinfacht werden müssen, um mit einem vertretbaren Aufwand zu den gewünschten Resultaten zu kommen.

Anwendung

Schattensimulationen nach vorliegender Definition eignen sich für folgende Untersuchungen:

Überprüfung der Beschattung von oder durch Nachbarliegenschaften.

Im Rahmen von Baubewilligungsverfahren kann von der entsprechenden Baubehörde eine Aufzeichnung der Schattenwürfe eines geplanten Gebäudes verlangt werden. Dies ist mitunter der Fall bei Einsprachen gegen ein Bauvorhaben durch Eigentümer von Nachbarliegenschaften; kann jedoch auch von vornherein - z.B. bei grösseren Gestaltungsplanungen - von den Behörden verlangt werden. Andererseits ist es auch möglich, für ein geplantes Bauvorhaben die voraussichtliche Beschattung durch schon existierende Bauten - sofern deren Geometrie bekannt ist - zu simulieren und entsprechende Projektanpassungen vorzunehmen.

Überprüfung des Schattenwurfes eines geplanten Gebäudes auf sich selbst (Selbstbeschattung)

Natürlich interessiert auch die direkte Besonnung eines geplanten Gebäudes. So kann das Wissen um die Sonneneinstrahlungs-Verhältnisse Auswirkungen auf die geografische Ausrichtung eines geplanten Gebäudes haben, oder seine Einbettung in der Topografie. Grosse Wichtigkeit kann auch die Überprüfung von direkter Sonneneinstrahlung im Rauminnern haben. Oftmals steht hier jedoch eine unerwünschte Sonneneinstrahlung im Zentrum des Interesses. Geplante Beschattungselemente an der Gebäudehülle können so auf ihre Tauglichkeit hin untersucht werden.

Allgemeines Vorgehen

Im Zentrum des Vorgehens steht auch hier eine klare Aufgabenstellung. Am häufigsten werden wohl Tagesdurchgänge simuliert, d.h. an festgelegten Daten wird ein Sonnendurchgang u verschiedenen Tageszeiten simuliert. Oftmals werden von Behörden Daten und Zeiträume, bzw. -intervalle der Simulation vorgegeben. Seltener werden zu festen Tageszeiten die jahreszeitlich sich ändernden Licht/Schatten-Verhältnisse überprüft.

Zur Erstellung eines geeigneten 3D-Modelles: Da die Visualisierung von Schattenwürfen eine klar definierbare Aufgabe erfüllen, sind einfachere Modelle sehr gut für diese Aufgabe geeignet. Sollen spezielle Fassadendetails bezüglich Beschattung überprüft werden, sind selbstverständlich tiefere Detaillierungsgrade gefragt. Zur Modellarbeit gehört auch die Einbettung in eine präzise Topografie sowie die genaue Ausrichtung des Modelles bezüglich der geografischen Nordrichtung.

Wenn keine genauen Vorgaben existieren, steht sicher die Simulation des Sonnenverlaufes während der Tagundnachtgleiche (Äquinoktium) - als quasi "mittlerer Jahrestag" - im Vordergrund. Oft werden zusätzlich die Daten des 21. Dezember (kürzester Tag) und des 21. Juni (längster Tag) zur Simulation herbeigezogen. Sicher ist die Darstellung der Extrema interessant, ihre Aussagekraft bezüglich einer möglichen Bewertung einer konkreten Planungssituation jedoch nicht sehr hoch. Bessere Dienste erweisen hierbei die Schattensimulationen an einem sogenannten "mittleren Wintertag" , bzw. an einem "mittleren Sommertag". Die Darstellung dieser Tage bieten eher für einen bestimmten Zeitraum eine allgemeine Aussagekraft.

Die Ausgabe der berechneten Bilder erfolgt sinnvollerweise als statische Bildserie. Die Erzeugung von Animationen steht normalerweise nicht im Vordergrund: Die geforderte Kontrolle und Beurteilung ist einzig an statischen Bildern möglich. Animierte Schattensimulationen können hingegen einen starken ästhetischen Reiz haben und unter Umständen gewisse Raumqualitäten gut visualisieren. In diesem Zusammenhang steht die Raumatmosphäre im Vordergrund und nicht eine technische Überprüfbarkeit.

Alternativen zur Computersimulation

Als konventionelle Technik zur manuellen Konstruktion von Schattensimulationen dienen noch heute Schattenlängen-Diagramme, deren Informationen - nach Datum und Uhrzeit - in einen Grundriss eines geplanten Gebäudes übertragen werden und die Konstruktion des Schattenbildes auf dem Baugrund als Aufsicht erlauben. Der Aufwand zur Konstruktion eines einzelnen Sonnenstandes mag dabei für einfachere Objekte noch vertretbar sein. Oftmals sind jedoch ganze Bildserien (Tagesdurchgänge) zu verschiedenen Stichtagen gefragt. Erschwerend ist allenfalls auch die Berücksichtigung der Topografie auf dem Baugelände und die horizontale Verschiebung von Gebäudeteilen zueinander, wenn mit dieser konventionellen Methode gearbeitet wird. Nicht unwesentlich ist ebenso die unpräzise Grundlage der vereinfachten Schattenlängen-Diagramme.

Eine andere konventionelle Methode, welche schon sehr viel aufwendiger ist, besteht darin, ein massstäbliches Modell unter einer künstlichen Sonne zu platzieren, welche in der Postition nach Datum, Zeit und geografischer Lage des Objektes justiert werden kann.

Grenzen der Schattensimulation

Wie eingangs erwähnt, steht bei der Schattensimulation nur die Unterscheidung zwischen belichteten und beschatteten Objektflächen im Zentrum des Interesses. Diffuslichtverteilungen bleiben in der Regel ebenso unberücksichtigt wie Energieeinstrahlungen durch das Sonnenlicht. Insbesondere bei der Beurteilung der direkten Sonneneinstrahlung in Innenräume ist dieser Beschränkung besondere Beachtung zu schenken. Oft wird die direkte Sonneneinstrahlung mit einer Berechnung der Diffuslichtverteilung kombiniert, da ein Gesamteindruck der Taglichtverteilung im Raum gewünscht wird.

Arbeitsinstrumente und Know-How

Spezielle Anforderungen an die Hardware zur Schattensimulation lassen sich nicht nennen. Auf Seite der Software gibt es jedoch eine sehr wichtige Anmerkung. Im allgemeinen sind Schattensimulationsmöglichkeiten heute schon in sehr viele gängige CAD- und Visualisierungs-Programme integriert. Die Problematik liegt nun in der allgemeinen Forderung nach Präzision an die implementierten Formeln, welche die Sonnenstandsberechnungen vornehmen. Zur Verdeutlichung der Problematik: Wenn zum Beispiel die Bewilligung einer Überbauung innerhalb eines Gestaltungsplanes unter anderem von einem Nachweis abhängig gemacht wird, dass eine benachbarte Wohnsiedlung nicht über ein definiertes Mass hinaus beschattet wird, dann rückt die Präzision einer Schattensimulation sofort ins Zentrum des Interesses. Dies trifft enbenso für Bewilligungsverzögerungen durch Einsprachen wegen unzulässiger Beschattung zu: Jeder Monat Verzögerung kann grosse Mengen Geld verschlingen.

Werden Schattensimulationen für derartige Problemstellungen eingesetzt, so ist eine Überprüfung der errechneten Resultate und der Griff zu einem umfassenden Physikbuch fast unumgänglich. Viele Softwareproduzenten sind sich wohl des Umfeldes nicht bewusst, in dem die Benutzer ihrer Software die "nette Beigabe Schattensimulation" gerne nutzen würden. Als kleines Beispiel sei hier angefügt, dass die Annahme der Distanz Sonne-Erde als konstante Grösse (und nicht als jahreszeitlich sich ändernde Variable) innerhalb einer Formel schon verherende Abweichungen in den Resultaten erzeugen kann. Und wenn an einer Demonstration der Softwareverkäufer auf die Frage, ob die Schattenberechnung nach Lokalzeit oder Zonenzeit geschehe nur mit den Schultern zuckt, ist Vorsicht geboten.

Neben der Sicherheit bezüglich der Softwaregrundlage sollten die wenigen relevanten Grundbegriffe sowie die Zusammenhänge für das Zustandekommen von Tageszeiten und Jahreszeiten bekannt sein.

Glossar

Azimut		Horizontaler Sonnenwinkel in Abweichung der geografischen Südrichtung.
Elevation		Vertikaler Sonnenwinkel über dem Horizont.
Äquinoktium		Tagundnachtgleiche, jeweils um den 21. März und um den 23. September.
Lokalzeit		Am Sonnenstand gemessene, effektive Zeitmessung.
Zonenzeit		Praktische Zeitmessung nach Zeitzonen für jeweils 15 Längengrade.
UT, GMT		Universal Time, Greenwich Mean Time: Zonenzeiten werden in Stundenabweichungen von UT, bzw. GMT angegeben. Greenwich ist eine Stadt in England und liegt genau auf dem 0-Meridian (Längengrad).

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