光环境数值模拟于建筑设计方案替选之评价-树德科技大学.pdf

中華民國建築學會第二十屆第一次 建 築 研 究 成 果 發 表 會 論 文 集 二 O O 八 年 五 月 三 十 一 日 光環境數值模擬於建築設計方案替選之評估 An Evaluation of Light Environmental Numerical Simulation on Architectural Design 林嘉雄* 周伯丞 ** 江哲銘*** 張博碩 ****1 一、緣起與目的 早期 3D 系統軟體的技術礙於電腦硬體的限制，造成 大部分使用者的不便，近年來 由於電腦設備的精進與軟體使用的普及性日漸提高，專業建築設計軟體也逐漸被廣泛使 用，其中針對光源模擬軟體的可視化、數值化的模擬結果更是提高學術與實務之間的應 用，因此從事建築設計與室內設計人員再進行設計方案的評估時， 光環境數值模擬給予 較客觀的思考方向，因此許多設計人員為了追求真實度的表現，透過新的運算軟體評估 出接近真實的效果，這都必頇仰賴全區域照明的模擬效果 。本文就個案方式來作為解釋 如何以客觀的數值去評選各設計方案的優劣以及周遭環境的使用。 二、理論與方法 2-1 電腦模擬軟體 本研究採用Lightscape電腦軟體進行 光環境模擬，其原理是以光線近似熱輻射傳導 為基礎配合材料折射、反射特性的計算方式，依據北美照明工程學會 ( IESNA ) 標準配 光曲線資料加以運算，可依投光角度或北美照明學會標準格式指定燈具配光形式，可計 算室內表面照度值和輝度值，具晝光分析能力，能逼真表達複雜模組的空間特性。 為瞭解本研究所使用之預測工具 Lightscape可視化數值模擬的理論方法，其對軟體 使用程式中的漫射晝光可及性模型預測與光模擬原理之光跡追蹤法、熱輻射法的演算法 加以探討。 2-2 光環境運算及原理 整體照明 (global illumination)演算法發展成為光跡追蹤。在光線追蹤(Ray Tracing)的 意思是指跟蹤一條光線所通過的各種不同介質折 (反射面的路徑，並且在光線入射每個) 折(反射面的入射點處都應用一次) Snell 定律。近軸光線僅討論各個折(反射面都具有共) 同的主軸，即所謂同軸光學系統，在電腦繪圖中，光線追蹤的演算法是重要的。它們可 以描繪陰影，折射光與反射光的現象，這是其他方法很難達到的繪圖技巧，因此在這面 的研究也相當多。 *林嘉雄，樹德科技大學應用與設計研究所碩士 **周伯丞 ，樹德科技大學 室內設計系/建築與環境設計研究所副教授 ***江哲銘，國立成功大學建築系教授 ****張博碩 ，樹德科技大學 室內設計系兼任講師 H-147 Whitted根據光線追蹤詳細地說明光線通過某一情景傳播的精確計算，包括透明表 面和陰影光之折射與反射，如圖 1所示。這個方法成為產生非常逼真影像的主要 工具。 Robert利用分散式光線追蹤方法，在電腦上表現出有景深的可見物體，也可表現出陰 影、光澤和半透明顯像（江適文， 2000 ） 圖 1 光跡追蹤示意圖 圖 2 熱幅射光環境運算 熱輻射法是模擬整個環境中能量在物體間互相轉移的一種方法，藉由熱輻射能在物 質間相互傳遞的方法模擬光線在物體表面間交互反射的情形。在空間內，熱輻射值高的 區域的能量會傳遞到熱輻值低的區域，通常熱輻射值高的區域是光源的所在，而當整個 空間達到熱平衡所有表面接收的熱輻射值等於發散的( 熱輻射值時，每一個表面反射的) 光譜顏色就是發散的熱輻射值，而物體表面的亮度則是由物體表面所散發出的能量決定 （陳昱維，1999）。經由熱輻射法我們可以得到柔和陰影(soft shadow ) 、顏色調和(color blending) 等自然現象逼真影像如上圖 2 。 2-3研究範圍 將研究範圍周邊建築物以3D軟體 將現況建築物量體、高度、方位建構完成，在針 對主要檢討的區域或