Verschattungsfaktoren berechnen

Vorberechnung der Verschattungsfaktoren je Himmelssegment: Methoden Oberflächenteilung und Rendering, Qualitätsstufen Tregenza/Reinhart, Geometrie-Modus, Ausgabeformate und Aktualitäts-Hash

Überblick

VICUS Buildings berechnet die Verschattung durch Eigen- und Fremdverschattung (Gebäudeflügel, Nachbargebäude, Verschattungselemente) nicht während der dynamischen Simulation, sondern in einem vorgelagerten Rechenschritt. Ergebnis ist je Außenfläche und Fenster ein Verschattungsfaktor pro Himmelssegment (0 = vollständig verschattet, 1 = unverschattet), gespeichert in einer Datei shading_factors.tsv/.d6o/.d6b im Unterordner input/ des Projektdatenordners. Der Himmel wird dazu nach Tregenza bzw. Reinhart in annähernd gleich große Segmente unterteilt; aus den Segmentfaktoren bestimmt der Solver während der Simulation die Abminderung der direkten und diffusen Solarstrahlung (siehe Rechenmodell Fenster).

Aufruf

Hauptwerkzeugleiste, Schaltfläche Simulation (F10), dort Seite Dynamische Simulation, Reiter Gebäudeeinstellungen, Abschnitt Verschattungsberechnung. Erweiterte Optionen sind unter Detaillierte Einstellungen aufklappbar.

Die Berechnung setzt ein gültiges Simulationszeitintervall und gültige Standortdaten voraus; andernfalls ist die Startschaltfläche deaktiviert und eine entsprechende Fehlermeldung wird angezeigt. Breiten- und Längengrad werden aus den Standortdaten übernommen, ersatzweise aus der gewählten Klimadatei gelesen (siehe Klima & Standort).

Berücksichtigte Flächen

Welche Geometrie einbezogen wird, steuern die Optionen unter Simulierte Geometrie im selben Reiter:

  • Das gesamte Projekt simulieren (alle Gebäude) – alle Flächen des Projekts, unabhängig von Sichtbarkeit oder Selektion. Vor dem Start erscheint eine Rückfrage mit der Anzahl der Flächen, Teilflächen und Hindernisse.
  • Nur ausgewählte Geometrie simulieren – nur aktuell selektierte Flächen, Fenster und Verschattungselemente. Ohne Selektion bricht die Berechnung mit einer Fehlermeldung ab.

Verschattungsfaktoren werden nur für Außenflächen mit Himmelskontakt erzeugt. Übersprungen werden:

  • Flächen ohne Bauteilzuweisung oder ohne gültige Randbedingungen auf beiden Seiten,
  • Innenbauteile (Bauteilinstanzen mit Flächen auf beiden Seiten) und erdberührte Bauteile,
  • Flächen und Fenster mit weniger als 0,1 m² Fläche (sie werden auch nicht in das Simulationsmodell exportiert).

Über die übersprungenen Flächen informieren Hinweismeldungen (z. B. „n Flächen wurden übersprungen, weil sie keine Bauteilbelegung haben oder ihnen ungültige Randbedingungen zugewiesen wurden.”). Für Verschattungselemente selbst werden keine Faktoren berechnet – sie wirken nur als Hindernis.

Berechnungsmethoden

Unter Modus der Berechnung: stehen zwei Methoden zur Wahl:

Oberflächenteilung

Rein geometrisches Polygon-Clipping: Für jedes Himmelssegment werden alle Hindernispolygone (übrige Gebäudeflächen und Verschattungselemente) aus der Richtung des Segmentmittelpunkts auf die betrachtete Fläche projiziert. Der Verschattungsfaktor ergibt sich aus dem Verhältnis der unverdeckten zur gesamten Fläche. Die Berechnung läuft parallelisiert über alle Flächen.

Rendering

Kombination aus Clipping und GPU-Rendering: Die Eigenverschattung der berechneten Flächen untereinander wird wie bei der Oberflächenteilung per Clipping bestimmt. Zusätzlich wird die Szene für jedes Himmelssegment einmal mit und einmal ohne Verschattungsgeometrie aus der Segmentrichtung gerendert; aus dem Pixelverhältnis der sichtbaren Flächenanteile ergibt sich ein äußerer Verschattungsfaktor, der mit dem Clipping-Faktor multipliziert wird. In das Rendering geht die dargestellte Szenengeometrie einschließlich Verschattungselementen und importierter OSM-Gebäude ein. Die Einstellung Dichte der Pixel: (Standard 80) bestimmt die Rasterauflösung des Renderings und wirkt nur in diesem Modus.

Qualitätsstufen (Himmelsmodell)

Der Schieberegler zwischen Schnell und Ausführlich wählt die Himmelsdiskretisierung:

StufeHimmelsmodellSegmenteWinkelauflösung
0Tregenza145~12°
1 (Standard)Reinhart MF2580~6°
2Reinhart MF31305~4°
3Reinhart MF42320~3°

Mehr Segmente erhöhen die Genauigkeit insbesondere der Direktstrahlungs-Verschattung, verlängern aber die Rechenzeit näherungsweise proportional.

Geometrie-Modus

Unter Geometrie-Modus: wird festgelegt, wie die Bauteildicke berücksichtigt wird:

  • Ebene Flächen – alle Flächen gehen als ebene Polygone in die Berechnung ein (Standard).
  • Extrudierte Flächen anhand von Konstruktionsdicken – jede Fläche wird um die Gesamtdicke ihrer Konstruktion entlang der Flächennormale verschoben; zusätzlich werden an allen Kanten senkrechte Seitenflächen als Hindernisse ergänzt (Laibungsverschattung). Fenster werden dabei in die Mitte der Konstruktion gelegt (halbe Bauteildicke); darauf weist eine Hinweismeldung hin.

Ausgabe und Dateiverwaltung

Der Zieldateiname wird unter Dateiname des Verschattungsfaktors: angezeigt: <Projektname>/input/shading_factors mit der unter Typ der Ausgabe: gewählten Endung:

  • tsv – Textformat (Tab-getrennt); wird zusätzlich von der Umgebungsanalyse für die Anzeige gelesen
  • d6o – DataIO-Format (ASCII)
  • d6b – DataIO-Format (binär, kompakteste Datei)

Es sollte immer nur eine Verschattungsdatei existieren: Liegen mehrere Dateien mit unterschiedlichen Endungen vor, verwendet der Simulationsexport die zuerst gefundene (Suchreihenfolge tsv, d6o, d6b). Der Statusbereich zeigt Dateiname: und Erstellt: (Datum/Uhrzeit) der vorhandenen Datei; die Schaltfläche Lösche Verschattungsdatei entfernt alle vorhandenen Verschattungsdateien (.tsv, .d6o, .d6b).

Existiert keine Datei, läuft die Simulation ohne Verschattungsfaktoren – Fremd- und Eigenverschattung opaker Bauteile bleiben dann unberücksichtigt.

Berechnung starten

Verschattungsberechnung starten führt die Berechnung mit Fortschrittsdialog (inkl. Restzeitschätzung) aus; über Abbrechen kann sie jederzeit abgebrochen werden. Nach erfolgreichem Abschluss wird die Ergebnisdatei geschrieben, der Aktualitäts-Hash aktualisiert und der Speicherort in einer Meldung bestätigt.

Aktualitäts-Hash

Neben der Ergebnisdatei wird eine Datei shading_factors.hash abgelegt, die einen Hash über alle verschattungsrelevanten Projektdaten enthält (Gebäudegeometrie, Bauteil- und Teilflächen-Bauteilinstanzen, Verschattungsobjekte, OSM-Daten, Weltkoordinatenursprung sowie Standort-, Simulations- und Solverparameter). Der Statusbereich vergleicht diesen Hash laufend mit dem aktuellen Projektzustand:

StatusAnzeige
GrünVerschattungsfaktoren sind auf dem aktuellen Stand des Projekts.
GelbProjekt seit der Berechnung der Verschattungsfaktoren geändert – Neuberechnung empfohlen.
RotEs wurden noch keine Verschattungsfaktoren berechnet.

Dieselbe Prüfung läuft beim Simulationsstart: Sind die Faktoren veraltet, erscheint der Dialog Verschattungsfaktoren veraltet mit den Optionen Neu berechnen… (empfohlen; berechnet neu und startet anschließend die Simulation), Trotzdem fortfahren und Abbrechen.

Gut zu wissen:

Für den Arbeitsalltag hat sich folgende Staffelung bewährt: Während der Modellerstellung mit Tregenza (Stufe 0) schnell prüfen, ob die Verschattungssituation plausibel ist, und erst für den Abgaberechenlauf auf Reinhart MF2 oder höher wechseln. Die Methode Rendering lohnt sich vor allem, wenn importierte OSM-Nachbarbebauung die Verschattung dominiert – bei reiner Eigenverschattung des Gebäudes liefert die Oberflächenteilung dasselbe Ergebnis ohne GPU-Aufwand.

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