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Información tecnológica

versión On-line ISSN 0718-0764

Inf. tecnol. v.16 n.4 La Serena  2005

http://dx.doi.org/10.4067/S0718-07642005000400012 

 

Información Tecnológica-Vol. 16 N°4-2005, págs.: 77-82

ARTICULOS VARIOS

SSV3D: Simulador de Sombras Vectoriales por Radiación Solar sobre Objetos Tridimensionales

SSV3D: Simulator of Vectorial Shadows by Solar Radiation on 3D Computerized Objects

S. Gómez y C. Quirós
Univ. del Zulia, Instituto de Investigaciones, Facultad de Arquitectura y Diseño (IFAD), Apdo. Postal 526, Maracaibo-Venezuela (e-mail: agomez@luz.edu.ve).


Resumen

Se presenta un simulador de sombras vectoriales por radiación solar sobre objetos tridimensionales, SSV3D, una herramienta de computación gráfica desarrollada sobre la plataforma tridimensional del AUTOCAD 2004. El software simula vectorialmente la radiación solar directa, calculando y trazando los contornos de sombra sobre los planos iluminados del modelo 3D evaluado. En el desarrollo de la herramienta se comprobaron los resultados analíticos mediante su comparación con los obtenidos en las fórmulas de una hoja de cálculo, y de los resultados gráficos mediante comparación con las sombras arrojadas por simulación con un heliodón de tecnología francesa y por el Render de AUTOCAD. El simulador SSV3D respondió satisfactoriamente a las necesidades de estudio de sistemas de protección solar en investigaciones desarrolladas anteriormente.


Abstract

SSV3D is presented as a graphic computer tool developed on the three-dimensional platform of AUTOCAD 2004, which simulates direct solar radiation by measuring and vectorial tracing of shadow outlines on illuminated plans of the 3D model evaluated. The analytical results of this tool were tested during its' development by comparing its' results with those obtained in the formula of a calculus sheet, and graphic results were checked comparing these to the shadows obtained by simulation using physical models in a heliodon  (French technology) and by the Render of AUTOCAD. The SSV3D simulator responded satisfactorily to the requirements for the study of solar protection systems which had been determined in previous research. 

Keywords: solar simulation tool, graphic computer tool, shading devices, vectorial shadows


INTRODUCCIÓN

El clima cálido-húmedo propio del medio intertropical conlleva a una arquitectura bioclimática donde el diseño apropiado de las edificaciones minimice pasivamente la ganancia de calor, en la búsqueda de confort térmico para sus usuarios. En este sentido, es conocida la eficiencia del control del asoleamiento en las edificaciones mediante el uso de los sistemas de protección solar.

El Instituto de Investigaciones de la Facultad de Arquitectura y Diseño de la Universidad del Zulia (Venezuela) ha desarrollado trabajos de investigación orientados a evaluar la eficiencia  en  el  funcionamiento  de  prototipos de protecciones solares sobre ventanas (Quirós,1996). En tales prototipos se midió cuantitativamente su eficiencia en función de su capacidad de protección mediante sombreamiento durante el transcurso del año. Los análisis cuantitativos se efectuaban casi manualmente, introduciendo las variables geográficas, solares,  de ventanas y de la protección solar en una hoja de cálculo, hallando la longitud y ángulo de proyección de las sombras, y consecuentemente el área de sombra de los prototipos en estudio. Ello obligaba a restringir tanto el número de tipologías como la frecuencia de los períodos a evaluar.

Aplicaciones como AUTOVISION (Autodesk, 1994), el 3D STUDIO VIZ (Autodesk, 1997), y el comando RENDER de AUTOCAD 14 (Domínguez,1998), como opciones de aplicaciones asociadas al objeto de estudio, de disponibilidad en el contexto venezolano y local de Maracaibo, simulan sombras por efecto de radiación solar directa. Sin embargo, sus resultados, bajo la forma de imágenes tipo raster (o de matriz de puntos), no permitían efectuar evaluaciones cuantitativas de la eficiencia de sombreado de los sistemas en estudio.

Tales requerimientos, no cubiertos por las aplicaciones antes señaladas, promovieron el desarrollo de un programa especializado en el cálculo de las proyecciones de sombras generadas por sistemas de protección solar tridimensionales de libre formalización y capaz de responder a cualquier condición específica de asoleamiento, en fecha, períodos y localización (Gómez, 1998 y Gómez, 2003). Ello permitiría ampliar las tipologías de estudio, así como contrastar, de modo rápido, las áreas de sombra generadas (en términos porcentuales) con las áreas expuestas al sol, a los efectos de determinar numéricamente su eficiencia de sombreado durante todo el año.

BASE TEÓRICA Y METODOLOGÍA

Un análisis previo de factibilidad de generación de la herramienta requerida, concluyó con la disponibilidad de datos, procesos, y ambiente de trabajo necesarios para su consecución (Fig. 1). En tal sentido, se constituyó como   principal   recurso  la  herramienta  de computación  gráfica AUTOCAD   (Autodesk) cuya plataforma tridimensional y vectorial permite la representación de cualquier sistema de protección solar tridimensional, así como la dirección del rayo solar que lo afecta en un instante dado.

Fig.1. Síntesis gráfica de los fundamentos teóricos y metodológicos aplicados en el diseño de SSV3D.

Las ecuaciones de la trigonometría plana y esférica aplicada al rayo solar y a la arquitectura tomando como referencia el plano del horizonte (Szokolay, 1983), permitieron definir la posición de un vector rayo solar para un instante cualquiera, en un ambiente tridimensional y asociado con una posición geográfica determinada.

La ecuación del plano, la ecuación de la recta en el espacio (Larson y Hostetler, 1993), el concepto de la transformación de la visión para la representación tridimensional en computadoras (Hearn y Baker, 1983) y el método de representación gráfica plana de objetos tridimensionales descomponiéndolos en sus planos de proyección XY, YZ y XZ, fueron aplicados como artificios para simplificar el cálculo de los contornos de sombra sobre cada cara que compone el sistema de protección solar.

Interpretado todo el fenómeno de generación de sombras en un medio tridimensional vectorial y computarizado, se desarrolló el algoritmo, previamente expresado bajo la forma de diagramas de flujo, y a partir de los cuales fueron generadas las líneas de programación, con la utilización del lenguaje AUTOLISP, propio del AUTOCAD.

Para el desarrollo de la herramienta se aplicó programación estructurada y se mantuvo un constante proceso de chequeo de los resultados intermedios mediante su confrontación con los generados por las fórmulas en una una hoja de cálculo.

A través del lenguaje de programación AUTO-LISP, propio de esta Aplicación, se interpretaron y aplicaron todas las ecuaciones relacionadas con el rayo solar y con la geometría en el espacio de las formalizaciones a evaluar.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Se obtuvo SSV3D, herramienta que se carga dentro de la Aplicación AUTOCAD 2004, para ser corrida sobre un archivo de dibujo (*.dwg) en el cual se pueden disponer uno o varios objetos 3D a evaluar.

SSV3D solicita como datos de entrada  (Fig. 2): a) Uno o varios objetos 3D, de libre formalización, siempre y cuando estén elaborados con superficies del tipo 3D CARA (3D Face) coplanares; b) Identificación del plano principal de evaluación, en base al cual se indica la orientación cardinal del objeto 3D de estudio; c) latitud y longitud geográfica de emplazamiento del objeto 3D; d) huso horario de referencia, e) período de evaluación f) orientación del plano principal de fachada (en términos de su azimut de superficie); y g) Selección de las entidades a evaluar, pudiendo seleccionarse todas o parte de las contenidas en el archivo de dibujo.

Fig. 2. Caja de diálogo para entrada de datos.

Al ejecutar SSV3D, una vez introducidos y validados los datos de entrada (Fig. 2), éste los procesa en forma inmediata, a través de un análisis de tipo lineal que el algoritmo interno efectúa de los mismos. Como resultado final se obtiene el trazado físico de las líneas de contorno de sombra, producto de la simulación de la radiación solar directa, sobre todos aquellos planos del(los) objeto(s) 3D que se vean afectados por las condiciones de entrada introducidas por el usuario. Una vez efectuado el cálculo y trazado de las líneas de contorno de sombra resultantes, éstas pueden visualizarse conjuntamente, desde cualquier vista, con los objetos 3D evaluados. (Fig. 3).

Fig. 3. Vistas múltiples de un sencillo prototipo de protección solar, con visualización de varias horas de sombra.

Cada muestra de contornos de sombras calculada, según la solicitud efectuada por el usuario, es almacenada en una capa independiente cuyo nombre contiene la fecha, la hora y la orientación del objeto evaluado (Fig. 4).

Fig. 4. Identificación de capa que agrupa contornos de sombra trazados con SSV3D. (Incluye fecha, hora y orientación del plano de fachada principal).

SSV3D funciona con requerimientos mínimos de hardware y de software, pues ocupa un archivo tipo .lsp de 123 Kb, y un archivo tipo .dcl de 4kb.

Con la finalidad de confrontar a SSV3D con sus pares, en la Tabla 1 se presentan herramientas actualizadas publicadas en la WEB asociadas al objeto de este estudio: manejan simulación de sombras por radiación solar, en los términos de la medición de su eficiencia cuantitativa de sombreado. Se les sometió a un conciso análisis respecto a las cualidades consideradas como requisitos para efectuar una óptima evaluación cuantitativa de la eficiencia de sombreado de sistemas de protección solar. La aplicación TAS BUILDER DESIGNER (EDSL,1997) es la única que cumple con todas las cualidades enunciadas en la Tabla 1. Sin embargo, tales cualidades son procesadas como resultados intermedios, siendo su fin último el control energético interno de las edificaciones. A diferencia, este estudio se realizó específicamente sobre el control del asoleamiento, como importante estrategia de diseño para las edificaciones de clima cálido húmedo. En relación a las demás aplicaciones, la Tabla 1 evidencia que las variables evaluadas no se presentan en las herramientas de mayor divulgación pública a nivel comercial y en la WEB. Sin que pretenda descalificarse en la mayoría de ellas sus cualidades de interfaz  gráfica y de resultados específicos, aunque atienden el asoleamiento, éstos se presentan con un enfoque diferente a los intereses de esta investigación.

Tabla 1. Cuadro comparativo entre las capacidades de aplicaciones gráficas de simulación de sombras y las cualidades necesarias para la evaluación cuantitativa de sombreado en protecciones solares.

De la Tabla 1 se destaca que la respuesta positiva de la columna marcada con (1) da sentido a las consultas planteadas en las cuatro columnas subsiguientes. En SOLAR 2 (Milne, 1999), en la celda numerada con (2) se aclara que los contornos de sombra se proyectan sólo sobre paredes y piso de un ambiente que contiene el vano evaluado. En SOLAR 2 y LUZSOLAR (Claro y Pereira, 2001) las celdas identificadas con (3) advierten que las aplicaciones sólo calculan sombras sobre una ventana rectangular y sus posibles elementos de protección solar (ya sean una o dos aletas verticales, un alero horizontal y/o un obstáculo en el horizonte). SOLAR 2 arroja valores de área sombreada de ventana por instante, pero es restricto en cuanto a las formalizaciones permisibles de los elementos de protección.

Validación del software. SSV3D ha sido validado de dos maneras diferentes: la primera, se elaboró una pequeña maqueta de un prototipo de protección solar, y fue sometida a una simulación de asoleamiento mediante un heliodón, con determinados datos de emplazamiento geográfico, orientación, fecha, y hora (Fig. 5). La misma formalización fue reproducida en 3D en el AUTOCAD V-2004, y aplicando SSV3D, fue sometida a las mismas condiciones que la maqueta, obteniéndose resultados similares (Fig. 6).

Fig. 5. Maqueta de un prototipo de protección solar, sometida a simulación de asoleamiento mediante el uso de un heliodón.

Fig. 6. Vista frontal del Prototipo de protección solar en 3D (sin pared circundante), sometido a una simulación de asoleamiento a través de SSV3D.


Como segunda forma de validación, un prototipo de sistema de protección solar generado con AUTOCAD, fue sometido al RENDER y a  SSV3D, ante condiciones similares de asoleamiento. Manteniendo dos ventanas (view-ports)  en  la pantalla, y presentando en cada una los respectivos resultados, se  observa  la superposición exacta de la sombras tras efectuar la selección de todos los contornos de sombras calculados por SSV3D (Figs. 7 y 8).

Debido al algoritmo manejado en SSV3D, fundamentado en el cálculo vectorial de los contornos de sombras en el espacio y en la ecuación que rige a cada plano del objeto en dicho espacio, resultó ampliamente versátil para ser aplicado al estudio de objetos distintos de sistemas de protección solar y con libertad formal. De allí que SSV3D fuera aplicado en los proyectos de investigación desarrollados por Quirós, (1999), y por Barroso y Machado, (2002) (Figs. 7 y 8), en los cuales SSV3D permitió a los investigadores determinar cuantitativamente, de modo rápido y confiable, la eficiencia en el sombreado de sus respectivos casos de estudio.

A la presente fecha, el cálculo de las áreas de sombra se efectúa mediante el uso del comando AREA del AUTOCAD.

CONCLUSIONES

SSV3D demostró ser un insumo gráfico digital importante en el área de investigación de arquitectura bioclimática en Venezuela, dada su capacidad para trabajar sobre la plataforma tridimensional del AUTOCAD 2004 (ámbito venezolano) y por su capacidad de resultados: SSV3D simula vectorialmente la radiación solar directa, calcula y traza los contornos de sombra sobre los planos iluminados de modelos 3D representativos  de  sistemas  de protección solar, a partir de los cuales se puede determinar cuantitativamente su eficiencia de sombreado.

Se prevé continuar la investigación con la  automatización del proceso de cálculo de áreas (m2)  de  sombra,  y  de su contraste porcentual  con  las  áreas expuestas al sol, a  fin de generar los valores cuantitativos que permitan obtener conclusiones sobre la eficiencia de sombreado de los objetos evaluados.

Fig. 7. Vista isométrica (southwest) de Parada
bioclimática en 3D. Resultado del RENDER de
AUTOCAD (izq.); y contornos de sombra generados
por SSV3D (der.)
Fig. 8. Efecto de acercamiento (ZOOM). La selección de los contornos de sombras generados por SSV3D comprueba su coincidencia  con los contornos de sombra del RENDER  de AUTOCAD.

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