L’uso della simulazione illuminotecnica a supporto del lighting design

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Con questa memoria si intende evidenziare l’uso dei programmi di simulazione luminosa come strumenti di supporto progettuale per il lighting design, presentando alcuni recenti esempi applicativi, per i quali Arup ha fornito consulenza specialistica; si vuole in particolare porre l’enfasi sia sulla discussione dei problemi progettuali che sulla presentazione dei vantaggi offerti dall’impiego della simulazione nel processo decisionale legato al progetto architettonico e della luce.
Gli esempi applicativi qui discussi sono i seguenti:
• il progetto di estensione dell’Institut Valencià d’Art Modern (IVAM), di Kazuyo Sejima e Ryue
Nishizawa (SANAA), che comprende la costruzione di una grande “scatola” perforata capace di racchiudere l’edificio museale esistente, creando uno spazio di transizione tra esterno ed interno;
• il Serpentine Pavilion del 2005, progettato da Alvaro Siza and Eduardo Souto de Moura con Cecil Balmond, per il quale l’illuminazione è stata fornita da un sistema modulare di LED che si accendono automaticamente e gradualmente al tramonto mediante alimentazione elettrica fornita da batterie caricate da pannelli fotovoltaici;
• il ponte pedonale della nuova stazione ferroviaria dello stadio di Wembley a Londra;
• le nuove gallerie Islamica e del Medioevo e Rinascimento del Victoria & Albert Museum.
Per ciascun progetto si presenta una breve descrizione dell’ambito in cui si è condotta la simulazione luminosa, definendone il livello di dettaglio: inizialmente, si fornisce una spiegazione dell’obiettivo progettuale, seguita dalla formulazione dei requisiti informativi che conducono alla specificazione dell’attività di simulazione, all’interpretazione dei risultati ed alla specificazione del sistema finale.

IVAM
Il nuovo progetto di estensione dell’Istituto d’Arte Moderna di Valencia (Institut Valencià d’Art Modern IVAM), proposto dagli architetti Kazuyo Sejima and Ryue Nishizawa (SANAA), prevede la costruzione di una scatola gigante perforata, avente dimensioni di 90m di larghezza per 90m di lunghezza per 30m di altezza (come mostrato in Figura 1), capace di coprire l’edificio esistente, includendo parte dello spazio circostante in modo da creare un ambiente sia interno che esterno.
La “pelle” (così l’involucro della scatola perforata è stato denominato, adoperando il termine inglese skin) crea una serie di corti interne/esterne tra l’edificio esistente e l’involucro esterno, adoperate per dare spazio ad una caffetteria, un ristorante, un’area di gioco per i bambini, una galleria scultorea e per la circolazione tra i vari ambienti.

Una semplice richiesta
L’IVAM ha affidato ad Arup l’incarico di studiare e progettare il microclima interno per questo singolare ambiente, ponendo la semplice richiesta di spiegare come ci si potesse sentire all’interno di tale involucro.
Essendo responsabili della modellazione e simulazione dell’illuminazione naturale, abbiamo dovuto rispondere a tale richiesta dal punto di vista della percezione visiva, analizzando la relazione tra la “pelle” ed il fenomeno luminoso.

Requisiti informativi
Nell’ambito dell’analisi dell’illuminazione naturale è stato incluso uno studio di ottimizzazione dell’involucro esterno, per il quale si è analizzata la possibile occorrenza di abbagliamento diretto e di effetti di illuminazione indesiderati, come le trame di luce diretta solare ed ombra causate dalla perforazione dell’involucro in due aree dell’edificio ritenute particolarmente sensibili: il cortile posto in copertura, in cui si intende esporre opere scultoree, e l’ingresso delle gallerie rivolte ad ovest.
Tale analisi è stata finalizzata alla progettazione definitiva dell’involucro esterno, nell’ambito dello studio multidisciplinare che ha coinvolto anche analisi termiche e fluidodinamiche.
Questo tipo di studio si è rivelato essere particolarmente complesso, ed ha richiesto lo sviluppo di un codice di simulazione specifico per la particolare applicazione.

Il processo di simulazione
Per poter rispondere alle richieste iniziali del cliente e fornire supporto al processo progettuale, è stata sviluppata una metodologia capace di valutare l’influenza di ciascuna parte del nuovo involucro sul verificarsi della penetrazione solare attraverso i fori circolari della “pelle” sulle aree sensibili dell’edificio.
Tale metodo è consistito nella discretizzazione dei lati dell’involucro in elementi aventi dimensioni
ridotte per ciascuo dei quali è stato investigato l’effetto della riduzione del diametro dei fori sulla penetrazione solare dal punto di vista sia visivo che quantitativo.

Accoppiando il calcolo quantitativo dell’occorrenza di penetrazione solare con tecniche avanzate di visualizzazione dei risultati, si è riuscito a fornire una chiara comprensione del problema ed a suggerire alcuni interventi minimi finalizzati all’eliminazione quasi totale degli effetti indesiderati. In maggiore dettaglio, si è scelto di ridurre il diametro delle forature in alcune particolari aree della “pelle”.
Questa misura ha influenzato notevolmente la trama di perforazione dell’involucro, che nel progetto Q finale ha confermato la riduzione del diametro delle forature nell’area evidenziata dall’analisi.

2005 Serpentine Gallery Pavilion
Il padiglione estivo della Serpentine Gallery è uno spazio temporaneo multifunzionale aperto al pubblico tra i mesi di giugno ed ottobre e posto nell’area antistante la Serpentine Gallery all’interno di Hyde Park, a Londra.
Il padiglione è commissionato ogni anno ad uno studio di architettura diverso, ed i servizi di progettazione sono forniti gratuitamente sia dall’architetto per la progettazione formale, che da Arup per quanto ne concerne l’ingegnerizzazione.
Il concetto architettonico del padiglione del 2005, progettato da Eduardo Souto De Moura e Alvaro Siza Vieira con Cecil Balmond, è costituito da una semplice griglia rettangolare di travi di legno, distorta in modo da creare una superficie a doppia curvatura.
Dal punto di vista costruttivo, tale semplicità formale è in realtà trasposta in una notevole complessità, essendo ciascun elemento strutturale diverso dagli altri.
L’idea della temporaneità del padiglione, e la successiva possibilità di poterlo rimontare altrove con il minore impatto possibile e non necessariamente in un contesto urbano, ha condizionato fortemente il progetto illuminotecnico.
Sin dalla fase concettuale di progettazione, si è infatti ipotizzato l’uso di un sistema fotovoltaico “stand-alone” per alimentare l’impianto di illuminazione, composto da un sistema modulare di LED che automaticamente, individualmente e gradualmente si accendono all’imbrunire.
Dal punto di vista illuminotecnico, Arup ha specificato il tipo di involucro trasparente ed ha progettato l’illuminazione architettonica.
Per quanto concerne l’involucro, è stata effettuata un’analisi volta alla comprensione di come il padiglione avrebbe risposto all’illuminazione naturale, in modo tale da poter specificare un opportuno sistema di schermatura, qualora si fosse reso necessario.

La simulazione ha compreso uno studio della penetrazione solare che ha mostrato come il
potenziale di schermatura della struttura del padiglione sia particolarmente limitato durante i mesi estivi, che nel caso del padiglione sono gli unici di fruizione dello spazio. Per questo motivo si è deciso di adoperare un tipo di policarbonato traslucido per la copertura, in modo da permettere alla luce naturale di entrare all’interno del padiglione più uniformemente, senza creare tracce solari nette e riducendo il potenziale abbagliamento diretto.
Il concetto alla base dell’illuminazione architettonica per il Serpentine Pavilion era molto chiaro, ma anche piuttosto complesso da implementare, soprattutto nei limiti del ridotto budget a disposizione: illuminarne la struttura e lo spazio con un sistema fotovoltaico non connesso in rete, da integrare in ciascuno dei moduli trasparenti posti in copertura.
A questo scopo, è stata richiesta l’identificazione della migliore soluzione in termini di flusso luminoso, durata della luce e dimensioni ridotte del sistema.
La scelta doveva essere operata in poche settimane ed appunto entro i limiti del budget – il padiglione è infatti adoperato per raccogliere i fondi necessari a supportare le attività artistiche della Serpentine Gallery per l’anno successivo, ed è interamente finanziato da sponsor.
Dopo un’analisi iniziale dei prodotti esistenti in commercio, si è scelto di effettuare la progettazione di un sistema ad hoc composto da una sorgente luminosa LED ad alto flusso luminoso ed avente emissione lambertiana, alimentata da una batteria, a sua volta caricata da un piccolo pannello fotovoltaico.
Il sistema finale è stato infine completato da un dispositivo di controllo della carica e dell’accensione e spegnimento: in particolare, ciascun modulo si accende autonomamente in relazione all’illuminamento ricevuto dal modulo fotovoltaico, e quindi in dipendenza dal particolare orientamento del modulo e dalle condizioni di ombreggiatura; lo spegnimento è invece regolato in relazione alla carica della batteria ed alla durata della notte.
La scelta dell’emissione lambertiana per il LED è stata confermata dopo l’effettuazione di misure su di un prototipo e successive simulazioni illuminotecniche, in modo da verificare il livello e l’uniformità di illuminamento.
Infine, 250 moduli LED, alimentati autonomamente da pannelli solari, hanno illuminato il Serpentine Pavilion, accendendosi gradualmente al tramonto in relazione all’energia ricevuta durante la giornata e con emissione nulla di CO2.

Il ponte pedonale “the White Horse” della nuova stazione ferroviaria dello stadio di Wembley
Il nuovo ponte pedonale della stazione ferroviaria di Wembley, progettato dallo studio Marks Barfield Architects, consente di migliorare le connessioni ed i percorsi verso il nuovo stadio di Wembley, nell’ulteriore intento di rigenerare l’area tra il nuovo stadio ed il centro di Wembley Town e di incrementare la capacità di flusso da e verso lo stadio a circa 7000 persone/ora.

Un problema di visibilità
Il nuovo ponte è costituito da 4 archi di supporto alla piattaforma del ponte. Lo schema di illuminazione proposto dagli architetti prevede l’illuminazione notturna di tali archi mediante luce blu, fornita da apparecchi luminosi del tipo Philips LEDline2.
Un primo problema, che ha richiesto una dettagliata simulazione luminosa, è stato quello di accertare che la visibilità dei segnali ferroviari non fosse ridotta dalla presenza di tale luce colorata, e che tale luce non interferisse con il discernimento del colore del segnale luminoso da parte dei conducenti dei
treni.
Inizialmente è stata effettuato un “rilievo luminoso mediante uso di tecniche di High Dynamic Range Imaging (HDRI), al fine di valutare i livelli di luminanza notturni nel sito di progetto.
La simulazione, per la quale si è resa necessaria un’attenta modellazione delle sorgenti luminose (al momento in cui è stata effettuata la simulazione, non erano disponibili fotometrie accurate degli apparecchi luminosi), ha confermato che la luminanza degli archi illuminati da luce blu è di gran lunga inferiore rispetto a quella dei segnali luminosi ferroviari.
Un ulteriore studio sulla miscela del colore adoperando le distribuzioni spettrali delle sorgenti luminose coinvolte (apparecchi luminosi e segnali rossi, arancioni e verdi) ha fornito infine le basi per poter decidere sull’accettabilità del rischio, chiarendo le possibilità in cui vi possa essere ambiguità nella percezione del segnale.

Ottimizzazione del puntamento degli apparecchi luminosi
Successivamente allo studio iniziale sulla visibilità dei segnali, è stato richiesto uno studio di ottimizzazione dei puntamenti, volto all’ottenimento della migliore possibile copertura luminosa degli archi del ponte, entro i limiti posti dal gestore della linea ferroviaria. In base a tali indicazioni, gli apparecchi luminosi possono essere collocati esclusivamente alle basi degli archi, in opportune trincee ricavate negli spazî liberi lasciati dalle fondazioni, ed occorre evitare che gli apparecchi possano causare abbagliamento a chi conduce i convogli ferroviari.
La simulazione illuminotecnica è servita in questo caso per ottimizzare i puntamenti e verificare sia visivamente che quantitativamente l’efficacia dello schema luminoso. Gli apparecchi luminosi sono stati modellati sia con il corpo illuminante che con l’ingombro dell’apparecchio stesso in modo da poter scegliere nella maniera più fedele possibile posizioni e distanze, ma anche per evitare eventuali effetti d’ombra causati da un apparecchio rispetto all’altro.
All’interno del programma di modellazione tridimensionale adoperato, ciascun apparecchio luminoso “virtuale” è stato collegato al proprio puntamento, e questo ha semplificato fortemente il progetto Illuminotecnica.
I risultati della simulazione sono stati infine confermati dal processo reale di puntamento
degli apparecchi luminosi.

Le nuove gallerie Islamica e del Medioevo e Rinascimento del Victoria & Albert Museum
All’interno del Victoria & Albert Museum è attualmente in corso un programma di ristrutturazione e riorganizzazione interna denominato “FuturePlan”, che, tra le altre cose, prevede l’accrescimento del numero degli oggetti in esposizione attraverso un attento uso degli spazi museali.
In questo ambito, Arup fornisce generalmente consulenza strutturale ed impiantistica, ma alcuni progetti hanno richiesto il contributo specialistico nel campo dell’analisi dell’illuminazione naturale.
Sebbene siano coinvolti diversi studi di architettura nella progettazione dei nuovi spazî espositivi, è possibile individuare la volontà comune di ammettere l’illuminazione naturale, appropriatamente filtrata, all’interno degli spazî museali, per accrescere l’esperienza visiva e la percezione ambientale dei visitatori.

La Galleria di Arte Islamica e Medio Orientale “Jameel”
Nel caso della nuova Galleria di Arte Islamica, progettata dallo studio SoftRoom, l’analisi illuminotecnica è stata inizialmente indirizzata alla comprensione della visibilità dell’oggetto espositivo di maggior rilievo: il tappeto iraniano del XVI secolo denominato “Ardabil”. Il nuovo schema espositivo ne prevede il posizionamento orizzontale, all’interno di un involucro trasparente di protezione sospeso dal soffitto mediante cavi in tensione, in modo da ripristinarne la visione originale: l’Ardabil era infatti esposto in precedenza verticalmente, come se si trattasse di un arazzo.
In questa fase, è stato richiesto uno studio comparativo della visibilità del tappeto all’interno del contenitore espositivo, per il quale erano state proposte due tipologie di curvatura del vetro.
La presenza degli effetti di riflessione nel vetro delle terminazioni delle fibre ottiche o dello spazio circostante illuminato, dovuti alla particolare forma del vetro ha confermato la maggiore appropriatezza del vetro piano anti-riflettente.
Un ulteriore studio di quantificazione dell’illuminazione e dell’esposizione luminosa è stato successivamente svolto per la progettazione delle finestre del clerestorio della Galleria Islamica.
Tale studio ha compreso analisi di tipo quantitativo come ad esempio la stima del numero di ore annue di esposizione solare diretta delle superfici interne della galleria, ma anche finalizzate alla comprensione del contrasto tra l’illuminazione artificiale del tappeto e quella naturale proveniente dalle finestre del clerestori, per le quali sono state infine specificate le prestazioni, a partire dal tipo di filtro UV sino allo schermo perforato interno che richiama i motivi delle finestre Mashrabiya.

Le Gallerie del Medioevo e Rinascimento
Le nuove Gallerie del Medioevo e Rinascimento, progettate da MUMA (McInnes Usher McKnight Architects), hanno richiesto un livello molto dettagliato di analisi dell’illuminazione naturale, soprattutto a causa del posizionamento di buona parte degli spazî espositivi in corrispondenza della facciata del museo rivolta a sud.
La forte variabilità e direzionalità dell’illuminazione naturale proveniente da sud ha reso necessaria una corretta e completa comprensione della dinamica di interazione tra la luce esterna e gli spazî architettonici delle nuove gallerie, per le quali sono state proposte delle suggestive soluzioni di filtraggio della radiazione luminosa attraverso materiali naturali come alabastro e carta.
Tali soluzioni sono state coordinate e rese compatibili con i severi criterî di conservazione definiti dai curatori museali attraverso un dettagliato studio dell’esposizione luminosa, finalizzato alla specificazione delle caratteristiche delle finestre.
Lo studio di esposizione luminosa è stato basato sui dati climatici disponibili per Londra, e sono stati valutati i profili di illuminamento annui ed i valori cumulativi di lux-ore per gli oggetti più sensibili, galleria per galleria ed in corrispondenza di 5 configurazioni di controllo del sistema finestra.
Le cinque opzioni di controllo analizzate sono state le seguenti:
1. filtro UV + vetro traslucido diffondente + superficie interna traslucida;
2. filtro UV + vetro traslucido diffondente + sistema manuale stagionale di apertura e chiusura di tende + superficie interna traslucida;
3. filtro UV + vetro traslucido diffondente + sistema automatico giornaliero di apertura e chiusura di tende ad oscuramento totale + superficie interna traslucida;
4. filtro UV + vetro traslucido diffondente + sistema automatico di apertura e chiusura di tende “veneziane” + superficie interna traslucida;
5. sistema statico di schermatura esterna + filtro UV + vetro traslucido diffondente + superficie interna traslucida.
L’uso del vetro traslucido diffondente intermedio garantisce un’illuminazione omogenea sui pannelli interno di alabastro, tessuto o carta anche in condizioni di illuminazione diretta solare.
La valutazione dell’esposizione luminosa interna, accoppiata a considerazioni legate alla variabilità dell’illuminazione a seconda del sistema di controllo e diffusione della luce, ha infine permesso di specificare le caratteristiche dei diversi strati componenti le finestre, a seconda dell’effetto di illuminazione desiderato e della sensibilità degli oggetti esposti alla luce.

Tratto dal convegno internazionale “Luce e Architettura”, organizzato dall’AIDI

Anselmo è ingegnere edile specializzato nella progettazione e simulazione dell’illuminazione naturale ed artificiale.
Ha acquisito notevole esperienza nell’uso del sistema di simulazione dell’illuminazione “Radiance”, e è attivamente coinvolto nello sviluppo di programmi di simulazione.
Lavorando per Arup, è stato coinvolto nella progettazione illuminotecnica e nella simulazione dell’illuminazione naturale di diverse tipologie di edifici.

Didascalie
Figura 1 La gigante scatola perforata proposta per il progetto di estensione dell’IVAM (© SANAA).
Figura 2. Effetti interni di luce e ombra causati dalla luce solare (© Arup).
Figura 3. Discretizzazione dell’involucro, evidenziando il diverso effetto della penetrazione solare in
corrispondenza di diametri diversi delle perforazioni. A destra sono mostrate la discretizzazione della
facciata e le griglie di calcolo (© Arup).
Figura 4. Modello del Serpen e Pavilion del 2005 (© Arup).
Figura 5. Studio di penetrazione solare per il Serpentine Pavilion (© Arup).
Figura 6. Schema costruttivo del modulo di illuminazione basato su LED e pannello fotovoltaico.
Figura 7. Prototipo del modulo di illuminazione adoperato per il Serpentine Pavilion.
Figura 8. Visualizzazione del livello di illuminamento. all’interno del padiglione (© Arup).
Figura 9. Immagine notturna del Serpentine Pavilion 2005 (© Arup).
Figura 10. Impressione artistica del nuovo ponte pedonale della stazione dello stadio di Wembley (© Marks Barfield Architects).
Figura 11. Rilievo delle luminanze mediante tecniche di HDRI. Nello sfondo è visibile il nuovo stadio di Wembley in costruzione (© Arup).
Figura 12. Livelli di luminanza di progetto (© Arup).
Figura 13. Puntamento degli apparecchi luminosi (© Arup).
Figura 14. Disposizione “virtuale” degli apparecchi luminosi (© Arup).
Figura 15. Visualizzazione dello schema finale di illuminazione (© Arup).
Figura 16. L’illuminazione del ponte dopo la prima sessione di prova dei puntamenti.
Figura 17. Le due opzioni di curvatura del vetro proposte per il contenitore espositivo dell’Ardabil
Figura 18. Effetti di riflessione sul vetro curvo proposto per il contenitore espositivo dell’Ardabil (© Arup).
Figura 19. Numero cumulativo di ore di illuminazione solare diretta all’interno della Galleria Islamica
Figura 20. Contrasto tipico relativo tra l’illuminazione dell’Ardabil e quella naturale circostante (© Arup).
Figura 21. Simulazione dell’apparenza del pannello interno in alabastro in relazione a condizioni esterne di cielo coperto o chiaro.
Il vetro traslucido intermedio mitiga il contrasto dovuto all’illuminazione diretta solare (© Arup).

Fonte: www.infobuild.it