(لینک منبع) مایلم تجارب خود در طراحی ورودی ایستگاه TGV مونپلیه فرانسه توسط شرکت Marc Mimram Architects که جوایزی نیز برده را با شما در میان بگذارم. به همراه تیمم در ELIOTH ، کارم متمرکز بر طراحی حفره های درون سیستم سقف طاق بتنی بود. در این پروژه از ابزارهای راینو، گرس هاپر و DIVA استفاده شد.

چالش اصلی، طراحی الگویی برای حفره‎ها بود به گونه ای که نور را به بخش‎های خاصی از پلتفرم جهت‎دهی کند و در عین حال با مینیمم نگه داشتن نور عبوری مستقیم از سقف از خنک ماندن فضای داخلی اطمینان حاصل شود. برای اکثر پروژه‎ها چنین سناریویی پیش می‎آید؛ می‎خواهیم برای ماکزیمم کردن نور طبیعی موجود در فضای داخلی تا حد ممکن روزنه‎های بیشتری داشته باشیم، اما بهای این کار با توجه به میزان بالای عبور اشعه‎های خورشیدی از این روزنه‎ها، در واقع نیاز به انرژی زیاد برای خنک نگه داشتن فضا است. در تمامی موارد، پارامترهای طراحی باید به گونه‎ای تنظیم شوند که روزنه‎ها به اندازه‎ی کافی بزرگ باشند تا میزان کافی از نور طبیعی عبور کند و به اندازه‎ی کافی کوچک باشند تا میزان تابش اشعه‎های خورشیدی مینیمم شود (و به درستی جهت‎دهی شوند). میزان نور طبیعی که روی سطح فضای داخلی می‎تابد را با “ضریب آفتابگیری” می‎سنجند.

ضریب آفتابگیری چیست؟ در حالت کلی، قواعد ساختمانی میزان نور طبیعی موجود در فضا را با معیاری به نام ” ضریب آفتابگیری” تعیین می‎کنند. عموما می‎توانیم هر سطحی را به عنوان یک کره‎ی درخشان عظیم تصور کنیم و از این طریق ضریب آفتابگیری را بیابیم. سطح داخلی این کره به صورت یکنواخت می‎درخشد و نور به همه‎ی سطوح از همه‎ی زوایا تابیده می‎شود، که باعث می‎شود ضریب آفتابگیری مستقل جهتگیری نسبت به خورشید باشد.

کف اتاقی شمالی که یک پنجره‎ی کوچک دارد دقیقا همان ضریب آفتابگیری را خواهد داشت که یک اتاق مشابه اما رو به جنوب دارد. به همین دلیل، معیار ضریب آفتابگیری نمی‎تواند برای تخمین میزان حرارت دریافتی فضا مورد استفاده قرار گیرد، اما برای اهداف دیگری مانند این که آیا یک میزی اداری نزدیک به یک پنجره نیاز به نور مصنوعی خواهد داشت یا خیر مفید است. ماکزیمم کردن ضریب آفتابگیری از نظر پایداری یک نقطه‎ی مثبت تلقی می‎شود اما همیشه باید مراقب میزان تابش خورشیدی وارد شده به فضا نیز بود.

اهداف پروژه برای ایستگاه قطار در مونپیله، به تعیین دو ضریب آفتابگیری نیاز داشتیم:

1. فضاهای اداری و جایگاه‎های تحویل بلیط باید حداقل به ضریب آفتابگیری ۱٫۰ می‎رسیدند (آبی رنگ)
2. پلتفرم باید ضریب آفتابگیری ۰٫۵ می‎داشت (قرمز رنگ)

گرمای ورودی تابش خورشید (Solar Heat Gain) چون فضاهای ایستگاه بدون سیستم خنک کننده بودند، نیاز بود که به منظور آسایش حاضرین دمای داخلی بیش از حد بالا نباشد. یعنی لازم بود تا حد امکان ایستگاه را خنک نگه داریم. گرچه یک سیستم تهویه طبیعی هم داشتیم، لازم بود کمترین میزان نور ممکن از سقف عبور کند.

محدودیت‎ها به ما گفته شده بود که هندسه‎ی ایستگاه ثابت است و قابل ویرایش نیست. یعنی نمی‎توانستیم سقف یا فضاهای اداری را مطابق نیاز خود جابجا کنیم یا تغییر جهت دهیم. تنها راه تنظیم نور، طراحی یک سیستم حفره‎دار مناسب بود. در ابتدا، برای تمامی سقف حفره‎های یکسانی به کار بردیم. به راحتی توانستیم به ضریب آفتابگیری ۰٫۵ برسیم اما، فضاهای اداری هنوز به شدت کم نور بودند. همچنین، با الگوی ثابت، سقف متناسب با جهت نور نبود و اجازه‎ی ورود میزان بالایی از نور مستقیم را به فضا می‎داد.

لذا طراحی ما باید دو چالش را مرتفع می‎نمود:

1. حفره‎ها به اندازه ی کافی بزرگ طراحی شوند تا به ضریب آفتابگیری ۱٫۰ برای فضاهای اداری برسیم.
2. پاسخ دادن به جهت گیری نسبت به خورشید و مینیمم کردن گرمای ورودی تابش خورشید.

فضاهای اداری آنچه کار را بسیار سخت کرد فضاهای اداری بود چون جعبه ای بودند و فقط یک سطح برای دریافت نور داشتند، پنجره‎ای که رو به پلتفرم بود، دیگر سطوح همگی دیوارهای مات بودند. برای وارد کردن نور به این محدوده‌ها، باید حفره‎های تقریبا بزرگی را به صورت هدفمند در سقف جایگذاری می‎کردیم. مکان دقیق این حفره‎های بزرگ غالبا نامعلوم بود و باید برای یافتن بهترین مکان آزمایش می‎کردیم. تصویر زیر نشان دهنده‎ی دو پیکربندی مناسب ممکن برای قراردادن پنل‎ بزرگ حفره‎ها است.

 جهتگیری نسبت به خورشید بعلاوه، لازم بود اندازه ی حفره‎ها را مطابق جهت تابش نور خورشید تنظیم کنیم. برای حل همه‎ی این مشکلات یک مدل پارامتریک از تمام سقف ایجاد کردیم و حفره‎های تک تک سطوح را مطابق جهت تابش نور خورشید تغییر دادیم.

مدل پارامتریک هندسه ی سقف در دو جهت متقارن است و از ۵ دهانه‎ی طولی تشکیل شده‎اند که یک قوس ایجاد می‎کنند. هر دهانه  از ردیفی از پنل‎های بتنی ۴ طرفه تشکیل شده. گرچه همه‎ی پنل‎های بتنی از نظر هندسی مشابه بودند، با توجه به موقعیت خورشید، هرکدام جهت متفاوتی داشتند. می‎توانستیم با استفاده از DIVA میزان اشعه‎ی خورشیدی که به هر کدام از این پنل‎ها می‎تابید را شبیه‎سازی کنیم. سپس از مقادیر تابش برای تعیین اندازه‎ی حفره‎ها برای هر پنل استفاده شد. برای نمونه، کناره‎ی پنل که دارای بیشترین میزان تابش بود کوچک‎ترین حفره‎ها را داشت (که بیشتر نور را مسدود می کرد) و کناره‎ی پنل که دارای کمترین میزان تابش بود بزرگ‎ترین حفره‎ها را داشت (که منجر به عبور بیشتر نور می‎شد).

می‎توانیم از اسکریپت گرس هاپر خود برای تعیین اتوماتیک اندازه‎ی حفره‎ها با توجه به نتیجه‎ی شبیه سازی استفاده کنیم. اسکریپت به گونه‎ای تنظیم شده بود که می‎توانستیم اندازه‎ای برای مینیمم و ماکزیمم حفره‎ها به صورت درصد تعیین کنیم. برای مثال می‎توانستیم حفره‎هایی را به کار بگیریم که همانطور که در بالا مشاهده می‎کنید در محدوده‎ی ۸ تا ۲۵ درصد قرار می‎گرفتند. قدم بعد گذراندن این مدل سقف حفره‎دار از شبیه سازی بود که ضریب آفتابگیری پلتفرم را محاسبه کند. بر اساس این نتایج، ما محدوده‎ی حفره‎های سقف را تغییر دادیم. برای نمونه، اگر نور بیشتری نیاز داشتیم می‎توانستیم محدوده را از ۸ تا ۲۵ درصد به ۱۵ تا ۳۰ درصد تغییر دهیم. چون مدل پارامتریک است، هندسه‎ی آن به صورت اتوماتیک آپدیت می‎شود و می‎توانیم به سرعت شبیه سازی بعدی را اجرا کنیم.

آفتابگیری برای فضاهای اداری اسکریپت را به گونه ای طراحی کردیم که بتوانیم بخش های خاصی از سقف که محدوده‎ی حفره‎دار بودن متفاوتی داشتند را بزرگ‎تر از بقیه‎ی قسمت‎های سقف انتخاب کنیم. این محدوده‎ها فضاهای اداری را هدف قرار دادند و ما تست‎های مختلفی انجام دادیم تا مطمئن شویم با به کارگیری کمترین تعداد پنل‎های دارای حفره‎‎ی بزرگ به ضریب آفتابگیری ۱٫۰ می‎رسیم. تصاویر زیر اسکرین شات‎هایی از گرس هاپر هستند که بخش‎های دارای محدوده‎ی حفره‎های کوچکتر (خاکستری رنگ) و بخش‎هایی که حفره‎های بزرگتری داشت تا امکان ورود نور بیشتر به فضاهای اداری فراهم شود را نشان می‎دهند(آبی رنگ).

بهینه سازی تا اینجا اسکریپت به گونه‎ای تنظیم شده که همه‎ی پنل‎های حفره‎دار متناسب با جهت تابش نور خورشید باشند. همچنین، ما می‎توانیم محدوده‎ی حفره‎ها (به صورت درصد) و مناطقی که امکان درصد حفره‎های بیشتری می‎دهند را نیز انتخاب کنیم. این پارامترها، محدوده‎ی حفره‎ها و مناطق، پس از هر شبیه سازی دست کاری می‎شوند تا به ضریب آفتابگیری مورد نظر خود برسیم. مباحثی در مورد استفاده از الگوریتم‎های ژنتیکی مانند Galapagos برای حل بهینه‎ی مساله نیز مطرح بود، اما استفاده از این روش موانعی نیز داشت.

با توجه به سنگینی مدل، شبیه سازی یک ضریب آفتابگیری حدود ۴۰ دقیقه زمان می‎برد. اگر از Galapagos استفاده می‎کردیم، چندین روز زمان می‎برد تا برای ارزیابی یک نتیجه‎ی بهینه به اندازه‎ی کافی اطلاعات جمع کنیم. در این مورد خاص، بهتر بود براساس دانسته‎های خودمان، شرایط ابتدایی خاصی تعریف کنیم و سپس به سمت تنظیم پارامترها حرکت کنیم. نتیجه سقف نهایی به گونه‎ای حفره دار شده که نور مسقیم ورودی به بخش ابتدایی ایستگاه را مینیمم می‎کند، به خصوص در ماه‎های تابستانی که فضای داخلی باید دمای پایین و مناسبی داشته باشد. در عین حال، حفره‎ها به گونه‎ای هستند که امکان ورود نور محیطی زیادی را به ایستگاه برای روشن کردن فضا فراهم می‎کنند. مناطق دارای حفره‎های بزرگتر به گونه‎ای جایگذاری شده‎اند که میزان نور محیطی ورودی به فضاهای اداری ماکزیمم شود.