Licht und Schatten

Mit Lichtsimulations­programmen lassen sich nicht nur technische Kenngrößen ermitteln, sondern auch essentielle Fragen beantworten: Sorgt die geplante Leuchtenverteilung für eine ausreichende Ausleuchtung? Welche gestalterische Wirkung haben ein Downlight oder ein Deckenfluter? Wie wirkt eine bestimmte Lichtfarbe? Wo entstehen störende Reflexionen? Welches Lichtkonzept ist wirtschaftlicher? Darüber hinaus helfen Lichtsimulationsprogramme auch bei der Überprüfung des Tageslichteinfalls, einer ausreichenden Versorgung mit Tageslicht, der Lokalisierung von Verschattungszonen oder der Planung von Tageslichtkonzepten.

Lichtsimulation früher und heute

Technische und gestalterische Aspekte künstlicher Beleuchtung in einer frühen Planungsphase zu berücksichtigen, war bislang schwierig und aufwendig. Die „Wirkung“ von Licht musste mithilfe aufwendiger, maßstabsgerechter Modelle nachgebildet werden, die die Lichtverhältnisse jedoch nur unzureichend nachbilden konnten. Das liegt daran, dass die Abstrahlungscharakteristik der Beleuchtungskörper bzw. die Reflexionseigenschaften der raumumschließenden Flächen im Modell nicht der Realität entsprechen und zum Modellmaßstab passende Leuchtenmodelle praktisch nicht nachgebildet werden können. Zudem wurde aus Gründen der Aufwandsminimierung die Möblierung und damit Aspekte wie Materialwirkung oder Blendung durch Reflexion vernachlässigt. 1 : 1-Modelle kennen diese Probleme zwar nicht, der Nachbau in Originalgröße ist allerdings sehr aufwendig, teuer und nur in Ausnahmefällen wirtschaftlich vertretbar.

Auch die rechnergestützte Lichtsimulation war über viele Jahre wegen der erforderlichen Rechnerkapazität kostspielig. Das hat sich mit der Steigerung der Prozessorleistung geändert, so dass heute praktisch an jedem aktuellen PC, an dem die CAD-Planung stattfindet, auch Lichtsimulationen durchgeführt werden können. Mit dem PC und entsprechender Software lassen sich natürliche und künstliche Beleuchtung, insbesondere Beleuchtungsvarianten einfacher und wirtschaftlicher planen. Über das Internet abrufbare Lichtdatenbanken der Hersteller ermöglichen einen komfortablen Zugriff auf nahezu jedes aktuelle Leuchtenmodell, inkl. der wichtigsten lichttechnischen Daten. Lichtsimulationsprogramme sind damit in der Lage, die Lichtausbreitung im Raum zu berechnen – je nach Komplexität des Raumes oder des Beleuchtungskonzepts. Dabei werden die Materialeigenschaften von Oberflächen mit ihren jeweiligen Reflektions- und Absorptionswerten ebenso berücksichtigt wie Tageslichteinflüsse, Verschattungseinrichtungen oder die Reflexion umgebender Fassaden. Von der Ermittlung und grafischen Darstellung der Beleuchtungsstärke über die Berechnung der Leuchtdichte und Abbildung der Leuchtenanordnung bis hin zur Simulation der Lichtwirkung und virtuellen Begehung des Raum- oder Gebäudemodells sind alle Varianten der Lichtplanung möglich. Die Planungsergebnisse werden in Form von Projektbeschreibungen, Punktbeleuchtungsstärken, Leuchtdichteverteilungen, Graustufendiagrammen, Falschfarbdarstellungen, Isoluxlinien und Visualisierungen präsentiert. Alternativen lassen sich damit ebenso anschaulich darstellen wie teilweise auch exakte Investitions- oder Betriebskostenanalysen durchführen sowie Mengen und Stücklisten ausgeben.

Licht als Gestaltungs- und Kostenfaktor

Licht trägt nicht nur wesentlich zur Raumwirkung bei, sondern kann als „vierte Dimension“ selbst zum raumbildenden Element werden. Insbesondere in Fabrikhallen, Büro-, Ausstellungs- oder Verkaufsräumen ist gutes Licht essentiell, da nur unter guten Lichtbedingungen die geforderte Arbeits- oder Präsentationsqualität gewährleistet werden kann. Deshalb werden wichtige Parameter und Vorgaben in zahlreichen Normen zur Tages- und Kunstlichtbeleuchtung von Innenräumen, zur Arbeits- und Sportstättenbeleuchtung etc. definiert und von Lichtsimulationsprogrammen teilweise auch berücksichtigt. Auch aus wirtschaftlicher Sicht spielt Licht eine bedeutende Rolle – schließlich macht die künstliche Beleuchtung, je nach Gebäudenutzung, etwa 10 bis 40 % der Stromkosten aus; damit hat sie einen wesentlichen Einfluss auf den Energieverbrauch eines Gebäudes. Wird vor der Leuchtenmontage die optimale Leuchtenverteilung und Raumausleuchtung ermittelt, lässt sich ein Teil der späteren Betriebskosten einsparen.

Aufgrund ihres deutlich geringeren Stromverbrauchs trägt heute die LED-Technik einen wichtigen Teil dazu bei. Ob die energiesparenden Leuchten auch die erforderliche Lichtstärke liefern, die gewünschte Atmosphäre schaffen, sich sowohl für die Grundausleuchtung als auch für die Gestaltung und Akzentuierung von Räumen eignen, lässt sich dem Bauherrn im Vorfeld mithilfe von Lichtsimulationsprogrammen demonstrieren. Zusätzlich kann auch mit einer geschickten Anordnung sowie im intelligenten Zusammenspiel mit der Tageslichtnutzung elektrische Energie eingespart werden. Programme, die gleichzeitig Kunst- und Tageslicht simulieren können, unterstützen den Planer auch bei der Entwicklung energieoptimierter Beleuchtungskonzepte, die das Tageslicht einbeziehen und möglichst effizient nutzen. Neben der Überprüfung der Norm-Mindestanforderungen an die Beleuchtungsverhältnisse in Wohn- oder Büroräumen, können Tageslichtsimulationsprogramme beispielsweise berechnen, von wann das Tageslicht im Jahresverlauf optimale Lichtverhältnisse am Arbeitsplatz liefert, durch welche Maßnahmen das Tageslicht im Raum optimiert werden kann, respektive welche Verschattungsmaßnahmen erforderlich sind. Voraussetzung ist allerdings, dass Simulationswerkzeuge zu einem möglichst frühen Planungszeitpunkt eingesetzt werden. Als ein sehr wirkungsvolles Werkzeug ist die Lichtsimulation auch bei Beratungsgesprächen: Bauherren sehen unmittelbar, wie Fassaden oder Räume im Tages- oder Kunstlicht wirken, an welchen Stellen eine gleichmäßigere Lichtverteilung sinnvoller ist, wo Lichtakzente im Raum gesetzt werden sollten oder wo im Innen- oder Außenbereich unerwünschte, tageszeitlich bedingte Verschattungszonen entstehen etc. Planer können ihre Ideen anschaulich und überzeugend „rüberbringen“ oder auf Problembereiche aufmerksam machen: auf eine ungenügende Ausleuchtung, Blendung, Reflexbildung oder störende Helligkeitskontraste. Ferner kann die Lichtwirkung exakt jener Leuchtenmodelle überprüft werden, die Bauherren ausgewählt haben. Ein weiterer Vorteil liegt in der Vergleichsmöglichkeit verschiedener Beleuchtungsvarianten, die mit relativ wenig Aufwand berechnet werden können. Dazu müssen lediglich die Leuchtenmodelle mit wenigen Mausklicks ausgetauscht werden.

Lichtsimulation Schritt für Schritt

Visualisierungsprogramme gibt es viele – praktisch jede CAD-Software verfügt inzwischen über ein spezielles Visualisierungsmodul. Obwohl die der Berechnung zugrunde liegenden Beleuchtungsmodelle und Algorithmen jenen von speziellen Lichtsimulationsprogrammen ähneln, gibt es doch Unterschiede: Bei CAD-Visualisierungsprogrammen steht die fotorealistische Präsentation im Vordergrund und weniger die präzise Berechnung und Ausgabe lichttechnischer Daten. Leuchten müssen individuell definiert werden und auch die Modifizierung, Bearbeitung und Variantenbildung der Lichtsituation sind in der Regel weniger komfortabel und detailliert als bei speziellen Lichtsimulationsprogrammen. In dieser Kategorie dominieren die kostenfrei erhältlichen Programme „DIALux“ und „Relux“ den deutschsprachigen Markt. Sie werden von Architekten, Lichtplanern, Lichttechnikern, Händlern, Elektrofachbetrieben und Leuchtenherstellern eingesetzt. Auch deshalb lassen sie sich inzwischen recht intuitiv bedienen, setzen dennoch lichttechnisches Grundwissen und die Bereitschaft zur Programm-Einarbeitung voraus. Daneben gibt es auch englischsprachige Open-Source-Anwendungen (z.B. „Radiance“) oder speziell für Lampen-/Leuchtenhersteller entwickelte Anwendungen (z.B. „Litestar 4D“ oder“ TracePro“, siehe auch Programm-/Anbieterliste).

So unterschiedlich die Programme im Detail auch sind, so ähneln sich doch die Arbeitsabläufe: Vor der eigentlichen Berechnung muss die Raumgeometrie von einem CAD-Programm per DXF-, DWG-, teilweise auch über die BIM-Schnittstelle IFC importiert, alternativ dreidimensional konstruiert oder über die Eingabe von Raumparametern (Abmessungen, Nutzung etc.) definiert werden. Die meisten Lichtsimulationsprogramme bieten einfache Werkzeuge, um Boden, Wände und Decke des jeweiligen Raumes „nachzubauen“. Um den Berechnungsaufwand geringzuhalten, sollten die 3D-Modelle einfach „gestrickt“ sein und etwa frei geformte Oberflächen vereinfacht darstellen. Das gilt auch für die Möblierung, die Definition von Materialeigenschaften und Materialoberflächen (opak, transparent, spiegelnd etc.). Hier besteht die Kunst darin, die Anforderungen an die Präzision und Authentizität des physikalischen Modells mit den durch die Rechnerkapazität auferlegten Beschränkungen in Einklang zu bringen. Die Beleuchtungskörper werden als 3D-Symbol aus der Leuchten-Datenbank in die Zeichnung geladen und erhalten anschließend die gewünschten lichttechnischen Werte wie Beleuchtungsstärke, Lichtstrom, Lichtfarbe etc. Alternativ besteht die Möglichkeit des Online-Downloads von Leuchten eines bestimmten Leuchtenherstellers. Nahezu alle namhaften Hersteller bieten inzwischen entsprechende Plugin-Software, mit deren Hilfe der Anwender online durch das Produktangebot navigieren und das passende Leuchtenmodell inklusive Foto, technischer Zeichnung, kurzer Beschreibung und allen für die Lichtplanung wichtigen Leuchtendaten auswählen kann. Danach kann der Berechnungsvorgang gestartet werden.

Trotz mittlerweile hoher Prozessorleistung stellt die Lichtsimulation besondere Anforderungen an die Hardware. Je höher die Bildauflösung des Ergebnisbildes sein soll, desto größer ist der Rechenaufwand, da der Helligkeitswert für jeden Bildpunkt entsprechend der vorhandenen Beleuchtungsstärke ermittelt werden muss. Befinden sich mehrere Beleuchtungskörper mit unterschiedlicher Abstrahl-Charakteristik im Raum, und sollen Oberflächentexturen von Decken-/Wandverkleidungen, Bodenbelägen oder Möbeln dargestellt werden, erhöht sich der Berechnungsaufwand entsprechend. Anspruchsvolle Lichtsimulationen setzen daher leistungsfähige Rechner voraus. Die berechneten Bilder können als Datei gespeichert, auf Farbdruckern ausgegeben oder auf LCD-Flachbildschirmen als Standbild oder Animation wiedergegeben werden. Mit besonders schnellen Rechnern quasi in Echtzeit berechnete Bilder ermöglichen sogar eine interaktive Simulation virtueller Räume (Virtual Reality), was die Wirkung unterschiedlicher Lichtlösungen im 3D-Raum noch authentischer macht.

Lichtplanung im BIM-Zeitalter

Auch in der Lichtplanung ist die neue Planungsmethode Building Information Modeling (BIM) angekommen. Lichtplaner profitieren vor allem durch die Übernahme von dreidimensionalen BIM-Bauwerksdaten, so dass diese für Berechnungen und Visualisierungen nicht mehr neu eingegeben werden müssen. So können Gebäude- und Raumgeometrien, Raumbezeichnungen, Fenster- und Türpositionen, Oberflächen-Reflexionsgrade oder Leuchtenpositionen per IFC-, gbXML- oder STF-Schnittstelle vom Architekten oder Elektroplaner übernommen werden. Der Lichtplaner erarbeitet mit seinem Berechnungs- und Simulationsprogramm das Lichtkonzept, wählt Leuchten aus der BIM-Objektdatenbank mit allen lichttechnischen Daten wie Beleuchtungsstärken, Anschlussleistungen, Energieverbrauchsdaten etc. und platziert diese in den Räumen. Nach Abschluss der Planung, Berechnung und Lichtsimulation wird das Ergebnis an die CAD-Software zurückgegeben. Leuchten, deren Positionen, produkt- und lichttechnische Daten, Fotos, Grafiken, Texte und Berechnungsergebnisse können übernommen und vom Architekten oder Elektroplaner für Ausschreibungen weiterverarbeitet werden. Immer mehr Bauprodukt- und Leuchtenhersteller offerieren anstelle von 2D-CAD-Symbolen parametrisierbare und konfigurierbare BIM-Objekte, inklusive allen relevanten Objektinformationen wie den Abmessungen, verfügbaren Ausführungen, Ausstattungen und allen technischen Daten. Dadurch lassen sich weitere Rationalisierungspotentiale in der Planung, Bestellung und Montage ausschöpfen. Auch die eingebauten Leuchten und Abweichungen von der Planung können wieder zurück in das BIM-Modell eingepflegt werden (BIM to Field, Field to BIM). Das nach Abschluss der Planungsphase generierte As-Built-Dokumentationsmodell, das die verschiedenen BIM-Fachmodelle (Raum-, Ausbau-, Haustechnikmodell) enthält, bildet mit den darin enthaltenen Objekt- und Attributinformationen die Basis für die kaufmännische, infrastrukturelle oder technische Gebäudebewirtschaftung (CAFM).

Virtuelles Licht hat auch Schattenseiten

So sehr der Foto- oder gar Hyperrealismus so mancher gut gemachter Computervisualisierungen begeistern kann – man sollte sich stets bewusst sein, dass jede Bildwiedergabe nur eine Abstraktion der Realität ist: Ein dreidimensionaler Raum erscheint in perspektivischer Projektion auf einer zweidimensionalen Fläche, der Betrachter blickt auf ein Abbild, während er sich in der Realität im Raum befindet. Das Abbild ist zudem in der Regel wesentlich kleiner als der reale Raum und auch die Betrachtungsabstände sind kleiner. Hinzu kommt, dass Darstellungen auf dem Bildschirm selbst strahlen, während reale Oberflächen meist den Lichtstrom reflektieren. Entscheidend sind aber insbesondere im Hinblick auf Tageslichtsimulationen die Leuchtdichten: Sie sind auf dem Bildschirm weitaus geringer als in der Realität. Während bei Simulationen mit physikalischen Modellen und künstlichem Himmel Leuchtdichtenkontraste von 1 : 4.000 den natürlichen Helligkeitsdifferenzen (bis zu 1 : 10.000) zumindest nahekommen, schaffen gute PC-Monitore lediglich einen Leuchtdichtenkontrast von etwa 1 : 1.000, bei Druckerzeugnissen ist dieser Wert mit 1 : 40 noch erheblich kleiner. Eine realistische Wiedergabe von Blendwirkungen oder Relativblendungen ist damit nicht möglich. Auch die Simulation feiner Farbnuancen in Innenräumen ist mit der aktuellen Technik nicht simulierbar, ganz abgesehen von Raumqualitäten wie „Behaglichkeit“, „Atmosphäre“ oder „Stimmung“.

Licht muss physisch erlebt werden – es lässt sich weder beschreiben, noch kann es über audiovisuelle Medien oder Computersimulationen authentisch nachempfunden werden. Deshalb muss man die Simulation künstlicher Beleuchtung richtig einordnen und die Einschränkungen kennen. Der Lichtplaner verlässt sich deshalb weiterhin auf messbare technische Größen wie Leuchtdichte oder Beleuchtungsstärke. Für Bauherren, die in der Regel nichts mit gerasterten Beleuchtungsstärkeverteilungen, Luxgebirgen oder Isoluxlinien anfangen können, ist die rechnergestützte Visualisierung der Lichtwirkung aber zweifellos eine wertvolle Hilfe.