Urban Planning: from GIS and BIM straight to CIM. Practical application in an urban area of Porto

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Tese de mestrado integrado de Tanya Sirakova, 2018

Orientada por Cecília Rocha, Co-orientada por João Poças Martins

Resumo

Mudanças climáticas é sempre um desafio para a cidade se adaptar. As altas temperaturas durante o verão, os frios durante o inverno e inundações durante a primavera e o outono sobrecarregam a capacidade de adaptação do ambiente urbano. A resposta das cidades às diferentes condições climáticas é difícil de prever, devido a muitas variáveis nas considerações. A melhor abordagem exigirá estimar possíveis efeitos negativos dessas condições climáticas extremas e levar em consideração a escassez de recursos. Para isso, é aconselhável criar uma replicação do ambiente urbano, com modelos analíticos 3D ou mesmo com realidade virtual. Com essa opção, é possível simular catástrofes da vida real ou episódios extremos e suas consequências, essencialmente para conhecer os possíveis resultados, evitar danos esperados e traçar as estratégias mais adequadas. Esta dissertação é dedicada a este desafio. O desenvolvimento e implementação de uma ferramenta de apoio de decisão que permitirá aos municípios antecipar os resultados de suas decisões e evitar custos desnecessários.

Com esse propósito, City Information Modeling (CIM) é um novo assunto que cresce em popularidade dentro da comunidade de planeamento urbano e Arquitetura, Engenharia e Construção (AEC). CIM tem o potencial de se tornar um modelo multiplataforma integrado que permite representar os menores detalhes de uma área urbana, fornecendo base para registo de dados, extração de informações, análise espacial e comunicação com outras plataformas de informação.

No presente caso, a CIM será alcançada com o uso de Sistemas de Informações Geográficas (GIS) e Building Information Modeling (BIM) para criar uma ferramenta de software analisando as condições de conforto térmico para o espaço público e apoiando no processo de tomada de decisão do planeamento urbano. A ferramenta levará em consideração a geometria da área urbana e a interação entre as condições e o ambiente de construção para simular quais consequências a nova intervenção terá no espaço público.

O conforto na cidade não depende apenas das condições geográficas e meteoríticas, mas também está sujeito a como o ambiente de construção afeta seu microclima. Há pouca ou nenhuma preocupação sobre como o edifício único altera a temperatura do espaço aberto. Construção densa aprisiona mais calor e produz as chamadas ilhas de calor urbanas.

Neste trabalho, uma ferramenta será desenvolvida com a ajuda da metodologia e software BIM para estudar como o ambiente de construção afetará a temperatura da superfície e a temperatura radiante média de um espaço, dois parâmetros que desempenham um papel importante no conforto térmico de um espaço aberto. Ele usa dados de geometria de um modelo 3D, propriedades térmicas de materiais e leis físicas para simular cenários da vida real. Esta ferramenta pode ser usada como instrumento na tomada de decisões para planear o projeto e as mudanças futuras para um espaço público e conhecer as consequências antes de implementar o projeto.

A ferramenta será desenvolvida usando a Estação de Metrô Trinidade como Caso de Estudo. O local foi escolhido porque tem dois níveis com diferentes materiais. O nível superior é feito principalmente de espaço verde e o nível inferior é feito de granito. Isso permitirá estudar como a ferramenta responderá às diferentes temperaturas da superfície e, consequentemente, à temperatura radiante média.

A validação do componente da temperatura da superfície foi realizada e a comparação entre os resultados da ferramenta e a temperatura medida foi feita. A diferença encontrada é pequena o suficiente para concluir que a ferramenta desenvolvida pode ser usada em projetos reais. Alguns cenários alternativos foram criados para estudar como diferentes materiais afetarão a temperatura da superfície. Os resultados obtidos demonstraram que a ferramenta representa corretamente o aumento ou a diminuição esperada da temperatura da superfície.

Este modelo foi projetado para servir como uma ponte entre o planeamento urbano tradicional e o novo digital, a fim de criar condições para um ambiente urbano mais sustentável e melhorar a qualidade de vida.

Palavras Chave

CIM, BIM, GIS, microclima urbano, conforto térmico, modelo 3D, simulação

Abstract

It is difficult to predict how a city will respond to climate changes. Temperature variations during the different seasons, the rain and other similar weather conditions put a strain on the urban environment. To produce a viable analysis and estimation it is imperative to collect data, while taking into consideration the budget required to do so. The best approach will demand to estimate possible negative effects of those extreme weather conditions and to take into consideration scarcity of resources. With the advance of technology, it is possible to a replication of the urban environment such as with 3D analytical models or even with virtual reality. With that option, it is possible to simulate real life catastrophes or extreme episodes and their consequences, to study how changes it the urban configuration and in the built environment can influence the microclimate, avoid expected damages and to draw the most adequate strategies.

This dissertation is devoted to this challenge. The development and implementation of a decision- making tool that will allow municipalities to anticipate the results of their decisions and avoid unnecessary costs.

With that purpose, City Information Modelling (CIM) is a new subject that grows in popularity in Urban Planning and Architecture, Engineering and Construction (AEC) community. It has the potential to become an integrated multiplatform model that allows representation of the smallest details in an urban area.

In the present case, CIM will be achieved with the use of Geographical Information Systems (GIS) and Building Information Modelling for creating a software tool analysing the thermal comfort conditions for public space and aid in the decision-making process of urban planning. It will take into consideration the geometry of the urban area and the interaction between whether conditions and built environment to simulate the consequences the new intervention will have on the public space.

The tool will be developed by using Trinidade Metro Station as a Study Case. The location was chosen because it has two levels with different materials. The upper levels are made mainly of green space and the lower level is made from granite. This will permit to study how the tool will respond to the different surface temperatures and in consequence to the mean radiant temperature.

Validation of the surface temperature component was conducted and comparison between the tool output and the measured temperature was made. The difference found is small enough to be concluded that the developed tool can be used in real projects. Some alternative scenarios were created to study how different material will affect the surface temperature. The obtained results demonstrated that the tool represent correctly the expected increase or decrease of surface temperature and that it can be used to simulate real life scenarios.

Keywords

CIM, BIM, GIS, urban microclimate, thermal comfort, 3D model, simulation