Design af dagens byer til morgendagens udfordringer

Selvom du ikke er en ivrig gamer, chancerne er, at du har hørt om SimCity. Udgivet i 1989 og kendetegnet ved sit åbne gameplay, SimCity gav mange spillere deres første smag af fuld kontrol over en bys udvikling, for altid at cementere sin plads i videospils historie.

I et mærkeligt twist af gameplay til real-life tilpasning, virtuelle bysimuleringer giver nu byplanlæggere mulighed for at få en fornemmelse af resultaterne af deres beslutninger uden at skulle bygge en enkelt fysisk struktur. På et tidspunkt, hvor verden er ved at blive dramatisk omformet af klimaændringer, Datadrevet modellering af bybilleder er også utrolig nyttigt for regeringer til at ruste deres byer til de værst tænkelige scenarier forårsaget af global opvarmning og stigende havniveauer.

"Singapore, være en lavtliggende ø med begrænset landareal, er særligt sårbare over for klimaændringer, " sagde Hee Joo Poh, en seniorforsker ved Institute of High Performance Computing (IHPC), EN STJERNE, med henvisning til stigende temperaturer og igangværende urbanisering som trusler mod Løvebyens levedygtighed.

Men alt er ikke tabt. "Ved at optimere miljøfaktorer, Singapores byplanlæggere kan designe boliger og infrastruktur, der maksimerer borgernes komfort og velvære på trods af klimaændringer, " grinede han.

Et fugleperspektiv af en virtuel by

Selvom det er lettere at tænke på klimaet som værende ensartet i hele Singapore, faktum er, at forskellige dele af bystaten har deres forskellige klimaprofiler - kendt som mikroklimaer. Et områdes mikroklima påvirkes af et sammenløb af faktorer, lige fra naturlige faktorer som vind, sollys og vegetation til menneskeskabte elementer som bygningstæthed og køretøjstrafik.

At tage højde for alle disse miljøfaktorer i byplanlægning er en vanskelig affære, men Pohs forskningsgruppe har skabt et digitalt værktøj kaldet Integrated Environmental Modeler (IEM) til at gøre netop det. Udviklet i samarbejde med kolleger ved A*STAR's Institute for Infocomm Research (I2R) og Building &Research Institute, Bolig- og Udviklingsnævnet (HDB), Singapore, IEM udnytter flere datakilder til at genskabe og simulere mikroklimascenarier i Singapore. Dette adskiller den fra andre miljømodelbyggere på markedet, der typisk kun vurderer én miljøfaktor ad gangen.

"Det vigtigste hul, som IEM udfylder, er integration, " delte Poh. "Det er det første integrerede og skalerbare værktøj til at koble alle vigtige miljøfysiske faktorer og deres komplekse interaktioner til en enkelt samlet platform."

For at oprette IEM, forskerne blev forsynet med indviklede 3-D geometriske data fra Singapore af deres samarbejdspartnere på HDB. Holdet udviklede derefter et modul, der kunne knuse de 3-D geometriske data for at transformere dem til en yderst realistisk 3-D-simulering af landet. På samme tid, 43 miljøsensorer blev indsat i Singapores østlige halvdel. Drevet af solen, disse sensorer indsamlede data om forskellige parametre såsom solindstråling, vind og temperatur, trådløst at overføre dataene tilbage til forskerne i realtid.

Med enorme mængder data i hånden, forskerne fortsatte derefter med at udføre det møjsommelige arbejde med at kombinere alle de forskellige parametre til det, der skulle blive IEM. Data om luftstrømsdynamik, banen for solvarme og støjudbredelse blev overlejret på 3D-simuleringen af ​​Singapore, med ti meter vandret opløsning. Det her, indrømmede Poh, var den mest udfordrende del af projektet.

"Det, vi har skabt, er ikke en integration af eksisterende software, men et system bygget på en skalerbar computerarkitektur ved hjælp af realtidsmålinger, " han sagde.

Når det digitale bliver fysisk

Værdien af ​​et værktøj ligger i det problem, det løser for sin bruger. I tilfældet med IEM, det første problem, som Pohs team forsøgte at tackle, var et mikroklimafænomen kendt som den urbane varmeø-effekt, som er ansvarlig for den markante forskel i temperatur mellem skovbevoksede og urbaniserede områder.

Byvarmeøer er et resultat af konstruktionen af ​​tætte bystrukturer - tænk på skyskrabere og indkøbscentre - der fanger varme langs relativt smalle gader. Sammenholdt med mangel på skyggegivende vegetation og varme fra biltrafik, temperaturerne på disse varmeøer kan stige til uudholdelige niveauer.

Ikke overraskende, satellitdata har afsløret, at byvarmeøer er mere tydelige i Singapores meget urbaniserede syd. Områder som Tuas Industrial Park og Changi Lufthavn er også særligt varme på grund af de store skår af blotlagt beton og metal, der findes på disse steder. I mellemtiden det skovklædte nord er forholdsvis køligere i løbet af dagen – forskerne rapporterede en temperaturforskel på 4°C mellem godt beplantede områder og Singapores Central Business District.

Ved at kombinere disse temperaturforskelle i tandem med computational fluid dynamics (CFD) simuleringer af vindhastighed og retning, samt tilstedeværelsen eller fraværet af vegetation og vandområder i et område, forskerne var i stand til at identificere optimale placeringer til at bygge faciliteter såsom legepladser i eksisterende eller nye udviklinger. Desuden, ved at tage støjdata i betragtning, forskerne var i stand til at identificere en sammenhæng mellem varmefordeling og støjudbredelse i bymiljøer.

"Lyd rejser hurtigere i varmere luft, så når luften over jorden er varmere end luften ved overfladen, lydbølgen bøjer tilbage mod jorden, " forklarede Poh. "Under sådanne omstændigheder, den nedadgående brydning kan tillade lyd at bevæge sig over forhindringer såsom støjskærme og forplante sig videre."

Sådanne indsigter kunne være nyttige for Singapores byplanlæggere, da flere højhuse bygges nær motorveje for at maksimere arealanvendelsen. Højde og placering af støjskærme kan også skulle justeres for at begrænse omfanget af støjbelastningen, som bygningernes beboere oplever.

Bygger på et stærkt fundament

Analogt med hvordan Singapores skyline er i en tilstand af konstant forandring, IEM er fortsat et igangværende arbejde, da Poh og kolleger fortsætter med at forbedre simuleringerne.

"Den langsigtede vision for IEM-værktøjet er at forvandle det til en meget nøjagtig "Digital Twin"-model til brug med ethvert urbaniseret område, i stand til at tage højde for forskellige faktorer, der påvirker bymiljøer, " sagde Poh. "Dette reducerer risikoen for dyre fysiske forsøg og fejl og tillader udviklingsplaner at blive testet beregningsmæssigt før den faktiske implementering."

Selv funktionerne i individuelle bygninger kan vurderes i silico ved hjælp af IEM, Poh tilføjede, fremhæver, hvordan han har arbejdet med Building and Construction Authority (BCA) i Singapore i mere end et årti om klimarelevant bygningsdesign, bidrager med sin ekspertise inden for CFD-simuleringer.

"I 2008 BCA inkluderede CFD i sit initiativ (BCA Green Mark Scheme) for at drive Singapores byggeindustri mod mere miljøvenlige bygninger, og jeg var ansat som ekstern bedømmer for projekter under initiativet, " sagde han. Så i 2012, han samarbejdede yderligere med BCA om at udvikle CFD-simuleringsmetodologi og evalueringsparametre til modellering af naturligt ventilerede rum i ikke-beboelsesbygninger under Green Mark-kriterierne.

For hans bidrag til området for urban levedygtighed og bæredygtighed i Singapore, Poh blev hædret af Ministeriet for National Udvikling (MND) som World Cities Summit Young Leader i 2014. For nylig, i 2019, Puh, sammen med Wee Shing Koh fra IHPC, Fachmin Folianto fra I2R og Sze Tiong Tan fra HDB, blev tildelt præsidentens teknologipris 2019 – Singapores mest prestigefyldte videnskabs- og teknologipris – for deres arbejde med IEM.

"Vores forskning hjælper med at bringe innovative løsninger til bæredygtig byplanlægning og design, men ud over byplanlægningsområdet, klimaforskere og miljøforskere kunne også bruge IEM til at simulere og studere de lokaliserede effekter af fremtidige globale klimaændringer, " sagde Poh.

"Resultaterne fra sådanne undersøgelser ville være nyttige for offentlige myndigheder til at formulere politikker og indføre foranstaltninger til at afbøde klimarelaterede trusler, " konkluderede han.