Investigation of a performance-based parametric canopy

Abstract

In recent years, global energy demand has increased substantially due to population growth. Therefore, improvements in energy efficiency have become a prominent international business for designers and researchers. This need to create environmentally sustainable projects with lower impact, better thermal comfort, and reduced energy consumption has encouraged the spread of one of the 21st-century design streams called performance-based design. For this reason, this dissertation aims to investigate the steps of creating a performance-based modular canopy, fitted for allowing diffuse radiation and daylight indoors using parametric modeling, simulation-based optimization (SBO), and factorial analysis. We used canopies as objects of study due to the higher insolation load that horizontal surfaces receive in low latitudes, which is Brazil's case. We divided the research into a literature review, a methodology testing, digital shape production processes, shape definition, shape parameterization, computational simulations, the definition of SBO parameters and objectives, and final shape optimization. We introduce the study with a methodology test, formulating a script, running simulations for radiation, and using SBO to produce a canopy based in retro-studies of tree leaves as engineering structures. With the methodology tested, we proceed to the parameterization of the definitive shape, using an analysis of variance (ANOVA) to determine the most robust optimization parameters that would partake in the final SBO. We apply the awning to several naturally conditioned transitional spaces. These transitional spaces present neither indoor nor outdoor conditions and have historical value in Brazil, being present in architecture since the colonial period. They act as passive design strategies, improving the results obtained when simulation the canopy alone. In this study, the transitional spaces are an Entrance Hall, a Fan Atrium Zone, and a Balcony. As the main result, we obtained a process for designing both a leave inspired canopy and an Origami- shaped awning. We presented a methodology for applying SBO during early design stages using Ladybug® and Honeybee® for Grasshopper®. We also diminished the optimization time by selecting the robust optimization parameters beforehand using ANOVA. Concluding, the parameterization and SBO employed analysis concerning radiation and daylight through the assessment of the quantitative objectives Physiological Equivalent Temperature (PET) and Useful Daylight Iluminance (UDI). Keywords: Complex Surfaces. Parameterization. Simulation based Optimization. Luminous and thermal performance.

Nos últimos anos, a demanda global de energia aumentou substancialmente devido ao crescimento populacional. Portanto, melhorias na eficiência energética se tornaram um negócio internacional de destaque para “designers e pesquisadores. A necessidade de criar projetos ambientalmente sustentáveis com menor impacto, melhor conforto térmico e menor consumo de energia incentivou a expansão de uma das correntes de 'design' do século XXI: o 'design' baseado em desempenho. Por esse motivo, esta dissertação tem como objetivo investigar as etapas do processo de criação de uma cobertura modular baseada em desempenho, capaz de permitir radiação difusa e luz natural em ambientes internos usando modelagem paramétrica, otimização baseada em simulação (SBO) e análise fatorial. Usamos coberturas como objeto de estudo devido à maior carga de radiação que as superfícies horizontais recebem em baixas latitudes, como é o caso do Brasil. Dividimos a pesquisa em revisão de literatura, teste de metodologia, processos de produção de geometrias digitais, definição da geometria, parametrização da forma selecionada, simulações computacionais, definição de parâmetros e objetivos do SBO e otimização da forma. Introduzimos o estudo com um teste de metodologia, formulando um 'script' em Grasshopper, executando simulações computacionais para radiação e usando o SBO para produzir uma cobertura baseada em retro estudos de formas da natureza como estruturas de engenharia. Com a metodologia testada, procedemos à parametrização da forma definitiva, usando uma análise de variância (ANOVA) para determinar os parâmetros de otimização mais robustos para a SBO final. Aplicamos a cobertura em vários espaços de transição naturalmente condicionados. Esses espaços de transição não apresentam apenas condições internas nem externas de conforto e têm valor histórico no Brasil, estando presentes na arquitetura desde o período colonial. Eles atuam como estratégias de projeto passivo, melhorando os resultados obtidos ao simular apenas a cobertura. Neste estudo, os espaços de transição são um Vestíbulo, uma Zona de Átrio e uma Varanda. Como resultado principal, obtivemos um processo para projetar coberturas inspiradas por formas da natureza e por formas do Origami. Apresentamos uma metodologia para aplicar o SBO durante os estágios iniciais do projeto, usando Ladybug® e Honeybee® for Grasshopper®. Também reduzimos o tempo de otimização, selecionando previamente os parâmetros robustos de otimização usando ANOVA. Concluindo, a parametrização e a SBO empregaram análises de radiação e luz natural por meio da avaliação dos objetivos quantitativos Physiological Equivalent Temperature (PET) and Useful Daylight Illuminance (UDI). Palavras-chave: Superfícies Complexas. Parametrização. Otimização baseada em Simulação. Desempenho térmico e luminoso.