KUMORIgami: a kinetic shading device modelled by daylight

In recent years, the architectural trend towards highly glazed areas as key to enhance exterior aesthetic qualities has been accompanied by negative impacts in terms of indoor climate comfort and visual environment. Overheating and cooling loads quickly became issues to be controlled by setting new requirements to limit building consumption. The growing attention to energy performance has been followed by new envelope concepts and designs, even more focused on architectural elements thought as filters to take advantage from the outdoor environment. New technologies and enhanced materials, as like as a shared knowledge between di erent fields, allowed researchers to envision their ideas. Currently focused on kinetics, the design of responsive facades still includes the use of engines and mechanical systems to activate changes. Instead, intelligent materials embedded into envelope elements that perform responsively represents a today’s challenge, as a way to overcame sustainability by becoming a part of the environment themselves. The dissertation takes advantage from what foreseen by Davies, conceiving a kinetic shading device that manages the incoming solar radiation exploiting geometry assessment, physical materiality and responsive actuation. The potential design possibilities of shape memory materials used as micro-actuators is tested by coupling shape memory alloys (SMAs) with Origami shapes. The Japanese art of folding paper is used to increasing SMAs feasibilty for building applications, amplifying their limited linear deformations through multi-directional deployments. Potentialities and limitations of this new type of micro-actuators are thus defined by their arrangement onto Origami shapes, providing useful contractions and movements in space. The form finding approach is based on geometry description and linear contraction, enriched by the use of parametric software as a way to increase samples by changing proportions and constraints step by step. If from one side the research looks at the movement to activate the shape change, to the other side the capability to regulate daylight is analysed for all patterns of movement, from 0% contraction to the 25% one. New considerations about daylight strategies as source to gain energy savings have come to light, taking to a holistic approach that considers both energy and daylight as metrics to assess building comfort. Instead of primarily evaluate energy performance, the kinetic impact of these geometries is exploited using the main daylight metrics that describe the illuminance trend inside the o ce space. In order to give a comprehension about the potential of Origami and SMAs, overall energy consumption values complete each shape, highlighting balanced solutions able to satisfy both visual and thermal comfort, promoting energy savings. The research methodology delineates a performance-based design integration to address the design, proving intelligent building skin designs and their impacts on daylight performance. Taking advantage from new digital software and tools, dynamic simulations are used to evaluate the Origami benefits in terms of visual comfort and energy savings. Thanks to daylighting and energy simulations output, the dissertation envisioned KUMORIgami, an early- stage prototype that merge together geometry, materials and micro-actuation to achieve the requirements imposed. The development of KUMORIgami shows the feasibility of the method, highlighting how di erent strategies can enhance each other if coupled in one multifunctional device. Even though further studies are required to go beyond the prototype process, the mock-up solution allow foreseeing the application of KUMORIgami to both existent and new buildings thanks to the simplification of its mechanical components that require less maintenance and a customised solution given by the combination of materials while promoting the architectural integration. The methods developed by the dissertation suggests an alternative approach to design responsive dynamic envelopes. The research’s results promise future developments in this field, providing intriguing exploitations about materials and techniques merged together. Architectural kinetic façades are expanding and improving, yet are not ready to be developed at building scale. The research intention is to investigate in depth the extent of their possibilities to provide a strong methodology base for all those researches that want to go beyond the prototype scale, bridging the digital world to the physical one.

Negli ultimi anni, la crescente attenzione al risparmio energetico ha portato alla proliferazione di nuovi materiali e tecnologie in ambito edile. In particolare, l’involucro edilizio ha assunto una funzione sempre più importante a causa del suo ruolo di “filtro” tra l’ambiente esterno e quello interno. L’involucro evolve, assumendo la capacità di adattarsi alle esigenze degli utenti e alle variazioni climatiche a cui l'edificio è esposto. Si parla quindi di involucro dinamico, interattivo, che si muove. Per la messa a punto di questo involucro ambientalmente interattivo, l’obiettivo è l’uso di sistemi costruttivi in grado di reagire spontaneamente alle stimolazioni ambientali, in modo da ridurre l’uso di dispositivi elettromeccanici di schermatura o climatizzazione, e che quindi assolvano ai requisiti imposti mediante una forte riduzione dei consumi energetici. La dissertazione parte da quanto investigato da Davies per concepire un dispositivo di schermatura che gestisce la radiazione solare cambiando la propria configurazione spaziale in base a geometria, rivestimento e materiali a memoria di forma. L’arte giapponese di piegare la carta seguendo lo schema geometrico viene pensato come metodo per amplificare le potenzialità di micro-attuatori in nichel titanio aventi proprietà a memoria di forma (SMA), che ora sembrano accostarsi in modo concreto all’ambito edilizio. In base alla disposizione di questi su forme Origami, le limitate deformazioni lineari generate dagli attuatori si trasformano in contrazioni e movimenti nelle tre dimensioni. Software parametrici sono stati impiegati per ampliare il numero di campioni, variando le proporzioni delle geometrie analizzate e accoppiando in modi differenti SMA e Origami. Se da un lato la ricerca esamina il movimento per attivare il cambiamento della forma, dall'altra parte la capacità di regolare la luce viene analizzato per tutti i modelli di movimento, da una contrazione nulla (0%) alla massima impiegata (25%). Nuove considerazioni illuminotecniche come fonte per ottenere risparmi energetici sono state immaginate, portando ad un approccio olistico che considera energia e comfort visivo come metriche per valutare le performance dell'edificio. Invece di usare come parametro principale il fabbisogno di energia primaria, l'impatto cinetico di queste geometrie viene misurato attraverso i principali parametri che descrivono i valori di illuminamento all'interno dell’ufficio doppio. A seguire, il potenziale di Origami e SMA è completato da valori complessivi di consumo energetico, ponendo l’evidenza su soluzioni equilibrate in grado di soddisfare esigenze prestazionali e comfort degli utenti. Grazie all’analisi di movimento e prestazioni luminose e termiche, la dissertazione ha proposto KUMORIgami, un prototipo preliminare che fonde geometria, materiali traslucidi e opachi e micro-azionamento per raggiungere i requisiti imposti. Lo sviluppo di KUMORIgami mostra la fattibilità del metodo, evidenziando come tecnologie provenienti da campi diversi possano migliorarsi l’un l'altro quando accoppiati in un dispositivo multifunzionale. Anche se ulteriori studi sono da ritenersi necessari per andare oltre il prototipo, KUMORIgami prevede concrete applicazioni su edifici nuovi ed esistenti grazie alla semplificazione dei sui componenti meccanici, che richiedono meno manutenzione, e alla personalizzazione dei materiali per promuovere integrazione architettonica e funzionalità a diversi livelli. Fortemente influenzata da nuovi metodi progettazione digitali innovativi, dall’innovazione dei materiali, dall’interazione con l’utente e da un’attenzione al concetto di sostenibilità ambientale, l’edilizia ha subito un’evoluzione non indifferente negli ultimi decenni. Il concetto adattabilità del sistema a differenti condizioni al contorno nasce proprio per la necessità di rispondere alle molteplici prestazioni imposte. Questa ricerca è un’esplorazione all’incrocio tra estetica e funzionalità, tra architettura e tecnologia dei materiali. Con la realizzazione del prototipo si intende avanzare nella cornice scientifica attuale, spostando l’innovazione un passo più lontana dal concetto ma uno più vicino alla realtà.