Shape optimization methodology to design a grade. A office building in Hong Kong island

Dealing with crucial decision-making process has led to the development of many different methods of multicriteria assessments, especially optimization methodologies. This work is mainly focused on the integration of advanced computational design and digital methods, to design a complex building shape resulting in a performance-based approach through optimization methodologies. The project shows the design of a skyscraper in Hong Kong Island made through a parametrically controlled shape and evaluated concerning light and wind to reduce urban heat island phenomena an enhance livability. Due to the influence of multiple ‘fitness’ parameters, a genetic algorithm has been created, and a new methodology has been developed for the evolution of the form. First, the Hong Kong environment with its problems and constraints is analyzed. Not only Hong Kong is one of the most densely populated areas in the world, but, in such a dense city, people are fighting for their share of space and buildings struggle for their exposure to natural light and ventilation. For this reason, Hong Kong prescriptive regulations are the constraints in the early design stage. Problems such as small home spaces, small working spaces, high costs of accommodation, congestion, street canyons, heat island effects, etc. cannot be neglected. This case study exploits the presence of an internal chimney connected with several sky gardens to enhance cross ventilation and increase the available natural daylight. In terms of parametric design, the plan and the position of the sky gardens are mathematically referenced so that a genetic algorithm can evaluate the best. Two design stages are carried out to discover a unique methodology that can be applied to different concerns by making small adaptation regarding the parametrization and the parameters involved. The figure of the designer is fundamental to understand the issues and connect them with the different features of the building shape. It is mandatory to adapt inputs to the algorithm according to the goal. The result is a skyscraper placed in the financial district of Hong Kong, which has both the features of a Grade A Office building and it can mitigate the UHI effect thanks to its particular and optimized shape.

Affrontare processi decisionali ha portato allo sviluppo di diversi metodi di valutazione multi-criterio, specialmente per quanto riguarda le metodologie di ottimizzazione. Il lavoro descritto in questa tesi è principalmente focalizzato sull’integrazione di progettazione computazionale avanzata a metodi di design digitali, applicati alla definizione di una forma complessa dell’edifico; il risultato è una metodologia di ottimizzazione basata sulle performance dell’edificio. Il progetto si basa sul design di un grattacielo nel quartiere di Hong Kong Island, attraverso il controllo parametrico della forma rispetto ad aspetti quali luce e vento; con l’obbiettivo di ridurre il fenomeno delle isole di calore ed aumentare la vivibilità. Grazie all’utilizzo di parametri ‘Fitness’ in un Algoritmo Genetico è stato possibile sviluppare una nuova metodologia per l’ottimizzazione della forma. La progettazione inizia con l’analisi del contesto di Hong Kong con le relative problematiche da risolvere. La città non solo è una delle aree più popolate nel mondo ma essendo caratterizzata da un’alta densità, la sua popolazione combatte per la condivisione degli spazi, e gli edifici presentano problemi di esposizione alla luce naturale e alla ventilazione. Per questi motivi, le regole prescrittive della normativa di Hong Kong costituiscono i vincoli nelle prime fasi di progettazione. Alcuni dei problemi che non possono essere tralasciati sono: abitazioni di piccole dimensioni, spazi di lavoro limitati, alti costi degli alloggi, il traffico, i canyon urbani e la formazione di isole di calore. L’edificio analizzato sfrutta la presenza di un camino interno connesso con l’esterno tramite degli sky gardens per aumentare la ventilazione incrociata e la luce naturale. Per quanto riguarda la progettazione parametrica, la pianta e la posizione degli sky garden sono matematicamente collegati ad un Algoritmo Genetico che permette di migliorarli. L’analisi è divisa in due fasi, con l’obbiettivo di trovare un’unica metodologia applicabile ai diversi livelli, tramite piccoli aggiustamenti riguardanti la parametrizzazione e le performance da considerare. Il ruolo del progettista è fondamentale per comprendere le necessità e come queste sono correlate alle diverse caratteristiche della forma dell’edificio. È fondamentale adattare gli input dell’algoritmo a quello che è l’obiettivo. Il risultato finale è un grattacielo dalla forma ottimizzata, situato nel distretto finanziario di Hong Kong, il quale presenta sia le caratteristiche di un Grade A Office Building che quelle che gli permettono di mitigare l’effetto delle isole di calore.