Parametric facade modelling for visual comfort optimization and overheating mitigation. A new workflow for advancing net zero competition

Natural daylight, glare and overheating continue to present as challenging phenomena and conflicting design criteria in modern buildings and often are identified as the main causes of visual and thermal discomfort. In the context of passive low carbon design strategies for human-centric design, the goal is to mitigate the risk of overheating by reducing solar gains during summer, while finding a good balance between diffuse and direct sunlight to reduce glare discomfort and maximise natural light availability. A theoretical framework of the key parameters affecting visual and thermal comfort and a literature review of daylight, glare and overheating in building regulations and protocols are discussed. In this framework, this research proposes a new workflow to optimise daylight availability while mitigating overheating and glare issues by adopting iterative parametric modelling of different façade configurations. This approach allows to efficiently compare several daylight and irradiance simulations on shoebox models with different geometry, opaque and transparent components layouts (WWr), solar control strategies (external shadings) and glass properties (light transmittance and solar factor). Established metrics such as “Spatial Daylight Autonomy” and “Annual Sunlight Exposure” and floor plate solar gains are converted into performance indexes that can be used to assess the response of each design iteration and to create a visual comparison of different options. This new method automatically discards overshaded configurations and enables the designer to establish a range of optimal façade designs matching the architectural intent and assisting the mechanical engineer’s computations. The study includes a practical example of the workflow on HKGBC’s “Advancing Net Zero” competition, demonstrating how the envelope of a 220m high office building is parametrically designed to achieve the highest level of daylight comfort level while reducing solar gains contributions in a subtropical climate. Further steps are suggested to apply this workflow on cold climates and to include the possibility to model adaptive facades and shading systems.

Luce naturale, abbagliamento e surriscaldamento costituiscono fenomeni complessi e criteri contrastanti negli edifici attuali e spesso vengono identificati come la principale causa di discomfort visivo e termico. Nell’ambito di strategie sostenibili a basso impatto ambientale, l’obiettivo e’ quello di mitigare il rischio di fenomeni di surriscaldamento e, simultaneamente, trovare il giusto equilibrio tra luce diffusa e diretta per ridurre il discomfort dovuto all’abbagliamento e massimizzare l’apporto di luce naturale. Un quadro teorico dei principali parametri che influenzano il comfort visivo e termico e una revisione letteraria delle norme e pratiche comuni inerenti ai fenomeni di luce naturale, abbagliamento e surriscaldamento viene riportato. In quest’ottica, il seguente progetto di tesi propone un nuovo approccio all’ottimizzazione dell’apporto di luce naturale e riduzione del rischio di discomfort visivo e termico in ambienti interni, tramite la modellazione iterativa parametrica di diverse configurazioni di facciata. Questo approccio consente di comparare in maniera efficiente diverse simulazioni luminose ed energetiche su “shoeboxes” con diverse geometrie, layout di componenti opachi e trasparenti, strategie di controllo solare (schermature esterne) e proprieta’ ottiche del vetro (trasmittanza luminosa e fattore solare). Noti parametri quali “Spatial Daylight Autonomy” e “Annual Sunlight Exposure” e l’irradianza media annuale incidente sul pavimento sono convertiti in indici, utilizzati per valutare la prestazione di ogni configurazione nella gestione e nel bilanciamento dei tre fenomeni analizzati. Questo metodo scarta autonomamente configurazioni eccessivamente ombreggiate e consente al progettista di stabilire quali configurazioni di facciata risultano ottimali al supporto dell’integrazione architettonica e impiantistica. Questo progetto di ricerca propone un’applicazione pratica della metodologia sulla competizione “Advancing Net Zero” proposta dall’HKGBC, al fine di mostrare come l’involucro edilizio possa essere modellato parametricamente per l’ottimizzazione del comfort visivo e termico in un contesto climatico subtropicale. Ulteriori suggerimenti sono proposti per l’applicazione di questa metodologia per climi freddi e per facciate e/o schermature solari dinamiche.