Multi-objective optimization as a design tool in early-stage architectural design : a design framework to meet comfort and energy efficiency

This thesis aimed to investigate the effectiveness of manipulating the traditional bar building form to achieve energy efficiency in early-stage design. The study explored the impact of mass design and manipulation on building performance indicators, including energy demand, daylight availability, and solar radiation exposure. Through the analysis of 208 configurations of the bar building, the research demonstrated that improvements in building efficiency during the conceptual stage significantly influenced environmental performance. It was determined that the majority of the configurations outperformed the baseline bar, resulting in improvements across all three performance indicators. The maximum reduction observed was an 8% decrease in energy demand, while the maximum increases were by 5.16% for daylight performance and an increase of 4.65 kWh for solar radiation. Additionally, the thesis focused on enhancing the indoor illumination quality of the champion bar building through dynamic daylight simulations. Various facade improvement strategies were implemented to address glare issues and improve occupants’ well-being. The results showed that all 200 units in the building achieved the required internal illumination levels in terms of spatial daylight autonomy and annual sunlight exposure after implementing the improvement strategies. The research findings highlight the importance of considering building massing and component detailing in achieving optimal building performance. Efficient form finding in the early stages of architectural design leads to a new architectural language that integrates form and performance, ultimately contributing to a sustainable and aesthetically pleasing built environment.

Questa tesi mirava a indagare l’efficacia della manipolazione della forma tradizionale dell’edificio a barre per ottenere l’efficienza energetica nella progettazione iniziale. Lo studio ha esplorato l’impatto della progettazione di massa e della manipolazione sugli indicatori delle prestazioni degli edifici, tra cui la domanda di energia, la disponibilità di luce diurna e l’esposizione alle radiazioni solari. Attraverso l’analisi di 208 configurazioni dell’edificio del bar, la ricerca ha dimostrato che i miglioramenti nell’efficienza dell’edificio durante la fase concettuale hanno influenzato in modo significativo le prestazioni ambientali. È stato determinato che la maggior parte delle configurazioni ha superato la barra di riferimento, con conseguenti miglioramenti in tutti e tre gli indicatori di prestazione. La riduzione massima osservata è stata una diminuzione dell’8% della domanda di energia, mentre gli incrementi massimi sono stati del 5,16% per le prestazioni di luce diurna e un aumento di 4,65 kWh per la radiazione solare. Inoltre, la tesi si è concentrata sul miglioramento della qualità dell’illuminazione interna dell’edificio bar campione attraverso simulazioni dinamiche della luce diurna. Sono state implementate varie strategie di miglioramento della facciata per affrontare i problemi di abbagliamento e migliorare il benessere degli occupanti. I risultati hanno mostrato che tutte le 200 unità nell’edificio hanno raggiunto i livelli di illuminazione interna richiesti in termini di autonomia spaziale della luce diurna ed esposizione annuale alla luce solare dopo aver implementato le strategie di miglioramento. I risultati della ricerca evidenziano l’importanza di considerare la volumetria dell’edificio e i dettagli dei componenti per ottenere prestazioni ottimali dell’edificio. La ricerca di una forma efficiente nelle prime fasi della progettazione architettonica porta a un nuovo linguaggio architettonico che integra forma e prestazioni, contribuendo in ultima analisi a un ambiente costruito sostenibile ed esteticamente gradevole.