Solar species : an evolutionary approach towards early-stage solar responsive building forms

The building sector is a major contributor to greenhouse gas emissions and a dominant energy consumer around the globe. With accelerated climate change and increasing government regulations, it has become crucial for designers to address this pressing issue. This thesis aims to facilitate this in a project’s early-design phase. The research questions our intuitive decision making for initial building forms and delves into the role of daylighting, visual and thermal comfort in optimizing the shape of a building. It attempts to uncover the causal relationship between building form and energy-based indicators. It achieves this by using an algorithmic approach to automate form generation followed by ‘exploration’ of the optimal solutions through multi-objective optimisation. Instead of defining rigid building typologies as boundary conditions, two primitive parameters govern the building form generation. These are the number of cores and number of connections between them, with 20 configurations of these parameters covering a broad massing range. Evolutionary process was performed on each configuration with compactness and solar potential being the optimisation parameters. From over 22 thousand design iterations in exploration phase, 151 optimal options survive (mostly having regular geometries) and advance to the next stage, where a full building dynamic energy simulation was performed on them. The energy consumption and on-site production were balanced on a monthly and yearly basis to get the net Energy Use Intensity (EUI) representing their energy performance. In energy balance, the production potential was found to be a more influential factor than energy demand, resulting in certain typologies like slab or linear block portraying better performance than others. The study highlights how certain building forms inherently perform better and by following an evolutionary approach, the ‘ideal’ building form can be identified for a particular site, contributing a bit for our sustainable future.

Il settore edile è il maggior responsabile dell’emissione di gas serra e di consumo energetico al mondo. Con l’esponenziale cambiamento climatico e l’aumento delle relative normative istituzionali, è ormai cruciale per i progettisti affrontare questo urgente problema. Questo elaborato punta a facilitarli nelle fasi preliminari di progetto. La ricerca mette in dubbio il nostro intuito nel prendere decisioni progettuali inerenti le fattezze del costruito e scava nei ruoli che la luce naturale, il comfort termico e quello visivo hanno nella caratterizzazione della forma di un edificio. L’indagine cerca di svelare relazioni causali tra forme e indicatori energetici, perseguendo questo scopo attraverso un approccio algoritmico d’automatizzazione dei processi di generazione delle forme, seguito dall’investigazione delle soluzioni migliori attraverso delle ottimizzazioni multi-obiettivo. Anziché definire delle rigide tipologie edilizie come condizioni contestuali, due parametri governano la generazione delle forme: il numero di nuclei e le rispettive connessioni, con venti configurazioni dei due parametri per coprire un vasto intervallo di volumi ottenuti. Un processo di ottimizzazione è stato poi elaborato da ogni configurazione, basato sui parametri compattezza e potenziale solare. Da più di ventidue mila iterazioni progettuali nella fase iniziale, centocinquantuno sono quelle ottimali (principalmente geometrie regolari), passate alla fase successiva: quella della simulazione energetica dinamica sull’intero edificio. Il consumo energetico e la produzione locale d’energia sono stati calcolati su una base mensile ed annuale per ottenere l’ Energy Use Intensity (EUI) come indicatore di performance di ogni edificio. Nel bilancio, il potenziale di produzione è stato considerato più influente del consumo, mostrando per certe tipologie come i parallelepipedi verticali ed i blocchi lineari una performance migliore di altre. Lo studio sottolinea quindi come certe geometrie costruite siano intrinsecamente meglio performanti e, attraverso un approccio evolutivo, come una forma “ideale” possa essere identificata per ogni sito, contribuendo alla sostenibilità del nostro futuro.