Bio-inspired kinetic facades

The facade of buildings serves as essential elements which help decrease the need for operational energy while keeping the interior spaces at comfortable temperatures. The conventional envelope systems function as fixed systems which fail to handle changes in environmental conditions effectively. The research investigates bio-inspired kinetic facades as a solution to create adaptive building envelopes through a two-stage research approach. The research field receives bibliometric analysis through VOSviewer and Bibliometrix/Biblioshiny which produces a map that shows its intellectual structure and thematic development. The research evaluates five bio-inspired kinetic facade systems through a comparative case-based assessment which uses published project documents and peer-reviewed studies. The research applies the Function–Mechanism–Control (F×M×C) framework to achieve case uniformity through its analysis of how building facade operations generate physical changes which activate corresponding regulatory systems. The biomimetic evaluation process for this comparison draws its theoretical foundation from Steven Vogel's Cats’ Paws and Catapults which enables the conversion of biological principles into architectural and engineering design principles. The research shows bio-inspired kinetic facades have the potential to enhance daylight management and allow natural air circulation, but previous studies and project records demonstrate that these systems reduce cooling needs and boost environmental sustainability when specific weather conditions and operational patterns are met. The implementation of these systems faces barriers because their development stage is not finished and they create problems during system combination and require ongoing maintenance. The thesis offers a ready-to-use classification system which includes an F×M×C classification system and a standardized case study format and evidence collection procedures to help researchers document and evaluate bio-inspired kinetic façade systems for upcoming design work and research projects.

Le facciate degli edifici svolgono un ruolo essenziale nel ridurre il fabbisogno energetico operativo, mantenendo al contempo gli spazi interni a temperature confortevoli. I sistemi di involucro convenzionali funzionano come sistemi fissi, incapaci di gestire efficacemente i cambiamenti delle condizioni ambientali. La ricerca indaga le facciate cinetiche bio-ispirate come soluzione per creare involucri edilizi adattivi attraverso un approccio di ricerca in due fasi. Il campo di ricerca viene analizzato tramite VOSviewer e Bibliometrix/Biblioshiny, che produce una mappa che ne mostra la struttura concettuale e lo sviluppo tematico. La ricerca valuta cinque sistemi di facciate cinetiche bio-ispirate attraverso una valutazione comparativa basata su casi concreti, che utilizza documenti di progetto pubblicati e studi sottoposti a revisione paritaria. La ricerca applica il framework Funzione-Meccanismo-Controllo (F×M×C) per raggiungere l'uniformità dei casi attraverso l'analisi di come le operazioni di facciata degli edifici generino cambiamenti fisici che attivano i corrispondenti sistemi regolatori. Il processo di valutazione biomimetica per questo confronto trae il suo fondamento teorico da "Cats' Paws and Catapults" di Steven Vogel, che consente la conversione di principi biologici in principi di progettazione architettonica e ingegneristica. La ricerca dimostra che le facciate cinetiche bio-ispirate miglioreranno la gestione della luce naturale e consentiranno la circolazione naturale dell'aria, ma studi precedenti e progetti dimostrano che questi sistemi riducono il fabbisogno di raffrescamento e aumentano la sostenibilità ambientale quando si verificano specifiche condizioni meteorologiche e modelli operativi. L'implementazione di questi sistemi incontra ostacoli perché la loro fase di sviluppo non è ancora terminata, creano problemi durante la combinazione dei sistemi e richiedono una manutenzione continua. La tesi offre un sistema di classificazione pronto all'uso che include un sistema di classificazione F×M×C e un formato di studio di casi standardizzato e procedure di raccolta di prove per aiutare i ricercatori a documentare e valutare sistemi di facciate cinetiche bio-ispirate per futuri lavori di progettazione e progetti di ricerca.