A parametric framework for adaptive façade design: transition from manual-optioneering to multiobjective optimization based on energy performance analysis

This thesis investigates the application of parametric design and optimization for a more sustainable façade design by analyzing energy performance, daylight factors, and glare reduction. This research applies computational methods to systematically analyze and compare diverse façade design alternatives, rather than relying on experiential decision-making or trial-and-error approaches. A computational design methodology is established through the integration of parametric design, environmental simulation, and multi-objective optimization. Automated energy, daylight, and glare simulations are used to test how effectively a building will function, and parametric design is used to make the façade designs. An evolutionary optimization algorithm based on the NSGA-II method is used to look for façade designs that meet several conflicting building performance criteria. This study focuses on the external shading devices that are built into the building's facade. To make the environment better, the most important design parameters, such as the size, orientation, and shape of the shading devices, are set as variables. To validate the design methodology and examine the effects of diverse geometric shading device configurations on building performance in a real climate, a mixed-use building has been chosen as a test case. The results demonstrate that the proposed computational design method looks into the façade design space and allows us to understand the trade-offs between energy efficiency, glare reduction, and daylighting. The method helps people make decisions in the early stages of design by giving them a set of optimized design options instead of just one perfect solution. This study shows that parametric optimization can be a useful and effective way to design performance-driven facades in modern architecture.

La presente tesi indaga l’applicazione della progettazione parametrica e dell’ottimizzazione per lo sviluppo di soluzioni di facciata più sostenibili, attraverso l’analisi delle prestazioni energetiche, dei fattori di illuminazione naturale e della riduzione dell’abbagliamento. La ricerca adotta metodi computazionali per analizzare e confrontare in modo sistematico diverse alternative progettuali di facciata, superando approcci basati esclusivamente sull’esperienza o su processi di tipo trial-and-error. La metodologia proposta si fonda sull’integrazione tra progettazione parametrica, simulazione ambientale e ottimizzazione multi-obiettivo. Simulazioni automatizzate delle prestazioni energetiche, dell’illuminazione naturale e dell’abbagliamento vengono impiegate per valutare l’efficacia funzionale dell’edificio, mentre la progettazione parametrica consente la generazione e la modifica delle configurazioni di facciata. L’esplorazione dello spazio progettuale è condotta mediante un algoritmo evolutivo di ottimizzazione basato sul metodo NSGA-II, finalizzato all’individuazione di soluzioni in grado di soddisfare criteri prestazionali tra loro potenzialmente conflittuali. Lo studio si concentra in particolare sui dispositivi di schermatura solare esterni integrati nell’involucro edilizio. I principali parametri progettuali — quali dimensioni, orientamento e configurazione geometrica delle schermature — sono definiti come variabili di ottimizzazione al fine di migliorare le prestazioni ambientali complessive. Per validare la metodologia proposta e analizzare l’impatto di differenti configurazioni geometriche delle schermature sulle prestazioni dell’edificio in condizioni climatiche reali, è stato selezionato come caso studio un edificio a uso misto. I risultati dimostrano che il metodo computazionale sviluppato consente un’esplorazione sistematica dello spazio progettuale della facciata e permette di comprendere i compromessi tra efficienza energetica, controllo dell’abbagliamento e disponibilità di luce naturale. L’approccio supporta il processo decisionale nelle fasi preliminari della progettazione, offrendo un insieme di soluzioni ottimizzate anziché un’unica soluzione ideale. La ricerca evidenzia come l’ottimizzazione parametrica rappresenti uno strumento efficace per la progettazione di facciate orientate alle prestazioni nell’architettura contemporanea.