Rafael Prado Cartana
DESEMPENHO TÉRMICO E LUMÍNICO DE ELEMENTOS DE CONTROLE SOLAR PARA FACHADAS DESENVOLVIDOS COM MODELAGEM PARAMÉTRICA E FABRICAÇÃO DIGITAL
Tese submetida ao Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo PósARQ da Universidade Federal de Santa Catarina para a obtenção do Grau de DOUTOR em Arquitetura e Urbanismo.
Orientador: Prof. Fernando Oscar Ruttkay Pereira, Phd.
Florianópolis 2018
Rafael Prado Cartana
DESEMPENHO TÉRMICO E LUMÍNICO DE ELEMENTOS DE CONTROLE SOLAR PARA FACHADAS DESENVOLVIDOS COM MODELAGEM PARAMÉTRICA E FABRICAÇÃO DIGITAL Esta Tese foi julgada adequada para obtenção do Título de DOUTOR em Arquitetura e Urbanismo e aprovada em sua forma final pelo Programa de Pós-Graduação em Arquitetura e Urbanismo – PósARQ da Universidade Federal de Santa Catarina.
Florianópolis, 28 de março de 2018.
--- Prof. Fernando Simon Westphal, Dr.
Coordenador do Curso (PósARQ)
Banca Examinadora:
--- Prof. Fernando Oscar Ruttkay Pereira, Phd.
Orientador / UFSC
--- Prof. Martin Ordenes Mizgier, Dr.
UFSC
--- Prof.ª Regiane Trevisan Pupo, Drª
UFSC
--- Prof.ª Ana Ligia Papst de Abreu, Drª
Este trabalho é dedicado à minha amada esposa Raphaela e ao nosso “tesouro”, Gabriel.
AGRADECIMENTOS
Ao Prof. Fernando Oscar Ruttkay Pereira “Chefe”, por colocar seu conhecimento à disposição para a orientação deste trabalho, sempre conduzindo nossos assessoramentos com atenção, amizade e compreensão.
Aos membros da banca pela disponibilidade para avaliar e colaborar com a estruturação e desenvolvimento deste trabalho.
Ao Prof. Wilson Florio por atuar como parecerista deste trabalho e também por servir como inspirador para o mesmo, ao nos apresentar as possibilidades de incorporação das ferramentas de modelagem paramétrica e fabricação digital na arquitetura.
À Prof.ª Regiane Trevisan Pupo por sempre atenciosamente abrir as portas do Pronto3D-UFSC para todos terem a acesso às tecnologias de fabricação digital.
À postura democrática de todos os desenvolvedores de softwares com versões educacionais, em especial aos Profs. Christoph Reinhart e Alstan Jakubiec pelo desenvolvimento e disponibilização do plug-in DIVA for Rhino.
A todos os amigos do LabCon-UFSC por compartilhar seu tempo e conhecimento.
À Universidade Federal de Santa Catarina UFSC, pela inestimável contribuição à minha formação acadêmica.
À Universidade do Vale do Itajaí UNIVALI, pelos recursos financeiros, materiais e equipamentos disponibilizados.
À FAPESC – Fundação de Amparo à Pesquisa e Inovação do Estado de Santa Catarina, pelos recursos financeiros aplicados no desenvolvimento deste trabalho.
A meus pais Elson e Argita por proporcionarem a realização dos meus sonhos.
A minha esposa Raphaela, por tudo que faltaria espaço e palavras para descrever nos agradecimentos de uma tese... pelo amor, companheirismo e sabedoria. E por nos dar (e cuidar) do mais lindo presente do mundo, chamado Gabriel.
E por fim a meus sogros Ronaldo e Elmari e minha cunhada Caroline pelo infinito amor e incansável ajuda com o Gabriel, e tudo mais que foi necessário.
Se as coisas são inatingíveis... ora! Não é motivo para não querê-las... Que tristes os caminhos, se não fora A presença distante das estrelas! (Mario Quintana)
RESUMO
Considerando a importância do controle da radiação solar e admissão da luz natural nas edificações, os elementos de controle solar podem contribuir significativamente com o conforto ambiental e a eficiência energética no ambiente construído. Paralelamente às questões ambientais, destaca-se o crescente emprego de ferramentas computacionais aplicadas aos processos de projeto e produção na arquitetura contemporânea. Nesse contexto, esta tese tem como objetivo investigar o desempenho térmico e lumínico de elementos de controle solar produzidos com modelagem paramétrica e fabricação digital. Como metodologia,
utilizando a suíte de modelagem paramétrica
Rhinoceros+Grasshopper e processos de fabricação digital, foram produzidos modelos de elementos de controle solar paramétricos, classificados em diferentes categorias, de acordo com sua crescente complexidade geométrica. As análises de desempenho (térmico e lumínico) foram realizadas empregando simulação computacional, e medições em protótipos. Para as simulações foram utilizados os aplicativos e plug-ins, DIVA-for-Rhino, Galapagos Evolutionary Solver, Autodesk Ecotect Analysis e Ladybug. Para as análises dos protótipos foram utilizadas fotografias HDR, medições de iluminância e análises de insolação. Ao final da pesquisa é apresentada uma proposta de aplicação dos modelos desenvolvidos em uma edificação, considerando os condicionantes climáticos de Florianópolis (SC/Brasil), cidade escolhida para o estudo. Como principais resultados observou-se de forma geral, que os elementos analisados foram capazes de controlar a admissão excessiva de radiação solar e luz natural, tornando a sua distribuição mais homogênea, além de reduzir a probabilidade de desconforto visual por ofuscamento. Destaca-se o efeito dos parâmetros geométricos profundidade e direção dos elementos de controle solar quanto à distribuição da luz natural e admissão seletiva de radiação entre inverno e verão, respectivamente. O gradativo aumento da complexidade geométrica entre as categorias de elementos desenvolvidos, comprovou que os resultados de desempenho podem ser generalizados a partir do comportamento paramétrico de geometrias mais simples, até modelos com formas mais complexas. Por fim, observa-se de forma complementar ao
de elementos de controle solar e propósitos da edificação. Palavras-chave: Elementos de controle solar para fachadas. Desempenho térmico e lumínico. Modelagem paramétrica. Fabricação digital.
ABSTRACT
Solar shading devices can significantly contribute to environmental comfort and energy efficiency in the built environment when considering the importance of solar radiation control and daylight admission in buildings. Parallel to environmental issues, the growing use of computational tools applied to design and production processes in contemporary architecture can be highlighted. Within this context, the objective of this this thesis is to investigate the thermal and luminic performance of solar shading devices produced with parametric modelling and digital fabrication. As methodology, using the parametric modelling tool Rhinoceros+Grasshopper and digital fabrication processes, parametric models of solar shading devices were produced, and classified in different categories according to their increasing geometric complexity. The performance analysis (thermal and luminic) was performed using computational simulation, and measurements in prototypes. For the simulations,
the software and plug-ins, DIVA-for-Rhino, Galapagos
Evolutionary Solver, Autodesk Ecotect Analysis and Ladybug were used. For the prototypes analysis, HDR photographs, illuminance measurements and insolation analysis, were used as well. At the end of the research a proposal of application of the models developed is presented, in a building considering the climatic conditions of the city chosen for the study, Florianopolis (SC / Brazil). As main results, it was observed in general that the analysed solar shading devices could control the excessive admission of solar radiation and daylight, providing a more homogeneous daylight distribution and reducing the daylight glare discomfort probability. The effects of the geometric parameters depth and direction of the solar control devices regarding the daylight distribution and selective solar radiation admission between winter and summer can be highlighted, respectively. The gradual increase of the geometric complexity between the categories of developed solar shading devices has shown that the performance results can be generalized from the parametric behaviour of simpler geometries to models with more complex shapes. Finally, in addition to the thermal and luminic performance, the importance of considering the compositional aspects, related to the architectural language and building purpose was observed.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1: Elementos de controle solar na arquitetura contemporânea. ... 37 Figura 2: Bionic Breathing Skin. Lidia Badarnah. ... 38 Figura 3: Elementos de controle solar no movimento moderno brasileiro. .. 40 Figura 4: Elementos de controle solar na arquitetura contemporânea brasileira ... 40 Figura 5: Exploração de possibilidades formais e avaliações de desempenho ... 42 Figura 6: Variações paramétricas para o estudo da cobertura do Centro de Tênis de Hangzou. ... 42 Figura 7: Exemplo de fabricação digital na produção de protótipos (Robótica). ... 43 Figura 8: Estrutura do trabalho. ... 47 Figura 9: Ivan Sutherland e interface do Sketchpad. ... 50 Figura 10: (a) Escultura do Peixe em Barcelona, (b) Museu Guggenheim de Bilbao. ... 51 Figura 11: (a) Kunsthaus Graz, (b) British Museum, (c) Guangzhou Opera House ... 52 Figura 12: NURBS. Possibilidade de controle da forma a partir dos pontos de controle, pesos e nós. ... 52 Figura 13: Interface Rhino+Grasshopper ... 54 Figura 14: Centro de Tenis de Hangzou – NBBJ Architects. ... 55 Figura 15: (a) Algoritmo C. de Tênis de Hangzhou, (b) nuvem de pontos, (c) variações paramétricas ... 55 Figura 16: Modelagem paramétrica a simulação computacional, plug-in DIVA-for-Rhino. ... 56 Figura 17: Modelo paramétrico da sede do Banco Nacional do Kuwait ... 57 Figura 18: Estudos e protótipo de um elemento de controle solar. Arq. Stefan Bader, 2010. ... 58 Figura 19: Interface de 3 telas do aplicativo Sustain ... 59 Figura 20: Interface do plug-in DIVA. ... 60 Figura 21: Interface do Ecotect. Simulação de insolação e projeção cumulativa de sombras. ... 61 Figura 22: Ladybug, exemplo de simulação de trajetórias solares e análises de radiação. ... 61 Figura 23: Algoritmos evolutivos. Resultados para a volumetria de um edifício. ... 63 Figura 24: (a) Transferência de tecnologia entre outras indústrias e arquitetura. (b) Water Pavilion ... 65
Figura 27: Maquinários de fabricação bidimensional ... 67
Figura 28: Aplicação corte a laser grande escala. ... 68
Figura 29: Métodos subtrativos ... 69
Figura 30: Métodos subtrativos ... 69
Figura 31: Métodos aditivos ... 70
Figura 32: Diferentes materiais empregados nos métodos aditivos ... 70
Figura 33: Exemplos de maquinários para fabricação aditiva... 71
Figura 34: Fabricação aditiva em grande escala ... 72
Figura 35: Impressão de malhas espaciais para estruturas em concreto. ... 72
Figura 36: Aplicação de métodos formativos ... 72
Figura 37: Processos formativos ... 73
Figura 38: Fabricação por seccionamento ... 74
Figura 39: [c]space, Allan Dempsey e Alvin Huang, 2008. ... 74
Figura 40: “A Change of State”, Georgia Institute of Technology, Nader Tehrani, 2006. ... 75
Figura 41: Exemplos de ladrilhamento ... 75
Figura 42: Airspace Tokyo, Thom Faulders Architecture, 2007. ... 76
Figura 43: Technicolor Bloom, Brennan Buck, 2007. ... 77
Figura 44: Exemplos de aplicação da estratégia de dobradura ... 77
Figura 45: Digital Origami, Universidade de Tecnologia de Sydney, Chirs Boose, 2007. ... 78
Figura 46: C_Wall, Andrew Kudless / Matsys, 2006. ... 78
Figura 47: Diagrama de Voronoi (2D). Divisão de um plano em “células”, a partir de “geradores”. ... 79
Figura 48: Manifold, Andrew Kudless / Matsys, 2004. ... 79
Figura 49: Estratégia de contorno ... 80
Figura 50: Processo de fabricação e montagem da instalação Bone Wall, Urban A&O, 2006. ... 80
Figura 51: Fabricação por moldagem dos painéis de fachada do Zollhof Towes ... 81
Figura 52: CocoonClub, (3dluxe, 2004): (a) moldagem, (b) montagem, (c) (d) painel finalizado. ... 81
Figura 53: Robótica: (a) (b) montagens, (c) corte, (d) fabricação aditiva. .... 82
Figura 54: Robótica, (a) (b) processos de fabricação, (c) (d) (e) maquinários. ... 82
Figura 55: Valores horários de radiação solar para os solstícios de verão e inverno ... 84
Figura 57: Radiação solar (a) direta, e (b) difusa para Florianópolis. ... 86
Figura 58: Edifício sede do jornal New York Times, Arq. Renzo Piano, 2007. ... 86
Figura 59: Fator solar para fechamentos translúcidos ... 87
Figura 60: Intensidade luminosa: fluxo luminoso irradiado em uma determinada direção. ... 88
Figura 61: Iluminância de 1 lx = 1lm/1m². ... 89
Figura 62: Luminância [cd/m2]: intensidade luminosa / área iluminada (superfície aparente). ... 89
Figura 63: Fator de Luz Diurna. ... 90
Figura 64: Comparativo da distribuição espacial da ilum.natural para amb. com iluminação lateral. ... 92
Figura 65: Comparativo ofuscamento sem elementos de controle solar ... 97
Figura 66: Comparativo ofuscamento com elemento de controle solar. ... 97
Figura 67: Exemplo de análise de luminância a partir de imagem HDR ... 98
Figura 68: Dados climáticos de Florianópolis ... 99
Figura 69: Zoneamento bioclimático brasileiro, Zona Bioclimática 3 ... 100
Figura 70: Variação anual das médias diárias mensais de radiação para Florianópolis. ... 100
Figura 71: Tipologias de elementos de controle solar avaliados ... 103
Figura 72: Modelos e simulações ... 103
Figura 73: Resultados das variações paramétricas para os cenários de 2013, 2020, 2050 e 2080. ... 105
Figura 74: Processo de fabricação digital e protótipo em escala 1-1 ... 106
Figura 75: Variações paramétricas dos modelos preliminares avaliados .. 106
Figura 76: Avaliação da obstrução visual causada pelo elemento de controle proposto ... 107
Figura 77: Propostas de elementos de controle solar piscina “Neubad Lucerne” ... 108
Figura 78: (a) Padrões geométricos persas, (b) geometria básica das telas, (c) exemplo de tela ... 109
Figura 79: Primeira etapa, análise comparativa de admissão da luz natural ... 110
Figura 80: Variações paramétricas avaliadas pela ferramenta de algoritmos evolutivos ParaGen. ... 111
Figura 81: (a) Ambiente de análise, (b) modelo ortogonal, (c) modelo em forma de “guelras”. ... 112
Figura 82: Variações paramétricas nos modelos da segunda família (formas orgânicas). ... 112
metodológicas aplicadas... 118
Figura 87: Aumento da complexidade geométrica dos modelos desenvolvidos. ... 120
Figura 88: Modulação dos elementos de controle solar e ambiente de análise. ... 121
Figura 89: Variação dos parâmetros geométricos nos elementos de controle solar ortogonais ... 122
Figura 90: Maquinário disponível e protótipos desenvolvidos... 123
Figura 91: Interfaces dos aplicativos CubePro e Repetier Host. ... 123
Figura 92: Configurações de materiais no DIVA. ... 124
Figura 93: (a) luxímetro Minipa, (b) chapa de plástico PLA de 25cm por 25cm. ... 125
Figura 94: Plano de análise de admissão da radiação incidente. ... 126
Figura 95: Plano de análise para as análises de iluminação natural. ... 127
Figura 96: Configurações de horários de ocupação e parâmetros avançados do Radiance no DIVA. ... 128
Figura 97: (a) solarscópio do LACA-UNIVALI, (b) modelo para oeste e (c) modelo para norte. ... 129
Figura 98: modelo do ambiente de análise ... 131
Figura 99: (a) céu artificial LabCon UFSC e bancada para medições ... 132
Figura 100: Posicionamento do ponto para geração do mascaramento no Ladybug. ... 132
Figura 101: Câmera Cannon EOS 60D e interface do aplicativo Photolux 3.2. ... 134
Figura 102: (a) ambiente de analise, (b), (c) e (d) base móvel para câmera e modelo. ... 134
Figura 103: modelo e processo de aquisição das fotografias ... 135
Figura 104: Edificação leste-oeste, exemplo de aplicação de elemento de controle solar. ... 136
Figura 105: Imagens externa e interna do edifício com a aplicação dos elementos de controle solar. ... 137
Figura 106: Planos de análise de radiação solar (a) e plano de análise de iluminação natural (b). ... 138
Figura 107: Projeção de sombras e radiação média diária incidente para janeiro e julho ... 140
Figura 108: Modelos ortogonais. ... 141
Figura 109: Coeficiente de admissão de radiação CRS para os meses de janeiro e julho. ... 142
Figura 110: Distribuição espacial DA300 e UDI100-2000, sobre o plano de análise de iluminação. ... 143 Figura 111: Modelos dos elementos de controle solar desenvolvidos por alunos de graduação. ... 144 Figura 112: Coeficiente de admissão de radiação CRS para os meses de janeiro e julho. ... 145 Figura 113: Distribuição espacial DA300 e UDI100-2000, sobre o plano de análise de iluminação. ... 147 Figura 114: Modelo Voronoi-01, algoritmo do Grasshopper e etapas do processo de modelagem. ... 149 Figura 115: Protótipos materializados ... 150 Figura 116: Resíduo gerado pelos métodos por corte em relação aos métodos aditivos ... 151 Figura 117: (a) modelo do ambiente de análise, (b) luxímetros, (c) medições, (d) tipo de céu. ... 152 Figura 118: Decréscimo do FLD em relação à profundidade do ambiente (distância da fachada). ... 152 Figura 119: Algoritmo do Grasshopper integrando modelagem, simulação e algoritmos evolutivos. ... 153 Figura 120: (a) Voronoi-01, (b) plug-ins DIVA e Galapagos, (c) profundidade do elemento ... 154 Figura 121: (a) configurações de entrada do Galapagos, (b) interface de simulação do Galapagos. ... 155 Figura 122: DA, UDI, sDA, ASE ... 156 Figura 123: Avaliação da probabilidade de ofuscamento ao longo do ano (DGP) Base Voronoi-01 ... 159 Figura 124: Avaliação da probabilidade de ofuscamento (DGP) para o dia 10 de janeiro às 15hs ... 160 Figura 125: Imagens HDR e escala de luminâncias das deis situações avaliadas. ... 161 Figura 126: Variação dos valores de UGR, VCP e DGI de acordo com os casos analisados. ... 162 Figura 127: Modelo Ortogonal, algoritmo do Grasshopper e etapas do processo de modelagem. ... 167 Figura 128: Modelo Ortogonal: etapas do processo de modelagem. ... 168 Figura 129: Modelos e variações dos parâmetros geométricos. ... 169 Figura 130: Exemplos de permeabilidade visual em relação ao plano normal da fachada. ... 169 Figura 131: Modelos fabricados: (a) Base, (b) P40, (c) D45° e (d) Galapagos oeste. ... 170
Figura 134: Leste: CRSs de janeiro e julho. ... 173 Figura 135: Oeste, relação entre modelo D-45° e azimutes de inverno e verão. ... 174 Figura 136: Leste, variação dos CRSs em relação aos parâmetros geométricos. ... 174 Figura 137 – Norte, CRSs de janeiro e julho. ... 175 Figura 138: Norte, variação dos CRSs em relação aos parâmetros geométricos. ... 175 Figura 139: Interface do DIVA no Rhino. Modelo Base, exemplo de simulação de DA. ... 176 Figura 140: Oeste. Distribuição espacial DA300 e UDI100-2000 plano de análise de iluminação. ... 179 Figura 141: Leste. Distribuição espacial DA300 e UDI100-2000 plano de análise de iluminação ... 180 Figura 142: Norte. Distribuição espacial DA300 e UDI100-2000 plano de análise de iluminação ... 181 Figura 143: Oeste, variação de DA300 e UDI100-2000 em relação aos parâmetros geométricos. ... 182 Figura 144: Leste, variação de DA300 e UDI100-2000 em relação aos parâmetros geométricos. ... 182 Figura 145: Norte, variação de DA300 e UDI100-2000 em relação aos parâmetros geométricos. ... 182 Figura 146: Leste. DA300 e UDI100-2000. Comparativo ente os modelos i+30° e Base. ... 185 Figura 147: Análises de insolação solarscopio. Modelos Base e P40, orientação oeste. ... 187 Figura 148: Análises de insolação solarscopio. Modelos D-45° e i+45°, orientação oeste. ... 187 Figura 149: Análises de insolação solarscopio. Modelos Base e P40 para orientação norte. ... 188 Figura 150: Análises de insolação realizadas no solarscopio. Modelo i+45°, orientação norte. ... 189 Figura 151: Teste de sensibilidade para definição do fitness. Número de horas do ano. ... 190 Figura 152: Algoritmo do Grasshopper para avaliação integrada aos plug-ins DIVA e Galapagos. ... 191 Figura 153: (a) Configurações de entrada do Galapagos, (b) simulação no Galapagos ... 193
Figura 154: Modelos otimizados para oeste, norte e leste. ... 194 Figura 155: Decréscimo do FLD em relação à profundidade do ambiente (distância da fachada). ... 198 Figura 156: Algoritmo do Grasshopper (Ladybug) trajetórias solares, e máscaras de sombra. ... 199 Figura 157: Ladybug: máscaras de sombra para modelos ortogonais com orientação oeste. ... 200 Figura 158: Ladybug: máscaras de sombra para modelos ortogonais com orientação norte. ... 201 Figura 159: Ladybug. Abóbodas celestes com a distribuição da radiação anual em kWh/m². ... 201 Figura 160: Probabilidade de ofuscamento ao longo do ano (DGP). ... 203 Figura 161: Probabilidade de ofuscamento (DGP) para o dia 22 de dezembro às 15hs ... 204 Figura 162: Imagens HDR e escala de luminâncias. Incidência solar de 22 de dezembro as 15 h. ... 205 Figura 163: (a) Airspace Tokyo, (b) Alibaba Headq., (c) Times Eureka Pav., (d) M. Gea Hospital. ... 211 Figura 164: Modelo Voronoi, algoritmo do Grasshopper e etapas do processo de modelagem. ... 212 Figura 165: Modelo Voronoi, etapas do processo de modelagem e variações paramétricas. ... 212 Figura 166: Modelos e variações dos parâmetros geométricos. ... 213 Figura 167: Exemplos de permeabilidade visual em relação ao plano normal da fachada. ... 214 Figura 168: Modelos Voronoi fabricados: (a) Base, (b) P40, (c) D45° e (d) Galapagos Oeste. ... 214 Figura 169: limitação para impressão das aletas dos modelos Voronoi. ... 215 Figura 170: Interface do DIVA no Rhino. Voronoi -45°, exemplo de simulação de radiação. ... 216 Figura 171: Oeste, CRSs de janeiro e julho. ... 217 Figura 172: Oeste, relação entre modelo D-45° e azimutes de inverno e verão. ... 218 Figura 173: Oeste, variação dos CRSs em relação aos parâmetros geométricos. ... 219 Figura 174: Norte, CRSs de janeiro e julho. ... 220 Figura 175: Norte, variação dos CRSs em relação aos parâmetros geométricos. ... 220 Figura 176: Interface do DIVA no Rhino. Voronoi -45°, exemplo de simulação de DA. ... 221
análise de iluminação. ... 224 Figura 179: Oeste, variação de DA300 e UDI100-2000 em relação aos parâmetros geométricos. ... 225 Figura 180: Norte, variação de DA300 e UDI100-2000 em relação aos parâmetros geométricos. ... 226 Figura 181: Análises de insolação solarscopio. Modelos Base e P40 para orientação oeste. ... 227 Figura 182: Análises de insolação solarscopio. Modelo D-45°, orientação oeste. ... 227 Figura 183: Análises de insolação solarscopio. Modelos Base e P40 para orientação norte. ... 228 Figura 184: Análises de insolação realizadas no solarscopio. Modelo i+45°, orientação norte. ... 228 Figura 185: Algoritmo do Grasshopper para avaliação integrada aos plug-ins DIVA e Galapagos. ... 229 Figura 186: Modelos otimizados para oeste, norte e leste. ... 230 Figura 187: Modelos otimizados ... 233 Figura 188: Decréscimo do FLD em relação à profundidade do ambiente (distância da fachada). ... 234 Figura 189: Posicionamento do ponto para geração das máscaras de sombra modelos Voronoi. ... 236 Figura 190: Ladybug: máscaras de sombra para modelos Voronoi com orientação oeste. ... 236 Figura 191: Ladybug: máscaras de sombra para modelos Voronoi com orientação norte. ... 237 Figura 192: Probabilidade de ofuscamento ao longo do ano (DGP) ... 239 Figura 193: Probabilidade de ofuscamento (DGP) para o dia 22 de dezembro às 15h ... 240 Figura 194: Imagens HDR e escala de luminâncias. Incidência solar de 22 de dezembro as 15h ... 241 Figura 195: Modelos Complexos ... 246 Figura 196: Modelos Complexos: permeabilidade visual em relação ao plano normal da fachada. ... 250 Figura 197: Etapas do processo de montagem do modelo Voro-Cam. ... 251 Figura 198: Algoritmo Voro-Air e aplicação do comando Nurbs para suavização das arestas. ... 251 Figura 199: Algoritmo Sk-Voro e etapas do processo de modelagem. ... 252 Figura 200: Algoritmo Sk-Mesh e etapas do processo de modelagem. ... 253
Figura 201: Algoritmo Voro-Var e etapas do processo de modelagem. .... 254 Figura 202: Modelos Complexos fabricados ... 254 Figura 203: Detalhes dos modelos Complexos fabricados ... 255 Figura 204: Exemplos de limitações nos processos de fabricação digital . 256 Figura 205: Oeste, CRSs de janeiro e julho ... 258 Figura 206: Norte, CRSs de janeiro e julho. ... 258 Figura 207: Oeste. Distribuição espacial DA300 e UDI100-2000 plano de análise de iluminação.. ... 261 Figura 208: Norte. Distribuição espacial DA300 e UDI100-2000 plano de análise de iluminação. ... 263 Figura 209: Modelo Ortogonal E8,5 (oeste). Distribuição espacial DA300 e UDI100-2000 ... 264 Figura 210: Análises de insolação no solarscopio. Voro-Cam, Voro-Air-P20 e Voro-Var, oeste. ... 265 Figura 211: Análises de insolação. 200, 100 e Sk-Mesh-40, oeste. ... 266 Figura 212: Análises de insolação. Voro-Cam, Voro-Air-P20 e Voro-Var para orientação norte. ... 267 Figura 213: Decréscimo do FLD em relação à profundidade do ambiente (distância da fachada). ... 269 Figura 214: Posicionamento do ponto para geração das máscaras, Sk-Mesh-40 e Sk-Mesh-100 ... 271 Figura 215: Ladybug: máscaras de sombra, Sk-Mesh-40, Sk-Mesh-100 e Voro-Var, oeste ... 272 Figura 216: Ladybug: máscaras de sombra, Sk-Mesh-40, Sk-Mesh-100 e Voro-Var, norte. ... 273 Figura 217: Probabilidade de ofuscamento ao longo do ano (DGP) ... 274 Figura 218: Valores de luminâncias modelos Sk-Mesh-40 e Sk-Mesh-100 e Voro-Var. ... 275 Figura 219: Probabilidade de ofuscamento (DGP) para o dia 22 de dezembro às 15hs ... 276 Figura 220: Imagens HDR e escala de luminâncias. Incidência solar de 22 de dezembro as 15 h ... 277 Figura 221: Comparativo entre as médias de sDA300/50%, UDI100-2000 e 100–CRS jan, oeste. ... 286 Figura 222: Comparativo entre as médias de sDA300/50%, UDI100-2000 e 100 – CRS jan, norte. ... 287 Figura 223: Razão J/J, orientações oeste e norte. ... 289 Figura 224: Comparativo entre o DGP anual, DGP estático, CRS janeiro e DA300(%) médio. ... 290
... 293 Figura 227: Análises de insolação realizadas no solarscopio. ... 293 Figura 228: Distribuição espacial DA300 e UDI100-2000 plano de análise, Voro.D30°. ... 295
LISTA DE TABELAS
Tabela 1: LEED v4, pontuação para área com iluminação natural (sDA). ... 94 Tabela 2: Valores de classificação do desconforto por ofuscamento. ... 98 Tabela 3: Critérios de desempenho adotados e medidas de desempenho utilizadas. ... 118 Tabela 4: Parâmetros de entrada no DIVA para medidas dinâmicas (climate-based). ... 128 Tabela 5: Radiação média diária incidente (Wh/m²) nas faces de um volume de 1m³, Florianópolis ... 140 Tabela 6: Radiação solar: Coeficiente de admissão de radiação CRS e Razão J/J, oeste. ... 142 Tabela 7: FLD, DA300 e UDI100-2000 ... 143 Tabela 8: Radiação solar: CRS e Razão JJ, oeste. ... 145 Tabela 9: FLD, DA300 e UDI100-2000 ... 147 Tabela 10 Iluminâncias medidas em cada sensor e FLD em relação à profundidade do ambiente. ... 152 Tabela 11: FLDm DA, UDI, sDA e ASE. ... 156 Tabela 12: Valores obtidos para avaliação de ofuscamento por fotografias HDR. ... 162 Tabela 13: Modelos e variações dos parâmetros geométricos... 168 Tabela 14: Oeste, radiação solar incidente, CRS e Razão J/J. ... 171 Tabela 15: Leste, radiação solar incidente, CRS e Razão J/J. ... 173 Tabela 16: Norte, radiação solar incidente, CRS e Razão J/J. ... 175 Tabela 17: DA300 (médio), UDI100-2000 (médio), número de bounces. .. 176 Tabela 18: DA300 (médio) e UDI100-2000 (médio). ... 177 Tabela 19: Autonomia Espacial da Iluminação Natural (sDA300/50%). .... 184 Tabela 20: Número de sensores UDI100-2000 de acordo com a porcentagem de horas do ano. ... 190 Tabela 21: Parâmetros geométricos definidos pelo Galapagos. ... 194 Tabela 22: Modelos otimizados: DA300 (médio), UDI100-2000(médio) e sDA300/50%... 194 Tabela 23: Modelos P30: DA300 (médio), UDI100-2000(médio) e sDA300/50%... 195 Tabela 24: Modelos otimizados: radiação solar incidente, CRS e Razão J/J. ... 196 Tabela 25: Iluminâncias medidas. FLD em relação à profundidade do ambiente. Razão 1m/5m. ... 197 Tabela 26: Probabilidade de ofuscamento ao longo do ano e dia 22 de dezembro às 15h (DGP).. ... 202 Tabela 27: Valores obtidos para avaliação de ofuscamento por fotografias HDR ... 206 Tabela 28: Modelos e variações dos parâmetros geométricos... 213 Tabela 29: Radiação solar incidente no mês de janeiro (kWh/m²), número de bounces ... 216 Tabela 30: Oeste, radiação solar incidente, CRS e razão janeiro/julho. .... 217 Tabela 31: Norte, radiação solar incidente, CRS e razão janeiro/julho. .... 219
Tabela 35: Modelos otimizados: DA300 (médio), UDI100-2000(médio) e sDA300/50%. ... 231 Tabela 36: Modelos Voronoi Base: DA300 (médio), UDI100-2000(médio) e sDA300/50%. ... 232 Tabela 37: Modelos otimizados: radiação solar incidente, CRS e Razão J/J ... 233 Tabela 38: Iluminâncias medidas. FLD em relação à profundidade do ambiente. Razão 1m/5m. ... 234 Tabela 39: Probabilidade de ofuscamento ao longo do ano e dia 22 de dezembro às 15h (DGP). ... 238 Tabela 40: Valores obtidos para avaliação de ofuscamento por fotografias HDR ... 241 Tabela 41: Modelos e variações dos parâmetros geométricos. ... 249 Tabela 42: Oeste, radiação solar incidente, CRS e Razão J/J ... 257 Tabela 43: Norte, radiação solar incidente, CRS e Razão J/J. ... 257 Tabela 44: Comparativo modelos Ortogonal E4 e Complexo Voro-Air-P20. Radiação solar. ... 259 Tabela 45: DA300 (médio) e UDI100-2000 (médio) e sDA300/50% ... 260 Tabela 46: Comparativo modelos Ortogonal E4 e Complexo Voro-Air-P20. Iluminação natural. ... 264 Tabela 47: Iluminâncias medidas. FLD em relação à profundidade do ambiente. Razão 1m/5m. ... 269 Tabela 48: Probabilidade de ofuscamento ao longo do ano e dia 22 de dezembro às 15h (DGP). ... 273 Tabela 49: Valores obtidos para avaliação de ofuscamento por fotografias HDR ... 277 Tabela 50: sDA300/50%, UDI100-2000, 100–CRS jan. e média destas medidas, oeste. ... 283 Tabela 51: sDA300/50%, UDI100-2000, 100–CRS jan. e média destas medidas, norte. ... 284 Tabela 52: Comparativo entre o DGP anual, DGP estático, CRS janeiro e DA300(%) médio. ... 290 Tabela 53: Radiação solar incidente, CRS e Razão janeiro/julho para as orientações oeste e leste. ... 293 Tabela 54: DA300 (médio) e UDI100-2000 (médio) e sDA300/50% ... 294
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS 3DP - 3D Printer
ASE – Annual Sunlight Exposure - Exposição Anual à Luz do Sol BEN – Balanço Energético Nacional
BIM - Building Information Modelin CAD - Computer-Aided Design CAM - Computer-Aided Manufacturing cd – Candela
CGI - CIE Glare Index
CIE - Commission Internationale de l'éclairage CNC - Computer Numerical Control
CRS – Coeficiente de Admissão de Radiação Solar DA – Daylight Autonomy - Autonomia da Iluminação Natural DGI - Daylight Glare Index
DGP - Daylight Glare Probability E - Iluminância
EBM - Electron Beam Melting
EIA - U.S. Energy Information Administration
FDM - Fused Deposition Modeling FLD - Fator de Luz diurna
FS - Fator solar
GRFC - Concreto reforçado com fibra de vidro HDR - High dynamic range
I - Intensidade Luminosa L – Luminância
LEED - Leadership in Energy & Environmental Design lm – Lúmen
lx – Lux
MDF - Medium Density Fiberboard
NURBS - Non Uniform Rational Basis Splines
sDA – Spatial Daylight Autonomy - Autonomia Espacial da Iluminação Natural
SL – Stereolithography
SLS - Selective Laser Sintering SMG - Specialist Modelling Group UDI - Useful Daylight Illuminances UGR - CIE Unified Glare Rating
USGBC - United States Green Building Council VCP - Visual Comfort Probability
LISTA DE EQUAÇÕES
Equação 1: Equação simplificada do ofuscamento. ... 94 Equação 2: Coeficiente de admissão da radiação solar incidente (CRS). . 126 Equação 3: Razão J/J, capacidade seletiva dos elementos de controle solar. ... 127 Equação 4: Razão 1m/5m. Uniformidade na distribuição da luz natural no ambiente de análise. ... 131
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO ... 37 1.1. Tema e Justificativa ... 37 1.2. Hipótese da Pesquisa ... 44 1.3. Objetivos ... 45 1.3.1. Objetivos específicos ... 45 1.4. Estrutura do Trabalho ... 46 2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ... 49
2.1. Modelagem Paramétrica e Simulação Computacional ... 50 2.2. Fabricação Digital na Arquitetura ... 65 2.2.1. Métodos de fabricação digital ... 66 2.2.2. Estratégias de produção digital e aplicação de diagramas de Voronoi ... 73 2.3. Medidas e índices de Desempenho Térmico e Lumínico ... 84 2.3.1. Radiação solar ... 84 2.3.2. Desempenho lumínico ... 88 2.3.2.1. Grandezas de iluminação ... 88 2.3.2.2. Medidas de iluminação natural ... 89 2.3.2.2.1. Fator de Luz Diurna (FLD) ... 90 2.3.2.2.2. Medidas dinâmicas de iluminação natural ... 91 2.3.2.3. Medidas e índices para avaliação de ofuscamento . 94 2.3.3. Caracterização climática de Florianópolis ... 99 2.4. Estudos Relacionados ao Desempenho de Elementos de Controle Solar ... 102
2.4.1. Estudo 1: Viabilidade de dispositivos de sombreamento externos para edifícios residenciais de grande porte: Estudo de caso para economia de energia e análise de exequibilidade (CHO; YOO; KIM, 2014). ... 102
2.4.3. Estudo 3: Fachadas de alto desempenho para edifícios comerciais (BADER, 2010; FAJKUS; 2013). ... 105 2.4.4. Estudo 4: Simulação de iluminação natural baseada em dados climáticos como apoio às decisões de projeto de
fachadas solares (GROBE; WITTKOPF, 2013). ... 108 2.4.5. Estudo 5: Projeto de telas de sombreamento inspiradas em padrões de geometria persa: Uma avaliação integrada de desempenho lumínico e estrutural (EMAMI; KHODADADI; VON BUELOW; 2014). ... 109 2.4.6. Estudo 6: Integrando desempenho de edificações e técnicas de simulação computacional para o projeto de
fachadas otimizadas (GADELHAK 2013). ... 111 2.4.7. Estudo 7: Arquitetura Meteorosensitiva: Sistemas de fachadas biomiméticos baseados na responsividade incorporada na capacidade hidroscópica dos materiais
(REICHERT; MENGES; CORREA, 2014). ... 113 2.4.8. Estudo 8: Estratégias para controlar a luz natural em um sistema de iluminação zenital responsivo (HENRIQUES;
DUARTE; LEAL, 2012). ... 114 2.4.9. Conclusões sobre os estudos relacionados ao
desempenho de elementos de controle solar ... 116 3. METODOLOGIA ... 117
3.1. Estudos Piloto ... 119 3.2. Modelos Ortogonais, Modelos Voronoi e Modelos Complexos
120
3.2.1. Modelagem paramétrica dos elementos de controle solar (etapa “a”) ... 121 3.2.2. Fabricação digital de protótipos dos elementos de
controle solar (etapa “b”) ... 122 3.2.3. Simulação computacional da admissão da radiação solar incidente (etapa “c”) ... 124 3.2.4. Simulação computacional da admissão e distribuição da luz natural (etapa “d”) ... 127
3.2.5. Análises de insolação em modelos físicos (etapa “e”) . 129 3.2.6. Otimização através do emprego de algoritmos evolutivos (etapa “f”) ... 129 3.2.7. Análises de admissão e distribuição da luz natural em modelos físicos (etapa “g”) ... 130 3.2.8. Análises de máscaras de sombra geradas por simulação computacional (etapa “h”) ... 132 3.2.9. Avaliação de ofuscamento por simulação computacional (etapa “i”) ... 133 3.2.10. Avaliação de ofuscamento utilizando fotografias HDR (etapa “j’) ... 133 3.3. Discussão de resultados ... 135 3.4. Proposta de aplicação em cenário arquitetônico ... 136 4. RESULTADOS ... 139
4.1. Estudos Piloto ... 139 4.1.1. Análise preliminar de radiação solar incidente e projeção de sombras ... 139 4.1.2. Estudos preliminares de elementos de controle solar com formas ortogonais ... 141 4.1.3. Estudos preliminares de elementos de controle solar produzidos por estudantes de arquitetura e urbanismo ... 144 4.1.4. Modelagem paramétrica preliminar de um elemento de controle solar ... 148 4.1.5. Fabricação digital de protótipos preliminares dos
elementos de controle solar ... 149 4.1.6. Análises de admissão e distribuição da luz natural em modelos físicos ... 151 4.1.7. Teste de otimização através do emprego de algoritmos evolutivos ... 153 4.1.8. Avaliação preliminar de desempenho lumínico segundo a norma IES-LM-83-12 ... 155 4.1.9. Avaliação preliminar de ofuscamento por simulação computacional... 158
4.1.11. Conclusões dos Estudos Piloto ... 163 4.2. Modelos Ortogonais ... 167
4.2.1. Modelagem paramétrica dos elementos de controle solar (etapa “a”) ... 167 4.2.2. Fabricação digital de protótipos dos elementos de
controle solar (“b”)... 169 4.2.3. Simulação computacional da admissão da radiação solar incidente (“c”) ... 170 4.2.4. Simulação computacional da admissão e distribuição da luz natural (“d”) ... 176 4.2.5. Análises de insolação em modelos físicos (“e”) ... 186 4.2.6. Otimização através do emprego de algoritmos evolutivos (“f”) ... 189 4.2.7. Análises de admissão e distribuição da luz natural em modelos físicos (“g”) ... 197 4.2.8. Análises de máscaras de sombra geradas por simulação computacional (“h”) ... 198 4.2.9. Avaliação de ofuscamento por simulação computacional (“i”) ... 202 4.2.10. Avaliação de ofuscamento utilizando fotografias HDR (“j”) ... 205 4.2.11. Conclusões da seção de Modelos Ortogonais ... 206 4.3. Modelos Voronoi ... 211
4.3.1. Modelagem paramétrica e definição dos parâmetros geométricos (“a”) ... 211 4.3.2. Fabricação digital de protótipos dos elementos de
controle solar (“b”)... 214 4.3.3. Simulação computacional da admissão da radiação solar incidente (“c”) ... 215 4.3.4. Simulação computacional da admissão e distribuição da luz natural (“d”) ... 220 4.3.5. Análises de insolação em modelos físicos (“e”) ... 226
4.3.6. Otimização através do emprego de algoritmos evolutivos (“f”) ... 229 4.3.7. Análises de admissão e distribuição da luz natural em modelos físicos (“g”) ... 234 4.3.8. Análises de máscaras de sombra geradas por simulação computacional (“h”) ... 235 4.3.9. Avaliação de ofuscamento por simulação computacional (“i”) ... 237 4.3.10. Avaliação de ofuscamento utilizando fotografias HDR (“j”) ... 240 4.3.11. Conclusões da seção de Modelos Voronoi ... 242 4.4. Modelos Complexos ... 246
4.4.1. Modelagem paramétrica e definição dos parâmetros geométricos (“a”) ... 246 4.4.2. Fabricação digital de protótipos dos elementos de
controle solar (“b”) ... 254 4.4.3. Simulação computacional da admissão da radiação solar incidente (“c”) ... 256 4.4.4. Simulação computacional da admissão e distribuição da luz natural (“d”) ... 259 4.4.5. Análises de insolação em modelos físicos (“e”) ... 265 4.4.6. Análises de admissão e distribuição da luz natural em modelos físicos (“g”) ... 268 4.4.7. Análises de máscaras de sombra geradas por simulação computacional (“h”) ... 270 4.4.8. Avaliação de ofuscamento por simulação computacional (“i”) ... 273 4.4.9. Avaliação de ofuscamento utilizando fotografias HDR (“j”) ... 276 4.4.10. Conclusões da seção de Modelos Complexos ... 278 4.5. Discussão de resultados ... 282 4.6. Proposta de aplicação em cenário arquitetônico ... 292 5. CONCLUSÕES GERAIS ... 297
6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 303 APÊNDICE A ... 313 APÊNDICE B ... 313 APÊNDICE C ... 314 APÊNDICE D ... 336 APÊNDICE E ... 341 APÊNDICE F ... 342 APÊNDICE G ... 344 APÊNDICE H ... 347 APÊNDICE I ... 348
1. INTRODUÇÃO
Neste capítulo são apresentados o tema desta tese, sua justificativa e relevância, a hipótese da pesquisa, o objetivo geral, os objetivos específicos e a estrutura do trabalho.
1.1. Tema e Justificativa
Os elementos de controle solar desempenham um importante papel no comportamento ambiental das edificações, principalmente em climas onde se faz necessária a admissão seletiva da radiação solar direta. Sendo os envelopes construtivos, responsáveis pelas trocas térmicas com o meio, assim como a admissão de luz natural; o desempenho térmico e lumínico dos sistemas de fachadas vem se tornando cada vez mais importante na arquitetura contemporânea (Figura 1), principalmente devido ao aumento da proporção de áreas envidraçadas nos edifícios atuais (BADER, 2010; FAJKUS, 2013; CHO; YOO; KIM, 2014). Figura 1: Elementos de controle solar na arquitetura contemporânea: (a) Instituto do Mundo Árabe, Arq. Jean Nouvel, 1987, (b) Instituto Masdar, Arq. Foster + Partners, 2011, (c) Airspace Tokyo, Arq. Thom Faulders, 2007, (d) Abu Dhabi Investment Council Headquarters, Arq. Aedas and Arup, 2012.
Fontes: (a) autor, (b) http://www.fosterandpartners.com, (c) Iwamoto (2009), (d) Willis; Jeffrey (2015).
Tendo em vista, a função de interface responsável pelas trocas térmicas entre os meios interno e externo, analogamente podemos comparar o desempenho do envelope construtivo de uma edificação ao desempenho da pele nos seres vivos (LOONEN, 2010). De maneira bastante semelhante, tanto nossa pele, quanto os sistemas de fachadas das edificações devem ser capazes de gerenciar de forma equilibrada as diferenças de temperatura, os impactos do vento, chuvas e radiação solar. Para o cumprimento destas funções as “peles” das edificações, devem
prover suficiente resistência ou serem adaptáveis quando necessário (REICHERT; MENGES; CORREA, 2014). Situação na qual, os elementos de controle solar (Figura 2) podem complementar as funções térmicas e lumínicas das fachadas das edificações.
Figura 2: Bionic Breathing Skin. Lidia Badarnah. TU Delft, 2007.
Fonte: Loonen (2010).
Exemplificando as questões de desempenho térmico, Cho; Yoo e Kim (2014) apontam em um estudo sobre elementos de controle solar em edifícios residenciais, que de 33% a 40% do consumo energético com climatização é decorrente dos ganhos de calor por radiação através das aberturas, podendo ser reduzido através do uso de elementos de controle solar. Bader (2010), identifica a possibilidade de redução da radiação incidente na ordem de 75%, considerando configurações elementos de controle solar que ainda permitam bom acesso visual aos ambientes externos.
Além dos benefícios térmicos relacionados com o controle da radiação incidente, os elementos de controle solar podem melhorar o desempenho lumínico das edificações, contribuindo com a distribuição da luz natural e com a redução da probabilidade de desconforto visual por ofuscamento (JAKUBIEC; REINHART, 2012).
Inicialmente, observa-se o efeito positivo da admissão da luz natural no desempenho energético das edificações, à medida que o emprego desta estratégia possibilita a redução direta do consumo com iluminação artificial e redução da carga térmica gerada por este sistema (AGHEMO; PELLEGRINO; LOVERSO, 2008). Entretanto, destaca-se que além dos aspectos energéticos, a admissão da luz natural e as relações visuais com os ambientes externos, trazem benefícios fisiológicos aos usuários, influenciando em seu sistema endócrino, no ritmo circadiano e em demais aspectos psicológicos (REPPERT; WEAVER, 2002; FAJKUS, 2013).
Todavia, observa-que o emprego da luz natural não se trata de uma estratégia na qual, meramente quanto maior forem os valores admitidos, melhor será o desempenho dos ambientes (REINHART, F; MARDALJEVIC; ROGERS, 2006). A admissão excessiva de luz natural, normalmente acarreta desconforto visual por ofuscamento, além de ganhos térmicos indesejáveis, ocasionando muitas vezes, sua completa rejeição ou controle inadequado através do fechamento das persianas, juntamente ao acionamento do sistema de iluminação artificial (GLASSMAN; REINHART, 2013), prejudicando a relação do edifício com os ambientes externos, seu contato com a natureza, ar, luz e visuais (FAJKUS, 2013).
Paralelamente aos benefícios térmicos e lumínicos, observa-se que o tratamento das fachadas com elementos de controle solar não está exclusivamente relacionado ao desempenho das edificações. Como exemplo, o Instituto do Mundo Árabe de Jean Nouvel, apresentado na Figura 1 (a), demonstra a importância dos elementos de controle solar nas questões simbólicas, relacionadas com a linguagem arquitetônica, conceito e propósitos da edificação.
Relativamente ao cenário nacional, as considerações dos arquitetos frente ao clima brasileiro, desde o período colonial, foram responsáveis pela difusão do uso de elementos de controle solar, como: muxarabis, brises ou cobogós. Componentes que acabaram por se tornar característicos em nossa identidade arquitetônica (Figura 3). Principalmente no período compreendido entre os anos de 1930 a 1960, no qual ocorreu a difusão da arquitetura moderna no Brasil, entre diversos aspectos importantes, a produção arquitetônica daquela época, se destaca pelo tratamento das questões ambientais e pelas soluções de condicionamento passivo, desenvolvidas pelos arquitetos (ALAVARENGA, 2013).
Figura 3: Elementos de controle solar no movimento moderno brasileiro: (a) Ministério da Educação e Saúde, Arq. Carlos Leão, Oscar Niemeyer, Affonso Reidy, Ernani Vasconcellos e Jorge Machado Moreira, 1936, (b) Parque Guinle, Arq. Lucio Costa, 1948, (c) Instituto de Antibióticos, Arq. Mario Russo, 1953, (d) Residência Walter Moreira Sales, Arq. Olavo Redig de Campos, 1951.
Fontes: (a), (b) http://www.archdaily.com.br , (c)
http://www.au17.pini.com.br/ , (d) http://www.blogdoims.com.br .
Passados os anos, a arquitetura contemporânea brasileira ainda apresenta grande influência da identidade modernista legada daquela geração, por meio do tratamento das fachadas com elementos de controle solar, entre outras soluções arquitetônicas características, como demonstrado nos exemplos da Figura 4. Especialmente na arquitetura contemporânea, o emprego de elementos de controle solar, relaciona a linguagem e os propósitos da edificação ao atendimento das atuais demandas de sustentabilidade e redução do consumo energético no ambiente construído.
Figura 4: Elementos de controle solar na arquitetura contemporânea brasileira: (a) Casa Cobogó, Arq. Marcio Kogan, 2011, (b) Fachada casa cor Brasília, DOMO Arquitetura, 2010, (c) Restaurante Manish, ODVO Arquitetura, 2011, (d) Casa Bahia, Arq. Marcio Kogan, 2010.
Fontes: (a) http://www.studiomk27.com.br/ , (b)
http://www.anualdesign.com.br , (c) http://www.odvo.com.br/ , (d) http://www.archdaily.com.br .
No que se refere às demandas de sustentabilidade e redução do consumo energético no ambiente construído, Rogers
(1997) destaca que o processo de expansão das cidades não tem considerado a fragilidade do ecossistema, evidenciando seu caráter predominantemente quantitativo em detrimento do aspecto qualidade. Neste cenário, a operação dos edifícios é responsável pelo consumo de aproximadamente 40% da energia mundial, em uma matriz energética composta em torno de 90% por combustíveis fosseis, e consequentemente, insustentável (WINES 2000; JACOBSON; DELUCCHI, 2011).
Avaliando o cenário nacional, as edificações são responsáveis por 42,8% do consumo total de energia elétrica, sendo as edificações residenciais responsáveis por 21,4%, as comerciais por 14,4% e as públicas por 7% do consumo (BEN, 2017). Dados como estes, justificam o desenvolvimento de estudos que investiguem e proponham soluções para as questões de eficiência energética no ambiente construído, visando contribuir com um modelo nacional de desenvolvimento ambientalmente sustentável. Especialmente, considerando que o Brasil é o 8º maior consumidor de energias primárias no mundo (EIA, 2012).
Para o desenvolvimento de estudos desta natureza, é
necessário compreender o processo de concepção e
desenvolvimento dos projetos, visando identificar as interfaces onde o projetista possa incorporar os condicionantes de conforto e eficiência energética (LAMBERTS; DUTRA; PEREIRA, 2014). Neste contexto, destaca-se a oportunidade de incorporação de
tecnologias digitais como ferramentas de apoio ao
desenvolvimento e avaliação dos projetos, desde suas etapas iniciais.
Castle (2013), considera que paralelamente à necessidade de atendimento das questões de sustentabilidade, o emprego de tecnologias digitais se estabeleceu nas últimas décadas como um dos principais direcionadores de exploração na arquitetura contemporânea. De acordo com Oxman (2006), o design digital e seu crescente impacto no processo de projeto e práticas produtivas implica na necessidade do reexame das metodologias, visando guiar futuras pesquisas; abrindo um amplo campo interdisciplinar para desenvolvimento e aplicação de ferramentas computacionais voltadas para arquitetura.
Segundo Kolarevic (2003), a prática arquitetônica contemporânea está sendo radicalmente modificada em função das tecnologias digitais, afetando a forma que os edifícios são
concebidos, representados e produzidos. Como consequência observa-se a exploração de possibilidades formais, juntamente à suas avaliações de desempenho, como apresentado nos exemplos da Figura 5. A representação destas formas complexas, sua avaliação e materialização, são viabilizadas por ferramentas digitais como: modelagem paramétrica, simulação computacional e fabricação digital.
Figura 5: Exploração de possibilidades formais e avaliações de desempenho: (a) City Hall, Arq. Foster + Partners, 2002, (b) simulação computacional de radiação nas fachadas (City Hall), (c) Academia de Ciências da Califórnia, Arq. Renzo Piano, 2008, (d) Metropol Parasol, Arq. Jürgen Mayer, 2011.
Fontes: (a), (b) Kolarevic; Malkawi (2005), (c) autor, (d) http://www.archdaily.com .
A modelagem paramétrica trata-se de um recurso computacional que utiliza parâmetros e relações variáveis para a definição de uma forma (MONEDERO, 2000), possibilitando a geração de diferentes soluções de elementos destinados à construção, a partir de manipulações em um mesmo projeto (TAGLIARI; FLORIO, 2009). A variabilidade de soluções que podem ser geradas através da modelagem paramétrica (Figura 6), facilita a avaliação de diversas alternativas de projeto antes da escolha de uma solução definitiva (KOLAREVIC; MALKAWI, 2005). Situação ideal para que a simulação computacional e o emprego de algoritmos evolutivos sejam integrados como importantes ferramentas de auxílio a tomadas de decisão.
Figura 6: Variações paramétricas para o estudo da cobertura do Centro de Tênis de Hangzou, NBBJ Architects.
Os algoritmos evolutivos são ferramentas de otimização de projeto baseadas em processos genéticos de mutação, combinação e seleção, de maneira similar ao que ocorre na natureza, possibilitando a exploração de soluções através da adaptação evolucionária de um projeto ao longo do tempo em busca de um objetivo “fitness” determinado pelo projetista (TERZIDIS, 2006; RUTTEN, 2013). O empego de algoritmos evolutivos, associados à modelagem paramétrica e simulações computacionais, proporciona a efetiva utilização das tecnologias digitais como ferramentas exploratórias de projeto, no apoio a tomadas de decisão (DUNN, 2012).
Ainda quanto as tecnologias digitais abordadas neste trabalho, a fabricação digital trata-se do conjunto de métodos que empregam máquinas CNC (Computer Numerical Control) para fabricar objetos a partir de informações digitais. Integrando o Desenho Assistido por Computador CAD (Computer-Aided
Design) e a Manufatura Assistida por Computador CAM
(Computer-Aided Manufacturing) CAD/CAM (DUNN, 2012). Nestes processos as informações geradas em sistemas computacionais são convertidas para o meio físico através de diversos métodos e tipos de maquinários, permitindo a fabricação de elementos construtivos ou protótipos (PUPO; ORCIUOLI; ELISAVA, 2012), como exemplificado na Figura 7.
Figura 7: Exemplo de fabricação digital na produção de protótipos (Robótica). Future Cities Laboratory (FCL) – Singapore ETH Centre for Global Environmental Sustainability (SEC).
Fonte: Budig; Lim; Petrovic (BUDIG; LIM; PETROVIC, 2014).
Destaca-se como vantagem da fabricação digital em relação aos tradicionais processos de produção industrial, a possibilidade de customização das soluções de projeto. Kolarevic (2003) observa que, para uma máquina CNC é economicamente indiferente produzir mil objetos únicos ou mil objetos idênticos. De modo que, diferentemente da produção em massa (mass
production) os processos de fabricação digital permitem a
customização em massa (mass customization), na qual não é necessária a padronização e repetição de componentes. O que se apresenta bastante adequado no caso de elementos relacionados com o desempenho ambiental das edificações, como sistemas de fachadas, já que os mesmos devem atender a diferentes condicionantes climáticos e características locais (DUNN, 2012).
Neste contexto, esta tese trata da avaliação de desempenho térmico e lumínico de elementos de controle solar desenvolvidos com modelagem paramétrica e fabricação digital. Como elementos de inovação, o tema proposto integra questões de conforto ambiental e sustentabilidade no ambiente construído à novas tecnologias digitais de projeto e produção das edificações, aplicando uma metodologia criteriosa e atualizada para produção e avaliação de desempenho de elementos de controle solar, inicialmente compostos por formas convencionais até elementos de controle solar com formas complexas.
Quanto ao título deste trabalho, destaca-se que a fabricação digital é aplicada para produção de protótipos em escala reduzida. E que as avaliações de desempenho térmico abordam especificamente a admissão de radiação solar nas edificações. 1.2. Hipótese da Pesquisa
Como hipótese de pesquisa, considera-se que as relações de causa e efeito entre a geometria e o desempenho térmico e lumínico de elementos de controle solar com formas convencionais, podem ser generalizadas para as avaliações de elementos com formas complexas. Todavia, devem ser consideradas as particularidades no desempenho, relacionadas à cada tipo de geometria dos elementos de controle solar desenvolvidos, destacando assim, o caráter investigativo desta pesquisa.
A critério desta sentença, considera-se elementos com formas convencionais, aqueles compostos por formas ortogonais, e elementos com formas complexas aqueles compostos basicamente por formas curvas ou elementos planos não ortogonais.
1.3. Objetivos
• O objetivo geral desta tese é investigar o desempenho térmico e lumínico de elementos de controle solar produzidos com modelagem paramétrica e fabricação digital.
1.3.1. Objetivos específicos
• Projetar e produzir protótipos de elementos de controle solar utilizando modelagem paramétrica e fabricação digital;
• Avaliar o desempenho térmico dos elementos de controle solar produzidos para o estudo, analisando sua capacidade de controle na admissão da radiação solar incidente;
•
Avaliar o desempenho lumínico dos elementos de controle solar produzidos para o estudo, analisando sua capacidade de admissão e distribuição da luz natural, além da redução da probabilidade de ofuscamento;• Empregar paralelamente análises por simulação computacional e medições em modelos físicos produzidos através de fabricação digital;
• Testar o emprego de algoritmos evolutivos associados ao processo de projeto para otimização dos elementos de controle solar produzidos para o estudo;
• Avaliar o desempenho de elementos de controle solar com formas complexas em comparação a elementos de controle solar com formas ortogonais;
• Verificar as relações físicas de causa efeito entre as variações dos parâmetros geométricos e o desempenho dos elementos de controle solar desenvolvidos;
• Estudar em um cenário arquitetônico, considerando os condicionantes climáticos de Florianópolis a aplicação dos elementos de controle solar desenvolvidos.
1.4. Estrutura do Trabalho
O presente trabalho, se estrutura através das relações entre desempenho térmico e lumínico, modelagem paramétrica e fabricação digital na arquitetura, tendo como objeto de estudo, elementos de controle solar projetados e produzidos através de tecnologias digitais.
A partir da hipótese de pesquisa, os elementos foram desenvolvidos em diferentes categorias de acordo com sua complexidade geométrica e processos de modelagem. Após a realização de experimentos preliminares utilizados para definição e aprimoramento da metodologia, o estudo foi iniciado pelas análises de desempenho de elementos com formas ortogonais, posteriormente evoluindo para elementos com formas de maior complexidade.
Utilizando as mesmas etapas metodológicas, os elementos de todas as categorias foram avaliados em relação ao seu desempenho térmico e lumínico, respectivamente à um ambiente de análise padronizado. Para as avaliações, foram empregadas ferramentas de simulação computacional paralelamente à análises e medições em modelos físicos, materializados através de fabricação digital, visando integrar estas tecnologias ao processo de projeto.
A partir dos resultados de desempenho em relação às variações dos parâmetros geométricos adotados, foram elaboradas as conclusões preliminares de cada categoria de elementos de controle solar, apresentas ao final de suas respectivas seções de resultados.
Os resultados de todas as categorias foram sintetizados e analisados de forma comparativa na seção de discussão de resultados. Como fechamento das seções de resultados do trabalho, foi realizado um estudo de aplicação dos elementos de controle solar desenvolvidos, considerando os condicionantes climáticos de Florianópolis. Por fim, são apresentadas as conclusões gerais, limitações e sugestões para trabalhos futuros. A Figura 8, apresenta esquematicamente a estrutura do trabalho.
2. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA
Visando fornecer o subsídio teórico para o desenvolvimento desta pesquisa, o presente capítulo foi organizado em quatro itens: 2.1, Modelagem Paramétrica e Simulação Computacional, 2.2, Fabricação Digital na Arquitetura, 2.3, Medidas e Índices de Desempenho Térmico e Lumínico, e 2.4, Estudos Relacionados ao Desempenho de Elementos de Controle Solar.
O item 2.1, Modelagem Paramétrica e Simulação Computacional relaciona o desenvolvimento das tecnologias digitais à produção da arquitetura contemporânea, destacando as possibilidades de utilização do computador como ferramenta de auxílio às decisões de projeto. O item 2.2, Fabricação Digital na Arquitetura, apresenta um panorama dos métodos e estratégias de fabricação digital disponíveis, exemplificando através de projetos, as novas possibilidades formais e tecnológicas amparadas nestes processos. O item 2.3, define as Medidas e Índices de Desempenho Térmico e Lumínico empregadas nas avaliações dos elementos propostos, além de apresentar uma breve caracterização climática de Florianópolis. Por fim, o item 2.4, Estudos Relacionados ao Desempenho de Elementos de Controle Solar, apresenta um levantamento referente a pesquisas similares já desenvolvidas.
2.1. Modelagem Paramétrica e Simulação Computacional Desde a apresentação em 1963 do aplicativo “Sketchpad”, desenvolvido por Ivan Sutherland do MIT’s Lincoln Laboratory, que pela primeira vez demonstrou a possibilidade de representações gráficas em um computador (Figura 9), as tecnologias digitais estão mudando as práticas arquitetônicas de uma maneira que poucos seriam capazes de prever. Este fenômeno se difundiu principalmente durante os anos 80 e 90 devido à popularização
dos microcomputadores pessoais (SEGNINI JR, 2002;
KOLAREVIC, 2003).
Até o início dos anos 90, poucas práticas de arquitetura utilizavam computadores além de dispositivos para economizar tempo em tarefas administrativas, como processamento de textos e contabilidade. Entretanto, a difusão do acesso juntamente com uma considerável redução nos custos de produção, proporcionou um crescimento no uso dos computadores impensável a 20 anos atrás (DUNN, 2012). Como consequência, os aplicativos gráficos passaram a ser empregados na substituição do trabalho realizado nas pranchetas de desenho.
Analisando as práticas de projeto em escritórios brasileiros, Segnini Jr (2002) observa que em apenas 15 anos as pranchetas de desenho quase despareceram. No lugar delas, ou mesmo sobre elas, foram colocados os computadores.
Figura 9: Ivan Sutherland e interface do Sketchpad – MIT 1963.
Fonte:
https://computacaograficaecinema.wordpress.com/2013/07/05/historia-
da-computacao-grafica-sketchpad-a-man-machine-graphical-communication-system-2/
Apesar da representação gráfica ter mudado de analógica para digital, a geometria dos edifícios, inicialmente não refletiu
esta mudança, pois na substituição da régua paralela pelo CAD, essencialmente ainda foram mantidos os mesmos métodos de representação bidimensionais. Foram necessários os modelos computacionais tridimensionais para energizar o pensamento de projeto e expandir as fronteiras das formas arquitetônicas e construções (IWAMOTO, 2009).
No início dos anos 90, a representação computacional de formas complexas ainda se tratava de um tema de difícil acesso para os escritórios de arquitetura. Em 1992 Frank Gehry recorre ao aplicativo francês CATIA (Dassault Systems), da indústria aeroespacial, para poder representar e construir a Escultura do Peixe na entrada do Porto Olímpico de Barcelona (KOLAREVIC, 2003). Posteriormente o mesmo aplicativo foi utilizado por Gehry e sua equipe no emblemático projeto do Museu Guggenheim de Bilbao, finalizado em 1997 (Figura 10 b).
Figura 10: (a) Escultura do Peixe em Barcelona, (b) Museu Guggenheim de Bilbao, Arq. Frank Gehry.
Fontes: http://bealocalbcn.wordpress.com/2009/09/23/hello-world/ e http://en.wikiarquitectura.com/index.php/Guggenheim_Bilbao
Atualmente, os aplicativos de modelagem digital permitem aos projetistas um significativo afastamento dos limites da geometria Euclidiana que vem balizando o pensamento arquitetônico por tantos séculos, libertando o arquiteto das restrições ortogonais do espaço Cartesiano (DUNN, 2012), como exemplificado na Figura 11. Observa-se como principais características da geometria Euclidiana a consideração de que o espaço é infinito e homogêneo, e que as figuras geométricas nele
posicionadas não são modificadas por deslocamento
Figura 11: (a) Kunsthaus Graz, Arq. Peter Cook e Colin Fournier, 2003. (b) British Museum, Arq. Foster + Partners, 2000. (c) Guangzhou Opera House, Arq. Zaha Hadid, Guangzhou, China, 2010.
Fontes: (a) http://openbuildings.com , (b) autor, (c)
http://www.archdaily.com .
Os aplicativos de modelagem que possibilitam a representação de curvas e superfícies contínuas paramétricas, através do uso das NURBS (Non Uniform Rational Basis Splines), abriram um universo de formas complexas, que até o aparecimento das tecnologias CAD/CAM seriam muito difíceis de conceber, representar e principalmente fabricar (KOLAREVIC, 2003). As NURBS (Figura 12) tratam-se de representações matemáticas capazes de modelar precisamente qualquer forma, desde uma simples linha 2D até complexas superfícies ou sólidos com formas livres 3D orgânicas. Devido à sua precisão e flexibilidade de edição através de seus pontos de controle, as NURBS podem ser utilizadas em qualquer processo, desde a ilustração até a fabricação (AKOS; PARSONS, 2014).
Figura 12: NURBS. Possibilidade de controle da forma a partir dos pontos de controle, pesos e nós.
Fonte: Akos; Parsons (2014).
Juntamente às novas possibilidades de representação e fabricação de formas com maior complexidade, outro advento do desenvolvimento da computação gráfica que merece ser
destacado, é a facilitação para geração de alternativas de projeto proporcionada pelas ferramentas de modelagem paramétrica.
A modelagem paramétrica permite a criação e controle de relações entre elementos ou grupos de elementos através da definição de valores e equações. Neste processo, o projetista pode a qualquer momento alterar os parâmetros que formam estas relações, fazendo com que as alterações sejam incorporadas no sistema e imediatamente visualizadas. Enquanto em um processo de modelagem física ou em uma plataforma CAD tradicional cada alteração demanda a elaboração de uma nova versão do modelo, no sistema paramétrico múltiplas opções podem ser geradas através das variações dos valores especificados, resultando em um desenvolvimento generativo do projeto (DUNN, 2012).
Em substituição aos processos estáticos de projeto, a modelagem paramétrica possibilita a geração de uma infinidade de padrões e combinações geométricas. O que auxilia nossa capacidade cognitiva de processar muitos dados, produzindo diferentes resultados, viabilizando a criação de novos padrões que dificilmente seriam imaginados e produzidos em um sistema de representação bidimensional (KOLAREVIC, 2003; TAGLIARI; FLORIO, 2009).
Entre os aplicativos de modelagem paramétrica disponíveis, destaca-se a suíte Rhinoceros3D+Grasshopper, que possibilita a geração e manipulação de formas complexas. O aplicativo Rhinoceros3D (Rhino), trata-se de um programa de modelagem tridimensional desenvolvido pela empresa Robert McNeel & Associates. Sua principal característica é a capacidade de trabalhar com NURBS, possibilitando representar precisamente uma infinidade de formas, desde uma simples linha 2D, até sólidos complexos ou superfícies orgânicas 3D (MCNEEL, 2018).
O plug-in de modelagem paramétrica Grasshopper, desenvolvido por David Rutten, também na empresa Robert McNeel & Associates, trata-se de um editor de programação computacional com uma interface gráfica e intuitiva. A programação visual utilizada no Grasshopper é um novo paradigma na programação computacional, onde os usuários manipulam os elementos de lógica em forma gráfica ao invés de texto, o que facilita sua utilização por profissionais como arquitetos e designers (AKOS; PARSONS, 2014; RUTTEN, 2018).
