Ricerca sulla modellazione generativa e algoritmi evolutivi per l’ottimizzazione multi-parametrica applicata all’architettura di case in legno.

Algoritmo+ è un progetto di ricerca sviluppato dal Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale dell’Università degli Studi di Perugia all’interno del progetto “Strategie rappresentative di ottimizzazione digitale della forma architettonica delle case in legno in funzione del contesto” promosso dalla società Abitare+. Si colloca, insieme ad altre ricerche sviluppate dallo stesso Dipartimento, nel campo del disegno digitale e della modellazione parametrica. Uno studio che da diversi anni vede impegnato il Laboratorio di Disegno Automatico con ricerche che spaziano dagli studi teorici su Luigi Moretti e l’Architettura Parametrica sino alle più recenti ricerche interdisciplinari sulle tecniche di form-finding e ottimizzazione strutturale ed energetica.

La ricerca ha lo scopo di applicare le ultime innovazioni nel campo della rappresentazione al progetto di case in legno, generando alcune famiglie di case prefabbricate, facilmente personalizzabile e dai bassi costi di costruzione. Gli studi condotti sulle tecniche di modellazione parametrica e di fabbricazione digitale ha portato a definire un processo produttivo che si basa sul concetto di mass-customization e che prevede l’utilizzo di un’interfaccia web-based rivolta principalmente a tecnici ed esperti nel settore delle costruzioni in legno, utile anche come strumento di divulgazione per studenti e ricercatori. Tale strumento ha lo scopo di mettere in relazione le preferenze del progettista con le informazioni a disposizione dell’impresa quali costi di produzione e di gestione energetica. In questo modo, strumenti avanzati, come gli algoritmi genetici, attualmente legati al mondo della ricerca più che a quello della pratica progettuale vengono messi a disposizione dei progettisti per informare il progetto fin dalle sue prime fasi. Nel caso specifico: il costo della struttura valutato insieme all'impresa e il costo di gestione energetica o permettono all'utente di valutare la qualità dell’investimento e indirizzare le proprie scelte.

Disegno digitale e modellazione parametrica

Gli strumenti: Rhinoceros, Grasshopper e Octopus

Una delle più interessanti frontiere del disegno digitale è rappresentata dalla modellazione parametrica o generativa. Le potenzialità offerte da tale tecnica sono rappresentate dalla possibilità di: parametrizzare la geometria, integrare un insieme eterogeneo di dati e ottimizzare i risultati. Modellando attraverso l'uso di algoritmi generativi è possibile creare modelli adattivi in grado di variare la propria forma dinamicamente. L'ambiente di lavoro parametrico, in oltre, offre la possibilità di integrare nel processo progettuale un gran numero di informazioni come: geometria, sistemi di forze dinamiche, dati climatici ecc. e di testare in maniera iterativa diverse soluzioni formali. All'interno di questo processo si palesa l'utilità di alcune tecniche di ottimizzazione come quelle basate sugli Algoritmi Genetici (GA) che permettono di trovare soluzioni ottimali dal punto di vista funzionale, energetico e strutturale.

Tema della ricerca è quindi lo studio degli algoritmi genetici come strumento per progettare organismi architettonici in grado di adattarsi a un determinato contesto. Tali strumenti, sviluppati primordialmente nel settore dell’Intelligenza Artificiale, sono utilizzati sin dai primi anni Settanta nel campo dell’ingegneria aereospaziale e meccanica per lo sviluppo di modelli di Virtual Prototyping. Tuttavia, è solo negli ultimi anni che il loro impiego nell’ottimizzazione strutturale ed energetica ne ha dimostrato l'efficacia nel campo delle costruzioni, confermando i successi già ottenuti in campi così diversi come: Ingegneria, Arte, Biologia, Economia, Mercato, Genetica, Robotica, Scienze Sociali, Fisica e Chimica.

Per maggiori approfondimenti sul tema della modellazione parametrica e dell'ottimizzazione genetica si rimanda a due pubblicazioni sviluppante durante la ricerca e che costituiscono il punto di partenza del presente progetto:

  • BIANCONI F., FILIPPUCCI M., BUFFI A., Optimization and evolution in architectural morphogenesis, in Analyzing Form and Morphogenesis in Modern Architectural Contexts, D'UVA D. (EDS.), IGI Global, New York 2017 (ISBN: 978-1-5225-3993-3).
  • BIANCONI F., BUFFI A., FILIPPUCCI M., Drawing, Model and Nature: Form-finding one hundred years after on growth and form, in 3D Modeling and BIM, Empler T., Sapienza Università di Roma, Rome 2017 (ISBN: 978-88-49645019).

Analisi ambientale e ottimizzazione energetica

Nell'analisi energetica di un edifici entrano in campo una grande varietà di parametri che definiscono: le proprietà dei flussi termici e dei materiali, il rendimento dei sistemi impiantistici, il comportamento degli abitanti ecc. In questo contesto l'idea di passare da un approccio progettuale in cui l'analisi viene eseguita a valle del processo creativo ad uno in cui l'analisi informa ed è parte integrante del processo creativo risulta particolarmente vantaggiosa.

Gli add-on di Grasshopper Ladybug e Honeybee si adattano perfettamente a questa tipo di approccio progettuale fornendo una serie di strumenti di analisi che spaziano dall'analisi energetica ed illuminotecnica agli studi sulla percezione e il comfort. Largamente utilizzati nella ricerca, questi strumenti permettono di mettere in relazione la geometria con i dati climatici del contesto e di modellare strategie passive come illuminazione e ventilazione naturale conformemente agli standard internazionali ASHRAE, LEED e WELL Building.

Durante la ricerca, attraverso un processo di ottimizzazione basato su Octopus si mira a massimizzare l'apporto passivo di energia solare e di illuminazione naturale nonchè l'effetto della ventilazione naturale nell'efficienza energetica dell'edificio e nel comfort degli abitanti. Attraverso una connessione diretta con i programmi certificati ed open-source EnergyPlus, OpenStudio, Radiance e Daysim è stato possibile valutare il fabbisogno energetico complessivo dell'organismo architettonico e la qualità dello spazio da un punto di vista illuminotecnico.

Mass-customization e Industria 4.0

Il progetto propone un intervento di innovazione aziendale nell’ottica dell’Industria 4.0 che, attraverso la strategia produttiva della mass customization, avvicini l'azienda ai concetto di Fabbrica Intelligente promosso a livello comunitario. Questo approccio al progetto è reso possibile solo da un nuovo modello industriale basato sulle moderne tecniche di Computer Aided Manufacturing come quelle utilizzate dall'azienda nella realizzazione di strutture in XLAM (Cross Laminated Timber) e Platform Frame. Nel caso delle costruzioni in legno infatti la fabbricazione digitale coadiuvata dalle più moderne macchine a controllo numerico permette di creare un collegamento diretto tra progetto e costruzione.

I software dedicati alle costruzioni in legno, come ad esempio il SEMA, , utilizzato da Abitare+, permettono di creare modelli dettagliati di strutture in legno compatibili con gli strumenti di taglio e fresatura degli stabilimenti produttivi in modo da avere un controllo preciso e dettagliato dei costi di costruzione. Obbiettivo della ricerca è quello di mettere a disposizione dei progettisti le informazioni che emergano da un processo produttivo in continua evoluzione come quello delle costruzoni in legno. In questo senso l'interfaccia realizzata ha lo scopo di mostrare il ventaglio di soluzioni formali generate da un modello adattivo e i dati ottenuti attraverso un processo di ottimizzazione e Virtual Prototyping. L'utente è invitato a navigare tra le soluzioni alla ricerca della soluzione più performante.

Il primo modello adattivo con struttura in XLAM: BETA Relase 2018

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ALGORITMI è un programma di ricerca sviluppato dal Dipartimento di Ingeneria Civile ed Ambientale, Università degli Studi di Perugia in collaborazione con Abitare+.

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