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Gli strumenti di modellazione e simulazione nel progetto di architettura

Utilizzare strumenti di modellazione e simulazione nel progetto di architettura permette di valutarne gli esiti prestazionali. Alcune considerazioni operative

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Il progettista ha a disposizione diversi strumenti di modellazione per effettuare formulazioni di ipotesi di verifica delle scelte effettuate in termini di prestazioni rispondenti a esigenze iniziali. I modelli fisici sono costruzioni in scala che rappresentano in modo realistico l’oggetto sotto alcuni punti di vista (geometrico…) mentre i modelli numerici simulano il comportamento di un oggetto rispetto a una determinata manifestazione (ad esempio, acustica) utilizzando relazioni matematiche.

Modellizzare significa prevedere il futuro stato di un fenomeno, descriverne la probabile evoluzione, per comprenderlo e darne un’interpretazione. Sono necessari dei dati di input forniti dal progettista per ottenere dei dati di output che possono poi essere elaborati a seconda della complessità e delle necessità di visualizzazione.

Se l’oggetto è un edificio, il modello deve sempre considerare un adeguato intorno, variabile a seconda della scala e degli obiettivi dell’intervento, per capire come l’oggetto della progettazione e il contesto si influenzino reciprocamente.

Il tipo di modellazione deve essere adeguato al livello di articolazione del sistema edilizio da analizzare/progettare, agli obiettivi della valutazione e quindi al tipo di accuratezza che si vuole ottenere. Basato su un’equazione matematica o un algoritmo più complesso, può essere tradotto in un grafico o in una rappresentazione realistica tridimensionale.

Se l’obiettivo è modellare l’ombreggiamento sarà probabilmente più utile una rappresentazione grafica di tipo bi o tridimensionale che ne evidenzi anche la variazione temporale, mentre se si vuole simulare la prestazione termica di una parete basterà una rappresentazione schematica dell’andamento delle temperature o la verifica della sua trasmittanza.

Dal punto di vista dell’approccio metodologico si possono distinguere:
• metodi semplificati analitici (formule) o grafici (diagrammi solari, nomogrammi);
• metodi complessi basati su algoritmi di calcolo che necessitano l’utilizzo di software di simulazione più o meno userfriendly.

In linea generale i software che forniscono i risultati più precisi sono anche quelli che richiedono un maggior dettaglio nella descrizione dei dati di input (sia climatici che riguardanti l’edificio) e producono output più complessi da leggere.

I metodi semplificati sono concettualmente interessanti poiché permettono di fornire risposte mettendo a confronto opzioni diverse. Gli input richiesti sono semplici e spesso possono essere utilizzati manualmente anche senza un calcolatore oppure sono fogli elettronici gratuiti.

Gli strumenti di simulazione nascono negli anni ‘60 impiegati prevalentemente per la progettazione e il dimensionamento degli impianti per aumentare l’efficienza energetica degli edifici.

Fortunatamente negli ultimi anni i progettisti sono diventati però sempre più sensibili a questioni legate alla sostenibilità in edilizia, sia in termini di efficienza energetica per il rispetto dei limiti imposti dalle normative vigenti, sia per quanto riguarda la riduzione degli impatti sull’ambiente, in modo da acquisire competitività sul mercato, espressa anche tramite la spinta all’ottenimento di certificazioni di qualità (es. protocollo LEED).

In particolare il recepimento a livello nazionale e locale delle normative europee (2002/91/CE) legate al risparmio energetico e all’abbattimento delle emissioni di gas serra ha indirizzato le valutazioni prevalentemente alle prestazioni termiche. In questo senso l’evoluzione della modellazione ha seguito le richieste dalla normativa e in particolare ha riguardato la possibilità di effettuare le verifiche dei limiti richiesti per il raffrescamento e riscaldamento degli edifici o addirittura di superarli, tentando di progettare edifici cosiddetti “a energia zero”.

Attualmente si sta sempre più diffondendo l’uso di programmi di simulazione capaci di descrivere dinamicamente il comportamento degli ambienti, dell’involucro edilizio e dei componenti di impianto, diventando quindi uno strumento chiave per il miglioramento della progettazione degli edifici.

Grazie ai BSPs (Building Simulation Programs) tra cui EnergyPlus, è possibile analizzare strategie di progetto alternative, nonché valutare la conformità dei progetti agli standard legislativi e perseguire l’ottimizzazione economica attraverso tecniche di analisi energetica basate su simulazioni dettagliate. L’utilizzo di tali programmi consente sia l’applicazione di migliori criteri di progettazione alle nuove costruzioni, sia interventi di retrofit mirati al contenimento dei consumi nel patrimonio edilizio esistente, con l’obiettivo di ricavarne benefici economici ed energetico-ambientali.

Alla diffusione dei software non corrisponde però la consapevolezza ambientale del progettista che si affida al tecnico esperto per effettuare i calcoli richiesti dalla normativa, senza considerare in modo integrato le possibili ricadute delle scelte effettuate. A questo proposito un aspetto emergente dell’evoluzione informatica è la diffusione dei programmi BIM (Building Information Modeling) in grado di integrare valutazioni energetiche dinamiche di simulazione termica ad analisi ambientali di tipo fluidodinamico, illuminotecnico, ad altre di tipo strutturale, economico e di calcolo LCA (Life Cycle Assessment) del ciclo di vita dei materiali impiegati e per la valutazione dell’impatto ambientale in termini di embodied energy.

I vantaggi del BIM sono sempre maggiori e sempre più chiari dal punto di vista della gestione integrata delle informazioni evidenti, ma sono altrettanti gli ostacoli alla sua espansione, tra cui lo sforzo che dovrebbe fare un’impresa o uno studio di progettazione per passare dal CAD tradizionale al BIM in termini di costi e di tempi di apprendimento.

Inoltre il BIM è poco sensibile alle tecnologie semplificate e artigianali essendo stato pensato con una visione industriale. Come potrebbe funzionare per esempio con un edificio in terra battuta?
Così la presenza di strumenti di modellazione innovativi sembra disorientare il progettista che tenta di ridurre la complessità intrinseca alla progettazione architettonica estromettendo dal progetto di architettura il controllo dei flussi energetici e affidandoli a specialisti esterni (impiantisti, illuminotecnici, acustici, strutturisti..).

Inoltre solitamente le verifiche vengono effettuate solo dopo aver preso le decisioni fondamentali per il progetto basate solitamente sui vincoli urbanistici ed edilizi, per cui la forma viene vincolata allo sfruttamento massimo del volume realizzabile senza considerare fattori tra cui l’accessibilità solare e l’impatto dell’edificio come ostruzione sul contesto.

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Simulazione dell’effetto prodotto dall’ombreggiamento di un aggetto in estate in un edificio

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Modello 3d di un edificio come input grafico semplificato per la simulazione dinamica e lettura dei risultati numerici attraverso un diagramma cartesiano

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