DIVENIRE Metodo, processo e progetto di un sistema di facciata dinamico realizzato tramite stampa 3D e 4D - Method, process and design of a dynamic facade system created using 3D and 4D printing

Is it possible, with the available technologies, to design and implement an active shading system that can change its degree of openness according to the temperature conditions in the external environment, in order to reduce the need to use air conditioning and heating systems? Is it possible to create a façade system that behaves like a ‘skin’, modifying its spatial conformation by adapting to the needs of users, in order to meet the requirements of thermal well-being and living comfort? This work originates from a collaboration with DVision Architecture, an architecture and engineering firm whose practice is strongly driven by the ambition to enhance the sustainability of the construction sector through the introduction of innovative technologies and the adoption of cutting-edge materials and solutions. An initial analysis of the state of the art in the AEC sector has highlighted how, compared to other industries that are heavily investing in innovation and technology, this field remains largely constrained by traditional design and procedural frameworks, which are often reluctant to embrace change. Numerous potential areas for improvement can be identified, ranging from risk mitigation to urban regeneration, from the reduction of heat islands through nature-based solutions to the implementation of digital systems that combine the advantages of BIM with the opportunities arising from the introduction of AI in the sector. One of the research fields most affected by the need for renewal, however, concerns the optimization of performance in terms of thermal comfort and the reduction of energy consumption, emissions, and environmental impact associated with the construction, maintenance, use, and demolition phases of buildings. The issue of thermal well-being and its relationship with building components has been the subject of research and investigation since the early works of Davies, who identified the building envelope as the element to act upon, proposing the so-called Climate Adaptive Building Shells (CABS), dynamic shells capable of exerting a direct influence on the regulation of light and heat entering the indoor environment. Over the years, numerous examples of concrete applications of Davies’ theories have emerged, leading to the development of so-called kinetic façades, as in the case of the Institut du Monde Arabe, the Al-Bahr Towers, or The Shed. These examples are characterized by the presence of dynamic façade components capable of changing their degree of openness at different times of the day, allowing the regulation of light and heat entering the interior and endowing buildings with an enriched compositional identity. The presence of motorized systems enabling the opening and closing phases of the panels, however, represents a non-negligible limitation, with implications for maintenance, costs, and system-related emissions. What has been achieved so far consists in the transition from the envelope as a static element to an active dynamic one; its functioning now needs to be rethought, transforming it into a passive component capable of reacting directly to the boundary conditions of the surrounding environment. Other productive fields, such as biomedical and aerospace engineering, have already introduced revolutionary innovations such as 4D printing, a manufacturing technology capable of producing objects that can change their spatial configuration following the application of a thermal, luminous, or chemical stimulus. From the combination of the advantages offered by dynamic façade systems and the potential associated with the application of 4D printing, the proposal of a façade system based on the composition of movable panels whose degree of opening and closing is triggered by 4D-printed actuators emerges. Thanks to the collaboration with Professor Demoly and his research team at the Université Technologique de Belfort Montbéliard, it was possible to carry out a study phase on the available materials, among which the most effective solution tested within the scope of the present research consists in the use of liquid crystal elastomers (LCEs), already applied in the printing of fibers for the production of artificial muscles. LCEs were used to produce filaments that were subsequently woven and mounted onto the panel, which was then subjected to thermal activation cycles in order to verify the effectiveness of the design and the mechanics of the project. To combine the advantages deriving from the use of the panels with the regulation of the minimum degree of visibility required by users and with variations in orientation and geographical context, a façade pattern exhibiting the same adaptive characteristics was developed. The simulations, conducted in a parametric modeling environment that employs genetic algorithms capable of identifying optimized solutions, made it possible to define a mathematical model able to generate pattern combinations based on the desired values of incident radiation, illumination, and temperature. The results obtained, both in terms of product and process, constitute a solid basis upon which to set further future considerations, which will deepen issues that remain open, particularly with regard to the actuator production phase, which presents certain criticalities related to actuation temperature and the difficulty of manufacturing the actuators in a standardized manner.

È possibile, con le tecnologie a disposizione, progettare e realizzare un sistema di oscuramento attivo in grado di modificare il proprio grado di apertura in funzione delle condizioni di temperatura presenti nell’ambiente esterno, allo scopo di ridurre la necessità di sfruttare sistemi di condizionamento e riscaldamento? È possibile creare un sistema di facciata che si comporti come una “pelle”, modificando la propria conformazione spaziale adattandosi alle necessità dell’utenza, per soddisfare i requisiti di benessere termico e comfort abitativo? Il presente lavoro nasce dalla collaborazione con DVision Architecture, società di architettura e ingegneria il cui operato è fortemente influenzato dalla volontà di migliorare i livelli di sostenibilità del settore delle costruzioni, tramite l’introduzione di tecnologie innovative e l’impiego di soluzioni e materiali all’avanguardia. Da una prima analisi sullo stato dell’arte del settore AEC, è emerso come quest’ambito, rispetto ad altri settori produttivi che stanno puntando moltissimo su innovazione e tecnologia, resti tuttora confinato all’interno di schemi progettuali e processuali ancorati alla tradizione, che fanno fatica ad abbracciare la novità. Numerose sono le possibili aree di miglioramento, dalla mitigazione del rischio alla rigenerazione urbana, dalla riduzione delle isole di calore tramite soluzioni nature-based all’implementazione di sistemi digitali che combinano i vantaggi del BIM con le opportunità derivanti dall’introduzione dell’IA nel settore. Uno degli ambiti di ricerca che maggiormente risente della necessità di rinnovamento, tuttavia, è l’ottimizzazione delle prestazioni in termini di comfort termico e la riduzione dei consumi, delle emissioni e dell’impatto ambientale derivanti dalle fasi di costruzione, manutenzione, uso e demolizione degli edifici. Il tema del benessere termico e il suo legame con gli elementi costruttivi sono oggetto di ricerche e indagini sin dai primi lavori di Davies, che identificò l’involucro come l’elemento su cui operare, proponendo i cosiddetti Climate Adaptive Building Shells (CABS), gusci dinamici in grado di avere un’azione diretta sulla regolazione dell’ingresso di luce e calore all’interno dell’ambiente. Negli anni, si sono susseguiti numerosi esempi di applicazione concreta delle teorie di Davies, portando alla declinazione delle cosiddette facciate cinetiche, come nel caso dell’Institute du Monde Arabe, delle Al-Bahr Towers o The Shed. Questi esempi sono accomunati dalla presenza di componenti di facciata dinamici in grado di cambiare il proprio grado di apertura nei diversi momenti della giornata, permettendo di regolare l’ingresso di luce e calore all’interno e connotando gli edifici di un’identità compositiva arricchita. La presenza di sistemi motorizzati che permettono le fasi di apertura e chiusura dei pannelli, tuttavia, rappresenta un limite non trascurabile, che ha impatto sulla manutenzione, sui costi e sulle emissioni del sistema. Quel che si è raggiunto finora consiste nel passaggio da involucro come elemento statico a dinamico attivo; occorre ripensarne il funzionamento, trasformandolo in un componente passivo, che reagisca direttamente con le condizioni al contorno dell’ambiente circostante. Altri ambiti produttivi, come l’ingegneria biomedica ed aerospaziale, hanno già introdotto innovazioni rivoluzionarie come la stampa 4D, una tecnologia produttiva in grado di stampare oggetti capaci di cambiare la propria conformazione spaziale a seguito dell’applicazione di uno stimolo termico, luminoso o chimico. Dalla combinazione dei vantaggi derivanti dall’impiego di sistemi di facciata dinamici e delle potenzialità legate all’applicazione della stampa 4D, nasce la proposta di un sistema di facciata basato sulla composizione di pannelli mobili il cui grado di apertura e chiusura è innescato da attuatori stampati in 4D. Grazie alla collaborazione con il Professor Demoly e la sua equipe di ricerca presso l’Universitè Technologique de Belfort Montbelliard, è stato possibile effettuare una fase di studio sui materiali a disposizione, tra i quali la soluzione più efficace sperimentata nell’ambito della presente ricerca consiste nell’impiego di elastomeri a cristalli liquidi (LCE), già applicati nella stampa di fibre per la produzione di muscoli artificiali. Gli LCE sono stati utilizzati per realizzare filamenti successivamente intrecciati e montati sul pannello, successivamente sottoposto a cicli di attivazione termica, in modo da verificare l’efficacia del design e della meccanica del progetto. Per combinare i vantaggi derivanti dall’uso dei pannelli con la regolazione del grado di visibilità minimo richiesto dagli utenti e con le variazioni nell’orientamento e nel contesto geografico, è stato elaborato un pattern di facciata che presenti le stesse caratteristiche di adattabilità. Le simulazioni, condotte in un ambiente di modellazione parametrica che sfrutta algoritmi genetici in grado di trovare soluzioni ottimizzate, hanno permesso di definire un modello matematico in grado di generare combinazioni di pattern in base ai valori desiderati di radiazione incidente, illuminazione e temperatura. I risultati ottenuti, sia in termini di prodotto che di processo, costituiscono una solida base su cui impostare ulteriori ragionamenti futuri, che approfondiranno tematiche rimaste aperte, soprattutto per quanto riguarda la fase di produzione degli attuatori, che presenta alcune criticità legate alla temperatura di attuazione e alla difficoltà di produzione degli stessi in maniera standardizzabile.