Βιοκλιματικός Σχεδιασμός και Μορφογένεση

Transcript

1 Βιοκλιματικός Σχεδιασμός και Μορφογένεση Βικτώρια Αλ. Λύτρα Τεχνολογικό εκπαιδευτικό ίδρυμα Λάρισας, Ελλάδα ΠΕΡΙΛΗΨΗ Έχοντας αντιληφθεί την δυναμική σχέση του βιοκλιματικού σχεδιασμού και της μορφογένεσης, αυτή η έρευνα εστιάζει στην ανάλυση του δημαρχείου του Λονδίνου - Greater London Authority Headquarters Building (2002), αφού αποτελεί το πρώτο υλοποιημένο παράδειγμα του οποίου η μορφή σχεδιάστηκε με γνώμονα την ενεργειακή απόδοση. Μεταφράζοντας τη ζητούμενη χαμηλή ενεργειακή κατανάλωση σε γεωμετρικούς περιορισμούς δημιουργούνται ψηφιακά με αλγοριθμική λογική παραλλαγές της μορφής του εξεταζόμενου κτιρίου, επιβεβαιώνοντας την ποικιλία μορφών που μπορούν να προκύψουν από δεδομένες απαιτήσεις του βιοκλιματικού σχεδιασμού. 1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Αν και η δυνατότητα του βιοκλιματικού σχεδιασμού να αποτελέσει μορφογενετικό μέσο έχει αναγνωρισθεί ευρέως, παραταύτα παραμένει μέχρι σήμερα σχετικά ανεξερεύνητη αφού οι κύριες αρχές του σχετιζόμενες με τη φυσική των κτιρίων περιορίζονται τις περισσότερες φορές σε τεχνικό επίπεδο παρά στην αρχιτεκτονική σύνθεση. Βασικές αρχές του σκιασμού και του φυσικού φωτισμού λόγω της φύσης τους άμεσα συνδεδεμένες με την ηλιακή γεωμετρία συσχετίζονται άμεσα με τη μορφολογία του κτιρίου. Πιο συγκεκριμένα, η σκίαση που μπορεί να προσφέρει η ίδια η μορφή του κτιρίου αποκαλύπτει μια δυνητική γεωμετρική εξερεύνηση με στόχο τη δημιουργία αυτοσκιαζόμενων μορφών. Από την άλλη πλευρά, ο ψηφιακός σχεδιασμός τα τελευταία χρόνια εξελίσσεται όλο και περισσότερο συμβάλλοντας στην παραγωγή νέων μορφών, μη ευκλείδειας γεωμετρίας συνήθως, μέσω μορφογενετικών στρατηγικών χρησιμοποιώντας κάθε φορά διαφορετικά κριτήρια. Σε αυτό το σημείο, το ερώτημα που δημιουργείται είναι κατά πόσο ο ψηφιακός σχεδιασμός μπορεί να συμβάλλει στη δημιουργία νέων αρχιτεκτονικών μορφών κτιρίων που να έχουν χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και να προσφέρουν στον χρήστη ευχάριστες συνθήκες διαβίωσης. Ένα πολύ γνωστό υλοποιημένο παράδειγμα το οποίο σχεδιάστηκε παραμετρικά βασισμένο στις βιοκλιματικές αρχές σχεδιασμού είναι το δημαρχείο του Λονδίνου - Greater London Authority Headquarters Building(2002) - από το αρχιτεκτονικό γραφείο Foster & Partners σε συνεργασία με τους Arup Engineers. Με άλλα λόγια, η πολύπλοκη γεωμετρία του κτιρίου ήταν αποτέλεσμα των απαιτήσεων ενεργειακής απόδοσης του παρά ένα προαποφασισμένο σχέδιο. Παραταύτα, η πραγματική ενεργειακή απόδοση του μετά την υλοποίηση του, σύμφωνα με το ενεργειακό πιστοποιητικό του, δεν ικανοποίησε τους στόχους του σχεδιασμού και μάλιστα ήταν χειρότερη και από ένα τυπικό κτίριο γραφείων. Η αντίφαση αυτή καθιστά το κτίριο παράδειγμα μελέτης αυτής της έρευνας, η οποία διεξάγεται σε δύο φάσεις. Στην πρώτη, το κτίριο αναλύεται ως προς την προσπίπτουσα ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια του αλλά και τα επίπεδα φυσικού φωτισμού στο εσωτερικό του, εντοπίζοντας τους

2 παράγοντες στους οποίους οφείλεται η μη αναμενόμενη απόδοση του. Στη συνέχεια, δημιουργούνται παραμετρικά (με αλγοριθμική λογική) παραλλαγές της μορφής του εισάγοντας δεδομένα με γεωμετρικούς περιορισμούς που εξασφαλίζουν δυνητικά καλύτερη ενεργειακή απόδοση από ένα τυπικό κτίριο γραφείων. 2. ΚΤΙΡΙΟ ΑΝΑΦΟΡΑΣ Το δημαρχείο του Λονδίνου βρίσκεται στη βόρεια όχθη του Τάμεση και αποτέλεσε μέρος του γενικού σχεδίου της παραποτάμιας περιοχής το 1998 από το γραφείο Fosters & Partners. Το κτίριο στα 18000τ.μ. που καταλαμβάνει (10 ορόφους συνολικά, 9 πάνω από το έδαφος), περιλαμβάνονται γραφεία περιμετρικά σε κάθε όροφο, έναν εκθεσιακό χώρο στην κορυφή και μια καφετέρια στο υπόγειο. Σύμφωνα με τον Ken Shuttleworth (τον υπεύθυνο αρχιτέκτονα του έργου), το σημείο εκκίνησης του σχεδιασμού ήταν η καλύτερη ενεργειακή απόδοση κατά 75% από αυτήν ενός τυπικού κτιρίου γραφείων. Η μορφή του κτιρίου προσδιορίστηκε από τις ενεργειακή απαιτήσεις, αλλά ενημερώθηκε από ένα ευρύτερο πλαίσιο. Βάση του σχεδιασμού αποτέλεσε ο στόχος για ηλιακό έλεγχο, ελαττώνοντας την επιφάνεια του εκτεθειμένου περιβλήματος του κτιρίου. Πιο συγκεκριμένα, το σχήμα του αποτελεί μια τροποποιημένη σφαίρα και επιλέχθηκε λόγω του ότι η σφαίρα έχει 25% λιγότερη επιφάνεια από έναν κύβο ίδιου όγκου (σχ. 1). «Σχήμα 1. Κεντρική ιδέα της μορφολογίας του κτιρίου (πηγή: Kolarevic, 2003)» 2.1 Περιγραφή Το κτίριο αποτελείται από στρογγυλές βαθιές κατόψεις με ακτίνα που διαφέρει από 19 ως 25 μέτρα. Η όψη του είναι περιμετρικά καλυμμένη με γυαλί (σχήμα 3). Στον κάθετο άξονα, κάθε όροφος αποκλίνει από το κέντρο, δίνοντας σε όλη την κατασκευή την εμφάνιση μιας παραμορφωμένης σφαίρας. Το σχήμα της σφαίρας τροποποιήθηκε παραμετρικά, σύμφωνα με τον προσανατολισμό και τις απαιτήσεις των χρηστών. Σε αυτό το σημείο, είναι βασικό να αναφερθεί ότι λόγω της στρογγυλής κάτοψης, η έννοια του προσανατολισμού γίνεται σχετική. Στις δημοσιευμένες πληροφορίες, η αντίστοιχη βόρεια, νότια, ανατολική, δυτική όψη περιλαμβάνει και ενδιάμεσα τμήματα. Γι αυτό το λόγο, στο επόμενο κεφάλαιο της ανάλυσης, αυτή η ασάφεια διορθώνεται με τη χρήση όψεων αναφοράς. Η βόρεια και η νότια όψη αποτελούν κύρια στοιχεία της γεωμετρικής διαμόρφωσης ως αποτέλεσμα των απαιτήσεων απόδοσης για έλεγχο της ηλιακής ακτινοβολίας, φυσικού φωτισμού και θέας. Οι γωνίες κλίσεως και οι γωνίες κάθετης σκίασης μετρούνται από το οριζόντιο επίπεδο ακριβώς στο σημείο ορισμού του βορρά και του νότου αντίστοιχα (σχήμα 2). Η προς τα πάνω κεκλιμένη βόρεια όψη (με γωνίες κλίσης από 95 ως 145 ) σε συνδυασμό με τη γυάλινη πρόσοψη, δίνει τα πλεονεκτήματα της θέασης του ποταμού και του φυσικού φωτισμού χωρίς την ανάγκη σκίασης. Στο νότο, το κτίριο υποχωρεί προς τα πίσω δημιουργώντας ένα σύστημα αυτοσκίασης τους

3 καλοκαιρινούς μήνες και δίνοντας σε όλη την κατασκευή μια αίσθηση αιώρησης. Οι κάθετες γωνίες σκίασης ποικίλουν από 45 στους κάτω ορόφους ως 75 στον πάνω όροφο. Η δυτική και ανατολική όψη ακολουθούν την ομαλότητα του συνολικού σχήματος με μια κλίση προς τα πάνω χωρίς κάποια ειδική μεταχείριση. «Σχήμα 2. Γωνίες κλίσης και κάθετες γωνίες σκίασης στη βόρεια και νότια όψη αντίστοιχα» «Σχήμα 3. Κτίριο GLA (πηγή: Διαδικασία σχεδιασμού Η δημιουργία της μορφής αποτέλεσε μια διαδικασία διαλογικού χαρακτήρα, μεταξύ των ψηφιακών τεχνικών σχεδιασμού και τα εργαλεία προσομοίωσης της απόδοσης (θερμικής, φωτισμού, ακουστικής). Πιο συγκεκριμένα, όλα τα πάνελ του κτιρίου μοντελοποιήθηκαν και αναλύθηκαν σύμφωνα με μια τεχνική προσομοίωσης φυσικού φωτισμού κατά την οποία, η υπολογισμένη φωτεινή ενέργεια μετατρέπεται σε ηλιακά κέρδη στο κάθε πάνελ. Για την πρόσοψη, ο στόχος μέγιστων ηλιακών κερδών ανά τρέχον μέτρο ορίστηκε για βελτιστοποίηση. Αν και ο σχεδιασμός βασίστηκε στη βελτιστοποίηση της ενεργειακής απόδοσης, οι μετρήσεις μετά τη χρήση του απέδειξαν ότι ο στόχος δεν επετεύχθη αφού το κτίριο καταναλώνει στην πραγματικότητα περισσότερο από το τυπικό όριο κατανάλωσης (Πιστοποιητικό Ενεργειακής Απόδοσης). Πιο αναλυτικά, καταναλώνει λιγότερη ενέργεια από το τυπικό σημείο αναφοράς για θέρμανση (77 αντί για 216 KWh/τμ ετησίως) αλλά περισσότερο για ηλεκτρική ενέργεια (179 αντί για 131 KWh/τμ ετησίως). Τα στοιχεία αυτά υποδεικνύουν αυξημένες απαιτήσεις για ψύξη και τεχνητό φωτισμό. Η ανάλυση που ακολουθεί διερευνά τις αιτίες αυτού του αποτελέσματος, που μπορεί να οφείλονται στη μορφή, τη διαδικασία σχεδιασμού, τις συνθήκες λειτουργίας ή συνδυασμό όλων αυτών. Η έρευνα περιορίζεται σε θερμική ανάλυση και ανάλυση φωτισμού λόγω του ότι η μορφή του κτιρίου δημιουργήθηκε βάση αυτών των παραμέτρων. 3. ΑΝΑΛΥΣΗ 3.1 Ηλιακή ανάλυση Η ηλιακή ανάλυση επιλέχθηκε για την παραγωγή παραδοχών για τη μορφή του κτιρίου και το αντίκτυπο στην απόδοση του. Για την ανάλυση χρησιμοποιήθηκε το πρόγραμμα Ecotect, αφού αυτό το είδος γεωμετρίας δεν μπορεί να ελέχθη σε άλλα προγράμματα θερμικής ανάλυσης. Λόγω της ασάφειας του προσδιορισμού του προσανατολισμού στα σφαιρικά σχήματα, ορίζονται επιφάνειες αναφοράς. Ο τρόπος ορισμού τους σχετίζεται με ένα ορθογώνιο κτίριο του ίδιου όγκου (με τετράγωνη κάτοψη). Η βόρεια και νότια όψη ορίζονται πρωτίστως, λόγω του ενδιαφέροντος χειρισμού τους κατά το σχεδιασμό. Ως βόρεια όψη ορίζεται εκείνο το μέρος της εκτεθειμένης

4 επιφάνειας που είναι στραμμένο βόρεια ή σχεδόν βόρεια, και έχει εμβαδό ίσο με την επιφάνειας της βόρειας όψης ενός ορθογωνίου κτιρίου. Η νότια όψη ορίζεται με τον ίδιο τρόπο, ενώ η δυτική και η ανατολική ορίζονται ως οι ενδιάμεσες επιφάνειες λόγω του μεταβατικού τους χαρακτήρα (σχήμα 4). «Σχήμα 4. Επιφάνειες αναφοράς βόρεια, νότια και δυτική όψη αντίστοιχα» Όπως φαίνεται στο ηλιακό διάγραμμα (σχήμα 5), κατά τη χειμερινή περίοδο η νότια όψη επωφελείται των ηλιακών κερδών. Κατά τη θερινή περίοδο, οι υποχωρήσεις των ορόφων παρέχουν σκίαση στους κατώτερους ορόφους (Κάθετη γωνία σκίασης <= 60 ) ενώ λόγω των μεγάλων κάθετων γωνιών σκίασης (>=65 ) οι επάνω όροφοι δεν επωφελούνται από την αυτό-σκίαση που προσφέρει η μορφή του κτιρίου. Εντούτοις, υπάρχουν εσωτερικές περσίδες που προστατεύουν τον εσωτερικό χώρο από τη διείσδυση του ήλιου. Από την άλλη μεριά, η κεκλιμένη γωνία της βόρειας όψης γίνεται τόσο απότομη στην κορυφή (145 ) ώστε να επιτρέπει την άμεση διείσδυση του ηλιακού φωτός που προκαλεί υπερθέρμανση. Γεγονός που επιτείνεται αν ληφθεί υπόψη η επένδυση της βόρειας όψης με μονό υαλοστάσιο και χωρίς σκίαση. Επιπλέον, η χωροθέτηση του αιθρίου σε αυτήν την πλευρά επηρεάζει αυτόματα το υπόλοιπο κτίριο. Ένα άλλο σημείο που αξίζει αναφοράς είναι ότι, η απαιτούμενη κάθετη σκίαση απουσιάζει από την ανατολική και δυτική όψη, γεγονός που τις καθιστά πιο ευάλωτες ειδικά τους θερινούς μήνες. «Σχήμα 5. Εμβέλεια σκιάσεων της βόρειας και νότιας όψης (ECOTECT)»

5 Ο σχεδιασμός του κτιρίου στηρίζεται στη μικρότερη εκτεθειμένη επιφάνεια της σφαίρας έναντι ενός ορθογωνίου με τον ίδιο όγκο. Για την κατανόηση του χειρισμού του σχήματος, η ανάλυση έκθεσης σε ηλιακή ακτινοβολία χρησιμοποιείται για να αξιολογηθεί η απόδοση της πρόσοψης. Πιο συγκεκριμένα, η ηλιακή έκθεση των όψεων του κτιρίου (περίπτωση 1) συγκρίνεται με αυτήν των όψεων ενός ορθογωνίου ίδιου όγκου με τετράγωνη κάτοψη (περίπτωση 2). Και οι δύο περιπτώσεις δοκιμάζονται κάτω από τις ίδιες συνθήκες. Από τα γραφήματα των σχημάτων 6 και 7 διεξάγονται τα συμπεράσματα που ακολουθούν. Γενικά, το παράδειγμα υπό έρευνα λαμβάνει στο σύνολο περισσότερη ηλιακή ενέργεια ανά τ.μ. (η οριζόντια πλευρά εξαιρείται) απ ότι η 2 η περίπτωση (2000kWh/τ.μ. ετησίως αντί για 1853kWh/τ.μ. αντίστοιχα). Αξίζει να σημειωθεί ότι παρόλο που στην 1 η περίπτωση η εκτεθειμένη επιφάνεια είναι 10% μικρότερη από την 2 η περίπτωση, λαμβάνει συνολικά 30% περισσότερη ηλιακή ενέργεια σε απόλυτους αριθμούς κατά τη διάρκεια του χρόνου. Από τον Μάρτιο μέχρι τον Οκτώβριο η ανατολική πλευρά λαμβάνει και στις δύο περιπτώσεις τις υψηλότερες τιμές ηλιακής ακτινοβολίας σε σχέση με τις υπόλοιπες πλευρές (εξαιρείται η οριζόντια). Όσον αφορά στη βόρεια όψη, στην 1 η περίπτωση λαμβάνει σχεδόν τη διπλάσια ακτινοβολία συνολικά (σε απόλυτες τιμές) απ ότι η 2 η περίπτωση. Πιο συγκεκριμένα, υψηλότερα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας παρατηρούνται καθ όλη τη διάρκεια του χρόνου, με μια σημαντική αύξηση της τάξεως του 40% από τον Μάιο μέχρι τον Αύγουστο προφανώς εξαιτίας της μεγάλης γωνίας κλίσης της όψης σε συνδυασμό με το ύψος των ηλιακών ακτινών το καλοκαίρι. Στη δυτική και ανατολική πλευρά, παρατηρείται μια μέση αύξηση της τάξεως του 6%, που διπλασιάζεται σχεδόν το καλοκαίρι λόγω της κλίσης της επιφάνειας. Σε αντίθεση, η νότια όψη παρουσιάζει χαμηλότερα επίπεδα ηλιακής ακτινοβολίας, προφανώς λόγω της αυτό-σκίασης που δημιουργεί η υποχώρηση των ορόφων. Η μεγαλύτερη μείωση της τάξεως του 25% παρατηρείται τον Φεβρουάριο, Μάρτιο και Οκτώβριο, ενώ από τον Απρίλιο μέχρι τον Σεπτέμβριο και από τον Νοέμβριο μέχρι τον Ιανουάριο η μείωση κυμαίνεται μεταξύ 15 και 20%. Συμπερασματικά, η προς τα πάνω κλίση της επιφάνειας στην ανατολική, δυτική και ειδικά στη βόρεια όψη, σε συνδυασμό με την έλλειψη κατάλληλης σκίασης σε αυτές τις πλευρές, ευθύνεται για την υπερθέρμανση του κτιρίου. Το φαινόμενο της αυτό-σκίασης στη νότια όψη, αν και είναι αποδοτικό, δεν αρκεί για να ξεπεράσει το αντίκτυπο των υπολοίπων και γι αυτό η συνολική λαμβανόμενη ηλιακή ακτινοβολία αυξάνεται. «Σχήμα 6. Συνολική μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία στις επιφάνειες αναφοράς του GLA κτιρίου (ECOTECT)» «Σχήμα 7. Συνολική μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία σε επιφάνειες ορθογωνίου ίδιου όγκου με το GLA (ECOTECT)» Για να υπολογιστεί το αντίκτυπο του στρογγυλού σχήματος όπως και η ειδική μεταχείριση στο ύψος, διεξάγεται η ηλιακή ανάλυση ανά όροφο στο δημαρχείο (1 η περίπτωση), σε μια τυπική ορθογώνια γεωμετρία (2 η περίπτωση) και σε μια ισοδύναμη κυλινδρική γεωμετρία (3 η περίπτωση) χωρίς αποκλίσεις στο ύψος (σχήμα 8). Τρεις όροφοι από την κάθε περίπτωση σαν αναφορά

6 ελέγχονται ένας κατώτερος (1 ος ), ένας μεσαίος (4 ος ) και ένας ανώτερος (7 ος ). Λαμβάνοντας υπόψη τα αποτελέσματα (σχήμα 9), στην δεύτερη και τρίτη περίπτωση όλοι οι όροφοι φαίνεται να συμπεριφέρονται όμοια, ενώ στην πρώτη περίπτωση (κτίριο GLA) η συμπεριφορά των τριών ορόφων διαφέρει κατά πολύ με μια σημαντική αύξηση να επισημαίνεται τους μήνες Απρίλιο με Σεπτέμβριο, και ιδιαιτέρως από τον Μάιο μέχρι τον Αύγουστο. Πιο συγκεκριμένα, η αύξηση του τετάρτου ορόφου σε σχέση με τον πρώτο κυμαίνεται από αμελητέες διαφορές κατά τους χειμερινούς μήνες στο 35% τον Ιούνιο. Από τον τέταρτο στον έβδομο όροφο, η αύξηση κυμαίνεται από 15% κατά τη χειμερινή περίοδο στο 25% κατά τη θερινή. Η διαφορά αυτή αιτιολογείται από την αυξανόμενη προς τα πάνω κλίση της βόρειας πλευράς και τη μειούμενη επίδραση της αυτό-σκίασης στο νότο οι διαφορές σε κάθε όροφο αντανακλώνται στην λαμβανόμενη ηλιακή ακτινοβολία. Οι αναφερόμενες γωνίες για τον βόρειο και νότιο προσανατολισμό φαίνονται στην εικόνα. Για την ανατολική και δυτική πλευρά, λόγω του μεταβατικού τους χαρακτήρα στο συνολικό σχεδιασμό, είναι δύσκολο να οριστεί γωνία αναφοράς αφού θα έπρεπε να υπεραπλοποιηθεί. Εμβαθύνοντας στην ανάλυση, για τον πρώτο όροφο η κλίση της βόρειας όψης ως προς τον κατακόρυφο άξονα (τυπική βασική περίπτωση) είναι σχεδόν αμελητέα, αλλά η κάθετη γωνία σκίασης των 45 στο νότο σημαίνει ότι σκιάζεται σχεδόν το μισό χρόνο. Στον τέταρτο όροφο, παρόλο που η κάθετη γωνία σκίασης των 65 παρέχει σκίαση τους θερινούς μήνες (Ιούνιο Ιούλιο), η ηλιακή ακτινοβολία είναι ιδιαίτερα αυξημένη αυτήν την περίοδο προφανώς λόγω της κλίσης της βόρειας όψης που φτάνει τις 130. Στον έβδομο όροφο, λόγω της ανεπαρκούς γωνίας σκίασης των 75 σε συνδυασμό με την αυξημένη κλίση των 145 τόσο η νότια όσο και η βόρεια πλευρά λαμβάνουν άμεση ηλιακή ακτινοβολία. Συγκρίνοντας τώρα την 1 η περίπτωση (στρόγγυλη κάτοψη με αποκλίσεις στο ύψος), την 2 η περίπτωση (τετράγωνη κάτοψη) και την 3 η περίπτωση (στρόγγυλη κάτοψη), γίνεται εμφανές ότι ο τέταρτος όροφος και στις τρεις περιπτώσεις συμπεριφέρεται σχεδόν όμοια υποδεικνύοντας ότι η γωνία σκίασης των 65 ξεπερνά την επίδραση της κλίσης των 110 στην επιφάνεια της βόρειας όψης. Εν κατακλείδι, λαμβάνοντας υπόψη τις προηγούμενες παρατηρήσεις, μπορεί κανείς να συμπεράνει ότι κρατώντας μια ισορροπία στη μεταχείριση των επιφανειών θα μπορούσε να οριστεί η δυνατότητα της μορφής αυτής να συμπεριφερθεί καλύτερα από μια τυπική. «Σχήμα 8. Μοντέλα αναφοράς στο ECOTECT για ηλιακή ανάλυση ανά όροφο» «Σχήμα 9. Συνολική μηνιαία ηλιακή ακτινοβολία ανά όροφο (ECOTECT)» 3.2 Ανάλυση φυσικού φωτισμού Ο φυσικός φωτισμός του κτιρίου ήταν βασικός στόχος του σχεδιασμού και ο ελεύθερος γύρω χώρος βοηθούσε στην επίτευξη του στόχου. Αν και οι γυάλινες επιφάνειες είναι μικρότερες απ ότι φαίνεται, διατηρούν μια αναλογία ανοίγματος προς το εμβαδό του χώρου ίση με 10%, ενώ η αναλογία ανοίγματος προς το εμβαδό του εξωτερικού τοίχου είναι 25%. Παραταύτα, η γεωμετρία της βαθιάς κάτοψης αποτελεί ανασταλτικό παράγοντα. Για την ανάλυση φυσικού φωτισμού, οι

7 προσομοιώσεις διεξήχθηκαν στο πρόγραμμα Radiance. Οι συνθήκες ουρανού για όλες τις δοκιμές ορίστηκαν με βάση τον κυρίαρχο τύπο ουρανού στο Λονδίνο σύμφωνα με την ιστοσελίδα του Satellite. Οι τρεις κυρίαρχες συνθήκες ως συνθήκες αναφοράς για τις δοκιμές είναι τα 5100 lux στο χειμερινό ηλιοστάσιο, τα lux στο θερινό ηλιοστάσιο και τα 13000lux στην ισημερία, ως η χειρότερη, η καλύτερη και η μέση περίπτωση αντίστοιχα. Η ώρα της δοκιμής ήταν το μεσημέρι, ενώ ο δεύτερος, ο τέταρτος και ο έκτος όροφος εξετάζονται ως οι πιο αντιπροσωπευτικοί. «Σχήμα 10. Επίπεδα φωτισμού σε διαφορετικούς ορόφους του κτιρίου GLA (RADIANCE)» Γενικά, όπως φαίνεται στο σχήμα 10 το βουλευτήριο λαμβάνει επαρκή φυσικό φωτισμό. Στον υπόλοιπο όροφο, όμως, στα 5100 lux τα επίπεδα φυσικού φωτισμού είναι πολύ χαμηλά και η ανάγκη για τεχνητό φως είναι εμφανής. Στη μέση περίπτωση (13000lux), η οποία είναι η κυρίαρχη στο Λονδίνο, ο πυρήνας του κτιρίου που περιλαμβάνει την κάθετη κυκλοφορία (με ράμπα) παραμένει

8 σκοτεινός. Τα γραφεία στην περίμετρο του κτιρίου λαμβάνουν υψηλά επίπεδα φωτός (300lux απαιτούνται στα γραφεία), το οποίο εισχωρεί σε βάθος 5 ως 7 μέτρα από την επιφάνεια των παράθυρων, δηλ. φτάνει το όριο της παθητικής ζώνης των 6 μέτρων (2 φορές το ύψος του ορόφου). Παρόλα αυτά, στα γραφεία που βρίσκονται δίπλα στο αίθριο, το φυσικό φως δεν διεισδύει πέραν της μιας φοράς το ύψος του δωματίου. Επομένως, τα γραφεία που βρίσκονται εκεί δεν λαμβάνουν επαρκή φυσικό φωτισμό αναφορικά με το όριο των 300lux. Το καλοκαίρι (10790 lux), η κατάσταση βελτιώνεται κατά πολύ, αφού ακόμη και από την πλευρά του αιθρίου, η λεγόμενη παθητική ζώνη είναι επαρκώς φωτισμένη. «Σχήμα 11. Διείσδυση φυσικού φωτός (12.00 το μεσημέρι) επίπεδα φωτισμού (RADIANCE)» Η τομή (σχήμα 11) απεικονίζει τις διαφορές στην εισχώρηση του φυσικού φωτός ανάμεσα στους ορόφους. Η σύγκριση έγινε για τη μέση περίπτωση, ως την κυρίαρχη και πιο αντιπροσωπευτική. Αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι από την πλευρά του βουλευτηρίου (βόρεια) αν και η πρόσοψη είναι προς τα πάνω κεκλιμένη, δηλ. έχει μεγαλύτερη γωνία ορατότητας προς τον ουρανό και δυνητικά καλύτερη απόδοση όσον αφορά στο φωτισμό από μια τυπική κάθετη πλευρά, το φυσικό φως δεν εισχωρεί σε βάθος πάνω από 3 μέτρα σε όλους τους ορόφους, προφανώς λόγω της διαμόρφωσης του αιθρίου. Αντιθέτως, η υποχώρηση των ορόφων στη νότια όψη προκαλούν διαφορές στη διανομή του φωτός. Το βάθος διείσδυσης μειώνεται κατά 0,5 μέτρα για κάθε αύξηση της κάθετης γωνίας σκίασης κατά 5. Παρόλα αυτά, σε αυτή την μετρική σχέση παίζει ρόλο και η απόσταση του κάθε ορόφου από το έδαφος. Έτσι, στους χαμηλότερους ορόφους με γωνία σκίασης ίση με 45-50, τα αναγκαία επίπεδα φωτισμού δεν καλύπτουν την παθητική ζώνη, ενώ στου υψηλότερους ορόφους με γωνία σκίασης 65-70, ο στόχος επιτυγχάνεται. Αυτός μπορεί να είναι και ένας λόγος για την ανοιχτή διαμόρφωση των κάτω ορόφων, ενώ στους πάνω συναντάμε μεμονωμένα χωριστά γραφεία με μεγαλύτερο βάθος. Στην ανατολική και δυτική πλευρά, στους υψηλότερους ορόφους όπου η πρόσοψη είναι κεκλιμένη προς τα πάνω, παρατηρείται διείσδυση φυσικού φωτός

9 βαθύτερη απ ότι στη νότια όψη. Ενώ, στους χαμηλότερους ορόφους, παρατηρείται ομοιομορφία από όλες τις πλευρές (προσανατολισμούς). Συνοψίζοντας, το κτίριο αντιμετωπίζει πρόβλημα φωτισμού. Στη χειρότερη περίπτωση (5100 lux) τεχνητός φωτισμός είναι αναγκαίος παντού εκτός του βουλευτηρίου. Στη μέση κατάσταση, αν και τα επίπεδα φυσικού φωτός κρίνονται ικανοποιητικά περιμετρικά, η βαθιά γεωμετρία της κάτοψης δημιουργεί σκοτεινούς χώρους. Η κεκλιμένη προς τα πάνω επιφάνεια επηρεάζει όχι μόνο τα επίπεδα φωτός αλλά και την διείσδυση αυτού. Όσον αφορά στη σχέση σκίασης και φυσικού φωτισμού, η κάθετη γωνία σκίασης των 60 αποτελεί κριτικό σημείο, αφού για μικρότερες γωνίες η διείσδυση του φωτός είναι περιορισμένη. 4. ΜΟΡΦΟΓΕΝΕΣΗ Σε αυτό το κεφάλαιο ερευνάται η δυνητική σχέση του βιοκλιματικού σχεδιασμού και του παραμετρικού σχεδιασμού. Οι έννοιες της σκίασης και του φυσικού φωτισμού, και ειδικότερα η μεταξύ τους σχέση ερευνάται από μια μορφογενετική πλευρά με σκοπό τη δημιουργία ποικίλων διαφορετικών μορφών που δυνητικά θα συμπεριφέρονται καλύτερα από μια μορφή τυπικής γεωμετρίας. Ως βάση χρησιμοποιούνται τα αρχιτεκτονικά στοιχεία του GLA στο Λονδίνο που αναλύθηκε και δημιουργούνται παραλλαγές στη μορφή αυτή με μια αλγοριθμική λογική στην ψηφιακή πλατφόρμα Grasshopper ενός επεξεργαστή γραφικού αλγόριθμου άμεσα συνδεδεμένου με τo σχεδιαστικό πρόγραμμα Rhinoceros. Για τη δημιουργία των μορφών παραμετρικά χρησιμοποιήθηκαν τα αποτελέσματα της έρευνας για αυτοσκιαζόμενες μορφές στο Λονδίνο (Lytra, 2010), η οποία υποδεικνύει γεωμετρικά όρια στο σχεδιασμό των κτιρίων, όσον αφορά στις κεκλιμένες επιφάνειες και τις κάθετες γωνίες σκίασης, τα οποία εξασφαλίζουν δυνητικά χαμηλότερη ενεργειακή απόδοση. Η διαδικασία σχεδιασμού που ακολουθήθηκε περιγράφεται αναλυτικά παρακάτω. Οι βιοκλιματικές συνθήκες που διατηρούνται όμοιες με το κτίριο βάσης GLA είναι η κατάσταση σκίασης ( υποχωρήσεις ορόφων για σκίαση στο νότο), η κεκλιμένη προς τα πάνω επιφάνεια στο βορρά για καλύτερο φωτισμό και θέαση) και η συνθήκη ότι η σφαίρα έχει 25% λιγότερη εκτεθειμένη επιφάνεια από έναν κύβο ίσου όγκου. Το καινούριο μοντέλο αποτελείται από κυκλικές κατόψεις μέτρων, η ακτίνα των οποίων επιλέγεται τυχαία κάθε φορά, αλλά σε κάθε περίπτωση ο όγκος διατηρείται ίδιος με τον αρχικό. Λόγω της έλλειψης ακριβή προσανατολισμού στα κυκλικά σχήματα, ο όρος βόρεια, νότια κλπ αναφέρεται ακριβώς στο σημείο του κύκλου που αντικρίζει τον κάθε προσανατολισμό αντίστοιχα. Για τη σκίαση, σύμφωνα με τη Lytra (2010) η νότια όψη με κλίση προς τα κάτω επιτυγχάνει πολύ καλύτερη θερμική συμπεριφορά αλλά από την άλλη χαμηλά επίπεδα φυσικού φωτισμού - γεγονός που την καθιστά ακατάλληλη για κτίρια γραφείων, στα οποία κύριος στόχος είναι ο επαρκής φυσικός φωτισμός. Γι αυτό το λόγο, η γεωμετρία με υποχωρήσεις των ορόφων επιλέγεται αφού η σκίαση των γραφείων στο Λονδίνο είναι απαραίτητη ιδιαιτέρως κατά τους θερινούς μήνες. Οι κάθετες γωνίες σκίασης που θα δοκιμαστούν είναι 40, 50 και 60. Στο βορρά, η κλίση της πρόσοψης προς τα πάνω ενισχύει τη διείσδυση του φυσικού φωτός στο κτίριο, αν και η αύξηση στα φορτία ψύξης που συνεπάγεται αποτελεί το μειονέκτημα της. Η γωνία κλίσης των 110 θεωρήθηκε το κρίσιμο όριο ώστε να εξισορροπείται η κατανάλωση ενέργειας. Στην ανατολή και τη δύση, η γεωμετρία αποφασίστηκε ως η ενδιάμεση κατάσταση βόρειας και νότιας όψης. Τα όρια που τέθηκαν είναι γωνία κλίσης της επιφάνειας από 60 προς τα κάτω και 100 προς τα πάνω. Η οπισθοχώρηση των ορόφων σε αυτές τις πλευρές θεωρείται αμελητέα. Αυτά τα γεωμετρικά όρια χρησιμοποιήθηκαν ως περιορισμοί για τη δημιουργία των μορφών μέσω του αλγορίθμου. Το σχήμα 12 δείχνει τη λογική που ακολουθήθηκε όχι σε κάποια γλώσσα προγραμματισμού αλλά με περιγραφικό τρόπο ενώ στο σχήμα 13 φαίνεται η γραφική απεικόνιση του στην ψηφιακή πλατφόρμα Grasshopper.

10 Program_ Self-shaded form Variables_ radius: R(r), height: H(z), distance: D(x), point: P(X,Y,Z) Begin { for (20 <= r <= 25, r = random ), create circle ; for (z= 0; z <= 35.2, z + 4.4), Pi (Xi, Yi, Zi), Pii (- Xi, - Yi, - Zi), divide circle ; //south and north orientation respectively// for 0<= x <= 5, x= floating, D= x + IX(i-1)I, ( move circle ) ; if 1,25 <= Xi - X(i-1) <= 2.5 and Xii - X(ii-1) <= 2.5 : exit loop; else: continue;} End program «Σχήμα 12. Αλγοριθμική λογική για αυτοσκιαζόμενες μορφές γραφείων στο Λονδίνο» «Σχήμα 13. Γραφική αναπαράσταση του αλγορίθμου στην ψηφιακή πλατφόρμα Grasshopper» Για κάθε εκτέλεση του αλγορίθμου, μια νέα μορφή δημιουργείται. Γενικά, οι μορφές που προκύπτουν συμπεριφέρονται δυνητικά σύμφωνα με τα δεδομένα που τέθηκαν εξαρχής στη μορφογενετική διαδικασία, δηλαδή έχουν τη βέλτιστη δυνατή απόδοση από βιοκλιματικής άποψης. Η διαδικασία παραγωγής μορφών μπορεί να είναι ατελείωτη, όσο τρέχει ο αλγόριθμος. Το επόμενο βήμα είναι η διαλογή των μορφών που επιθυμούμε σύμφωνα με τα λεγόμενα κριτήρια καταλληλότητας, που στη συγκεκριμένη περίπτωση αφορούν τον όγκο του κτιρίου, βασικό στοιχείο της απόδοσης όπως αποδείχθηκε κατά την ανάλυση. Δηλαδή, τα μοντέλα επιλέγονται εφόσον έχουν τον ίδιο όγκο με την αρχική γεωμετρία το κτίριο GLA (σχήμα 14). Στο σχήμα 15 οχτώ μοντέλα έχουν επιλεχθεί ενδεικτικά. Οι υπόλοιπες απαιτήσεις, φυσικά, ενός ολοκληρωμένου αρχιτεκτονικού σχεδιασμού θα μπορούσαν να οδηγήσουν στην επιλογή μίας εκ των μορφών ως τη βέλτιστη λύση. Σε κάθε περίπτωση, όμως είναι εύκολα διακριτό ότι η οριζόντια επιφάνεια έχει μεγαλώσει σε σύγκριση με την αρχική γεωμετρία, σαν αποτέλεσμα των περιορισμό που τέθηκαν στον αλγόριθμο για καλύτερη ενεργειακή απόδοση. Είναι σημαντικό να αναφερθεί ότι αυτή η επιφάνεια αποτελεί αδιαφανές στοιχείο, που με την κατάλληλη επένδυση θα μπορούσε να αντισταθμίσει την υπερβολική έκθεση του.

11 «Σχήμα 14. Γραφική απεικόνιση του κτιρίου GLA στην ψηφιακή πλατφόρμα Grasshopper» «Σχήμα 15. Επιλεγμένες μορφές ίσου όγκου με την αρχική γεωμετρία (κτίριο GLA), δημιουργημένες στην ψηφιακή πλατφόρμα Grasshopper» 5. ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Η έρευνα αυτή ιχνηλατεί τη σχέση βιοκλιματικού σχεδιασμού και μορφογένεσης με ψηφιακά μέσα (παραμετρικός σχεδιασμός). Το κτίριο του δημαρχείου στο Λονδίνο επιλέχθηκε για διερεύνηση αφού αποτέλεσε το πρώτο υλοποιημένο παράδειγμα ασυνήθιστης γεωμετρίας που ο σχεδιασμός του μορφής του βασίστηκε στην βελτιστοποίηση της ενεργειακής του απόδοσης σε σύγκριση με ένα τυπικό κτίριο γραφείων. Εντούτοις, αποδείχθηκε ότι στην πράξη δεν είχε την αναμενόμενη συμπεριφορά. Λόγω, της υπερβολικής κλίσης της βόρειας πρόσοψης αλλά και της έλλειψης κατάλληλης σκίασης στην ανατολική και δυτική πλευρά του, κατέληξε να λαμβάνει 30% περισσότερο ηλιακή ακτινοβολία (εξαιρείται η οριζόντια πλευρά) από ένα τυπικό ορθογώνιο κτίριο ίσου όγκου. Στον τομέα του φωτισμού, αν και η επικλινής επιφάνεια και η υποχώρηση των ορόφων έχουν αντίκτυπο στη διείσδυση του φυσικού φωτός, η βαθιά κάτοψη παραμένει η βασική αιτία για τη χρήση τεχνητού φωτισμού. Χρησιμοποιώντας την έρευνα που έγινε στις αυτοσκιαζόμενες μορφές στο Λονδίνο (Lytra, 2010) και μετατρέποντας τα συμπεράσματα σε γεωμετρικά όρια δημιουργήθηκαν παραλλαγές της μορφής του κτιρίου αναφοράς στην ψηφιακή πλατφόρμα του Grasshopper, που δυνητικά έχουν την καλύτερη ενεργειακή απόδοση από ένα συνηθισμένο κτίριο. Μετά τη διαδικασία σχεδιασμού που ακολουθήθηκε, μια αξιολόγηση της απόδοσης θα ήταν σκόπιμη, αλλά η δυσκολία υπολογισμού αυτού του γεωμετρικού είδους σε προγράμματα θερμικής ανάλυσης παραμένει ακόμη πρόβλημα επηρεάζοντας τη σχέση βιοκλιματικού και παραμετρικού σχεδιασμού. Επίσης, οι απαιτήσεις ενός πραγματικού έργου αυξάνουν την πολυπλοκότητα της διαδικασίας, όχι μόνο ως προς τις πολλαπλές παραμέτρους που λαμβάνονται υπόψη αλλά και τα κριτήρια καταλληλότητας για τη βέλτιστη απόδοση.

12 Εν κατακλείδι, αξιοσημείωτο είναι το γεγονός ότι η περαιτέρω διαμόρφωση των παραγόμενων μορφών, όπως τα υλικά ή άλλα βιοκλιματικά κριτήρια όπως ο αερισμός επηρεάζουν το σχεδιασμό και διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στην πραγματική του απόδοση. Σε κάθε περίπτωση, σκοπός της έρευνας δεν ήταν να παράγει μια συγκεκριμένη μορφή, παρά να εισάγει μια διαδικασία που καταγράφει την ενεργειακή απόδοση ως γεννήτορα μορφών. Με άλλα λόγια, το πείραμα που διεξήχθη, μπορεί να θεωρηθεί στην πράξη ως μια διαδικασία σχεδιασμού βασισμένο στη βιοκλιματική απόδοση ξεδιπλώνοντας, έτσι, μια δυνητική σύνδεση βιοκλιματικού και παραμετρικού σχεδιασμού. Μια μεγάλη δυνατότητα αποκαλύπτεται για την αρχιτεκτονική, ανοιχτή σε περαιτέρω διερεύνηση. ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Η έρευνα αυτή βασίζεται σε δουλειά που έγινε στα πλαίσια διπλωματικής εργασίας μεταπτυχιακού προγράμματος στο Βιοκλιματικό Σχεδιασμό (MSc Sustainable Environmental Design) στο Architectural Association School στο Λονδίνο. ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ Baker, N. and K. Steemers (2002). Daylight Design of Buildings. James & James Science Publishers. BRE, GPG 245: Desktop guide to Daylighting. CIBSE (1999). LG10: Daylighting and window design. Chartered Institution of Building Services Engineers, London. Foster Catalogue Prestel. Kolarevic, B. (2003). Architecture in the Digital Age. Spon Press. Kolarevic, B. (2005). Performative Architecture. Spon Press. Lytra, V. (2010). Exploration of self-shaded forms in London Climate. PALENC 2010 notes. Oxman, R. (2004). Performance-based Design: Current Practices and Research Issues, International Journal of Architectural Computing. 1 ο τεύχος, 6 ος τόμος. Powel, K. (July, 2002). London Pride, The Architects Journal. σ Szokolay, S. (2004). Introduction to Architectural Science. Elsevier Science. Szokolay, S. (). Solar Geometry. PLEA notes. Yannas, S. (1994). Solar energy & Housing Design. 1 ος τόμος: Principles, Objectives, Guidelines. AA Publications. Ιστοσελίδες Προγράμματα ECOTECT v.5.6 GRASSHOPPER METEONORM v4 RADIANCE (2000) RHINOCEROS v4