Facciate adattive: alcune prospettive future

Facciate adattive: l'importanza della progettazione ambientale e parametrica

Le facciate adattive (responsive facades in Inglese) sono facciate che si adattano, spesso in tempo reale (real-time), alle condizioni ambientali esterne e regolano di conseguenza il microclima interno dell’edificio, contribuendo al miglioramento del comfort ambientale e al controllo delle prestazioni energetiche dell’organismo edilizio. Questa definizione identifica un’ampia gamma di soluzioni progettuali che possono presentare gradi di complessità anche molto diversi fra loro.

Una ricerca condotta dall’autore con la collega Katia Gasparini dell’Università di Sassari, ha indagato le effettive implicazioni di queste facciate, che hanno un elevato impatto visivo ma presentano maggiori problemi di durabilità e manutenzione rispetto ad altre soluzioni. Il lavoro è stato presentato durante la conferenza PowerSkin 2021 presso l’Università Tecnica di Monaco (TUM).

La ricerca si è focalizzata sull’uso di materiali e tecnologie e ha coinvolto circa trenta progetti di architettura.

I risultati hanno evidenziato il ruolo centrale della progettazione ambientale, che sembra comportare una maggiore semplicità dei sistemi e un ruolo sempre più centrale delle strategie ambientali passive e di alcune tecnologie emergenti.

La progettazione parametrica sta trasformando le facciate adattive, con una crescente importanza della fabbricazione digitale. Materiali e tecnologie emergenti vengono testati per comprenderne meglio l'affidabilità e le nuove facciate adattive sembrano essere prevalentemente costituite da elementi statici. Sono di seguito raccolte alcune riflessioni tecniche sulle prospettive future di queste facciate.

Definizione

La progettazione delle facciate adattive richiede un approccio multidisciplinare in quanto superfici costituite da componenti e tecnologie che solitamente provengono dall'ingegneria meccanica, elettrica o elettronica. Siamo abituati a pensare alle facciate adattive (un altro termine usato è reattive) come a sistemi complessi che combinano mutazioni temporali (rotazione, inclinazione, connessione, ecc.) lungo le 24 ore di un giorno (risposta alla luce diurna, ombreggiatura, comunicazione, ecc.).

Queste relazioni e le azioni che ne derivano definiscono le funzioni della facciata e la sua adattabilità alle diverse condizioni ambientali. Oggi, nonostante non esista una definizione coerente di adattività di facciata, consideriamo facciate adattive quelle che rilevano le condizioni ambientali esterne per poi adattare la loro forma, colore o carattere in modo reattivo.

La ricerca ha evidenziato l’ampio interesse verso questo tipo di facciate, ma anche una certa carenza di studi su affidabilità e durabilità delle loro tecnologie. La gestione e l'esecuzione della manutenzione su queste facciate è complicata e le soluzioni che solitamente vengono perseguite nei nuovi progetti prevedono la riduzione dei dispositivi meccanici a favore delle tecnologie chimiche e delle tecnologie digitali.

In generale, le tecnologie passive sono preferite rispetto a quelle attive, al fine di ridurre l'energia operativa e i costi di manutenzione.

Affidabilità

Grazie ad avanzate tecnologie chimiche ed elettroniche, è possibile modificare e stimolare le prestazioni chimico-fisiche dei materiali ed assemblarli in componenti complessi per ottenere diversi modelli di adattività. Queste innovazioni coinvolgono anche i materiali tradizionali e il loro utilizzo – con nuove formulazioni – fatto di tecnologie meccaniche, elettriche o illuminotecniche. Queste tecnologie sono ampiamente testate nei loro specifici settori di utilizzo.

Tuttavia, quanto sono affidabili questi risultati quando esse vengono applicate alla scala di un edificio?

Una facciata adattiva deve essere progettata come un sistema integrato con tutte le altre componenti architettoniche. Sappiamo bene che la maggiore sofisticazione delle soluzioni comporta cicli di vita ridotti e una maggiore necessità di controllo e manutenzione del servizio (Zennaro, 2000). Alla scala dell'edificio, questo maggiore livello di complessità ha portato alcuni ricercatori a identificare una serie di problemi nella fase operativa e di manutenzione, con un impatto finale sull'affidabilità complessiva dell'edificio. D'altra parte, queste interazioni tra l'innovazione di processo e l'utilizzo di componenti provenienti di altri settori possono essere interpretate come strumenti per sviluppare un maggiore livello di affidabilità e manutenzione programmata dell'intero sistema.

L'evoluzione tecnologica fa sì che il team di progetto diventi complesso in relazione alla complessità della costruzione stessa. Allo stesso modo, sono complesse e articolate le operazioni che devono essere programmate nel tempo per la manutenzione (o per la sostituzione di parti). Molti di questi sistemi hanno una vita relativamente breve e programmata, decisamente inferiore alle soglie storiche a cui siamo abituati per gli edifici tradizionali.

Sistemi ‘semplici’ e ‘complessi’

Lo studio ha analizzato edifici costruiti e progetti sviluppati negli ultimi 15 anni. Secondo la classificazione proposta da Matin & Eydgahi (2019), le facciate adattive sono caratterizzate da tecnologie attive e passive. Le tecnologie attive riguardano: tecnologia meccanica (M); tecnologia elettromeccanica (EM), tecnologie dell'informazione (IT).

Le tecnologie passive coinvolgono la tecnologia basata sui materiali (MB) e la tecnologia basata sugli agenti naturali (NAB). Nella nostra ricerca, i sistemi ‘complessi’ sono correlati alle tecnologie attive mentre i sistemi ‘semplici’ sono correlati alle tecnologie passive. Tutti i sistemi complessi presentano una fase di rilevamento, una fase di controllo e una fase di attuazione.

Nei sistemi meccanici la fase di rilevamento è determinata dalle esigenze dell'utente, il sistema è azionato manualmente e gli attuatori sono cavi, ingranaggi e così via. Nei sistemi elettromeccanici la fase di rilevamento coinvolge sensori, la fase di controllo è gestita da un'unità logica (computer) e gli attuatori possono essere pneumatici, idraulici, elettrici, motorizzati.

Nei sistemi informatizzati una rete di sensori e microcontrollori controlla l'intero apparato, mentre gli attuatori possono essere elettromeccanici o basati sul materiale usato. I sistemi di facciata semplici possono essere basati su materiali, cioè composti da materiali intelligenti che combinano le tre fasi (rilevamento, controllo e attuazione) in un unico dispositivo o componente. Un'altra opzione si basa su strutture autonome senza sensori o tecnologia di controllo, che agiscono in base a fenomeni naturali come umidità, vento o luce solare (sistemi ad agenti naturali).

Un esempio è l’HygroSkin-Meteorosensitive Pavilion di Achim Menges, Oliver David Krieg e Steffen Reichert. Gli altri aspetti presi in considerazione sono: l’obiettivo della facciata che può essere ambientale o mediatico (comunicazione) e gli strumenti di progettazione e fabbricazione: tradizionali o generativi. Il processo di progettazione tradizionale prevede l'uso della progettazione assistita da computer seguendo un processo basato su proposte concettuali e iterazioni sviluppate attraverso l'uso di disegni e modellazione 2D e 3D. I processi di progettazione generativa coinvolgono la progettazione parametrica e le iterazioni sono generate da algoritmi. Il processo generativo di solito comporta la successiva fabbricazione digitale, compresi l'uso di intelligenza artificiale, la stampa 3D e la robotica (industria 4.0).

Un esempio progettuale

I casi studio individuati si trovano principalmente in Europa, Asia e USA dove vengono effettuati importanti investimenti nella ricerca in questo ambito. L'orizzonte temporale effettivo dei progetti corrisponde agli ultimi 12 anni.

Secondo l'indagine condotta, l’interesse per l’adattività ambientale sembra essere prevalente. L'approccio ambientale è fondamentalmente legato al design tradizionale e alla produzione industrializzata. Tuttavia, quasi la metà dei progetti è generata attraverso progettazione parametrica. Di questi, almeno 2/3 si riferiscono a sistemi complessi e attivi. Un terzo dei progetti è realizzato con tecnologie di stampa 3D e robot, tecnologie che sembrano essere applicate sia a sistemi semplici che complessi, indifferentemente a facciate attive o passive.

I sistemi semplici con una risposta di tipo passivo sembrano più fattibili, affidabili e accettati. Tuttavia, abbiamo anche riscontrato che i casi studio ancora in fase di prototipazione sono quelli più sperimentali, dove il 60% è progettato con strumenti di progettazione parametrica. Invece, la maggior parte degli edifici già costruiti è stato progettato attraverso processi di progettazione tradizionale e realizzato utilizzando processi industrializzati.

Un esempio di applicazione di processi produttivi industrializzati è rappresentato dal progetto “Responsive facade”, progettato da Boutros Bou-Nahra (2020). Il progetto è un esempio di facciata attiva con adozione di un sistema adattivo complesso. Il tipo di progettazione è parametrico (Figura 1). La facciata è stata concepita per un controllo del clima e della luce diurna, ma ha un impatto visivo notevole anche per la configurazione mutevole della sua pelle (Figura 2).

Secondo l’architetto Boutros Bou-Nahra, l'obiettivo del progetto era massimizzare la vista verso l’esterno (superficie finestrata) riducendo al minimo il guadagno termico dovuto all’energia solare.

Questo obiettivo viene raggiunto implementando una facciata adattiva che è chiusa - per impostazione predefinita - ma che rileva il movimento nelle immediate vicinanze e si apre di conseguenza per rivelare un punto di vista (Figura 3).

Ogni pannello della facciata è azionato individualmente da un sensore e da un attuatore. In base alla distanza delle persone che passano, gli attuatori si aprono di conseguenza e consentono un effetto in facciata simile a una scia. I pannelli di facciata sono costituiti da un telaio in legno leggero avvolto in fibra di vetro polimerizzata (Figure 4 e 5).

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