Ottimizzare le prestazioni delle facciate complesse

Dinamici, strutturali e simbolici. Sia che sfidino ambiziosamente la forza di gravità o che si sviluppino organicamente dal paesaggio circostante, gli edifici iconici spesso sono caratterizzati da facciate complesse. Progettate non solo per proteggere, queste facciate regolano anche aspetti come il comfort termico e visivo.
Specialista in questo ambito, Newtecnic progetta e studia sistemi di facciata da usare in progetti pubblici di alto profilo e lavora regolarmente con lo studio Zaha Hadid Architects, conosciuto per le sue forme architettoniche audaci e fluide. I fondatori e attuali direttori di Newtecnic, Andrew Watts e Yasmin Watts, sono noti per i loro interventi su progetti di spicco tra cui l’emblematica Federation Square (Melbourne, Australia) e, più recentemente, l’Heydar Aliyev Cultural Center in Baku, Azerbaijan (Figura 1).

Su “misura” è la prassi per Newtecnic e ogni progetto richiede riflessioni che vanno ben oltre il solo conceptual design. Gli architetti forniscono una visione artistica e, talvolta, alcune modellazioni di superfici del progetto di un edificio, poi i progettisti di Newtecnic sviluppano la facciata per strati, assicurandosi che il progetto conservi la propria creatività pur mantenendo una integrità strutturale.
“I nostri clienti vogliono soluzioni progettuali praticabili ed economiche che soddisfino gli obiettivi prestazionali richiesti, possano resistere agli effetti ambientali e siano facili da mantenere,” afferma Carmelo Galante, capo dell’ufficio di Ricerca & Sviluppo in Newtecnic. “Un aspetto chiave del nostro lavoro è quindi quello di descrivere il comportamento fisico dei sistemi di facciata che progettiamo.”
Dagli studi sull’irraggiamento solare, che consentono di ottimizzare la progettazione dell’ombreggiatura per ridurre i carichi di raffreddamento e massimizzare il comfort visivo, al modo in cui le staffe di fissaggio per il rivestimento antipioggia influiscono sull’integrità dell’isolamento, vi sono numerose sfide che possono essere risolte con l’aiuto della simulazione.

Oltre il conceptual design con la simulazione

Il software COMSOL Multiphysics® è diventato un strumento fondamentale per Newtecnic. Galante spiega: “Possiamo fare tutto con un unico software di simulazione. Io uso COMSOL per studiare l’effetto 3D dei ponti termici – il modo in cui i materiali fortemente conduttivi penetrano in un sistema di isolamento – sull’efficienza energetica globale della costruzione, per valutare la temperatura massima dei componenti  e suggerire il prodotto o il materiale più adatto. Posso valutare la pressione dei rivestimenti sulla struttura dell’edificio in fase di progettazione schematica e studiare facciate più complesse in cui la ventilazione forzata e naturale sono presenti contemporaneamente. Posso anche analizzare come differenti configurazioni del progetto influenzino la prestazione igrotermica di un sistema di facciata.”
Usando la funzionalità CAD import disponibile nel software COMSOL®, Galante spesso importa geometrie complesse, prevalentemente dai software Autodesk® AutoCAD®  e Rhinoceros®. L’uso del software Autodesk® Revit® è in continua crescita in Newtecnic e Galante ritiene il nuovo LiveLink™ for Revit®, prodotto aggiuntivo di COMSOL che consente agli utenti di interfacciare le simulazioni con l’ambiente Revit, sia una potente risorsa. Galante combina anche l’uso di COMSOL con strumenti di progettazione parametrica, come il linguaggio di programmazione grafica Grasshopper®, che è usato per costruire e analizzare geometrie complesse mediante algoritmi generativi.
Uno degli attuali progetti di Newtecnic riguarda la progettazione del sistema di facciata di un edificio privato di alto profilo che include una serie di lastre (shell) autoportanti in calcestruzzo che vanno dai 10 agli 80 metri di lunghezza e possono raggiungere fino ai 30 metri di altezza (Figura 2).

Le strutture in calcestruzzo sono rivestite con un sistema di facciata antipioggia realizzato con pannelli in ceramica con doppia curvatura, per riprodurre accuratamente la geometria dell’edificio. Ogni pannello è supportato agli angoli da staffe di fissaggio regolabili in acciaio inossidabile. Questi supporti sono fissati alla struttura in calcestruzzo mediante quattro ancoraggi forati in fase di montaggio, come viene mostrato nella Figura 3.

Poiché le staffe penetrano lo strato isolante e hanno una conducibilità termica molto superiore rispetto alla struttura in calcestruzzo, si creano ponti termici attraverso lo spessore della facciata, che riducono significativamente la sua prestazione termica. Eseguendo uno studio 2D semplificato in COMSOL, Galante ha studiato come l’effetto del ponte termico creato dalle staffe influenzasse la distribuzione della temperatura in facciata (Figura 4).

I risultati della simulazione sono stati implementati in uno script di Grasshopper® per esaminare tre aree di interesse: quelle influenzate da una staffa, quelle influenzate da due o più staffe e quelle non influenzate per nulla (queste aree sono mostrate nella Figura 5)

Galante è stato quindi in grado di preparare un’accurata geometria per il sistema, includendo tutti i componenti della costruzione. “Poter combinare due strumenti è un vero vantaggio,” afferma Galante. “Grasshopper® mi permette di studiare la geometria su una scala molto grande — quella dell’intero edificio — poi riporto in COMSOL queste informazioni e creo un modello 3D molto dettagliato per individuare le fisiche realmente coinvolte nel sistema.” Usando questo approccio, Galante ha potuto condurre un’analisi 3D per studiare l’effetto del ponte termico sulla staffa e sull’edificio circostante (Figura 6) e calcolare il coefficiente globale del trasferimento di calore (coefficiente U) per la facciata.

“La simulazione multifisica mi permette di sviluppare una migliore comprensione della situazione reale,” spiega Galante. “Posso combinare la fluidodinamica con il trasferimento di calore per conduzione, convezione e irraggiamento. Ciò significa che posso esaminare scrupolosamente l’interazione reciproca di diversi effetti fisici e verificare le prestazioni di strutture e materiali diversi.

Adattarsi alle modifiche progettuali

Gli ingegneri di Newtecnic devono rispondere a progetti in continuo mutamento ed essere in grado di convalidare qualsiasi aggiornamento apportato al progetto. “La simulazione ci consente di farlo,” osserva Galante. “Possiamo dimostrare esattamente quale effetto avrà una modifica progettuale, indipendentemente dal fatto che si riferisca, per esempio, all’efficienza energetica, alla performance strutturale, alla corrosione oppure al ciclo di vita di un componente.”
Per il direttore di Newtecnic, Andrew Watts, si tratta di rispondere a domande quali: “Vale la pena cambiare questo per far funzionare qualcos’altro?” oppure “Se dobbiamo cambiarlo, quanto dobbiamo farlo?” Egli commenta: “Con la simulazione, possiamo allontanarci dalla tradizionale concezione dell’edificio, che consiste nello studiare componenti individuali che esercitano solo una fuzione, e invece pensare in termini di componenti multifunzionali e di edificio nel suo complesso.”
La simulazione viene usata per condurre analisi su qualsiasi componente di un edificio e questi risultati sono perfettamente integrati con i disegni, così che le stime di budget sono chiare e complete. Fabio Micoli, Direttore Associato in Newtecnic, evidenzia l’importanza di far avere ai clienti un riscontro in tempo reale.  
“La simulazione riduce al minimo i costi di realizzazione permettendo ai contractor di vedere ciò che viene loro richiesto di costruire, riducendo in questo modo la necessità di extra-budget d’emergenza o di ulteriore tempo per fronteggiare problemi progettuali irrisolti e consentendo alla squadra di costruttori di concentrarsi sul rispetto delle scadenze del progetto.”

Progressi continui

“Gli strumenti digitali che usiamo, come i software di simulazione, ci permettono di esplorare nuove possibilità e di migliorare i nostri processi progettuali,” spiega Galante. Lui e i suoi colleghi percepiscono concretamente il potenziale per un ampliamento dell’uso della simulazione in Newtecnic, anche grazie al nuovo Application Builder, incluso in COMSOL Multiphysics®. Come nota Micoli, “Potremmo, per esempio, migliorare la comunicazione con i clienti creando una app che consente a un architetto di modificare diversi parametri e di vedere esattamente come questi cambiamenti influenzerebbero il suo progetto senza conoscere i dettagli della simulazione multifisica che  vi sta alla base.”
In conclusione, grazie alla simulazione Newtecnic può offrire ai suoi clienti una comprensione delle prestazioni di un edificio migliore di quanto sia lo sia mai stata prima, assicurando che un progetto architettonico innovativo si presenti al meglio.

Tratto da «Comsol News 2015», per gentile concessione.
Autodesk, il logo di Autodesk, AutoCAD e Revit sono marchi depositati o marchi commerciali di Autodesk Inc. e/o delle sue consociate e/o affiliate negli USA e/o negli altri paesi. Grasshopper e Rhinoceros sono marchi registrati di Robert McNeel & Associates.

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