Ferramenta acoplada ao BIM para a melhoria da eficiência energética e qualidade do ambiente interior na renovação de edifícios

Enquadramento

O uso eficiente de energia no ambiente construído constitui uma questão importante para um futuro sustentável. O parque edificado consome cerca de 30% da energia global, sendo o aquecimento e arrefecimento responsável por um terço (60% em clima frio). A reabilitação de edifícios pode desempenhar um papel importante na redução desse consumo. Por este motivo, tem surgido um grande interesse na correta análise dos edifícios e no desenvolvimento de ferramentas dedicadas à reabilitação.

Existem várias ferramentas computacionais de otimização para a reabilitação dos edifícios. No entanto, estas apresentam como objetivo determinar a melhor combinação de algumas variáveis de decisão do Sistema Construtivo (SC) e dos Sistemas de Energia (SE - iluminação, água quente, energias renováveis e aquecimento, ventilação e ar condicionado), omitindo, contudo, o processo de desenho da tomada de decisão. Assim, as ferramentas disponíveis têm uma aplicação limitada em cenários de casos reais, onde uma renovação do edifício pode resultar em profundas adaptações ao acomodar novas funções de ocupação, situação propícia a uma possível inclusão de medidas ao nível do desenho com impacto no desempenho do edifício.

O Projeto

Este projeto de investigação tem como objetivo desenvolver uma ferramenta alargada, que englobe o levantamento do edificado, geração de desenho, otimização da geometria e dos SE e de SC, numa aplicação add-on a ser usada numa ferramenta BIM (Building Information Modeling). Um procedimento interativo de otimização será desenvolvido para auxiliar o arquiteto na procura soluções alternativas de renovação do edifício que tenham como objetivo minimizar o consumo de energia e maximizar a qualidade do ambiente interior de uma forma economicamente viável. A ferramenta será testada no contexto da prática de projeto, de forma a ter feedback do mundo real no curso do seu desenvolvimento. Os resultados serão redigidos num guia da ferramenta e disseminados através de um seminário técnico sobre esta temática.

Esta abordagem inovadora e original nunca foi desenvolvida no campo da investigação em reabilitação de edifícios. Nela pretende-se criar uma ferramenta que auxilie o projetista a encontrar a melhor estratégia de projeto de acordo com objetivos concorrentes. Três algoritmos chave serão desenvolvidos, baseados em trabalhos anteriores da equipa de investigação. O primeiro algoritmo é capaz de gerar desenhos alternativos de plantas de edifícios de acordo com as mesmas preferências e requisitos do utilizador. Trata-se de uma estratégia evolutiva híbrida reforçada por uma técnica de pesquisa local. Este algoritmo combina diversos requisitos que estavam de outra forma dispersos em diferentes abordagens à organização espacial. Tem sido testado em vários programas funcionais multi-piso de diferente complexidade com resultados promissores. O segundo algoritmo explora o potencial de melhoria do desempenho térmico das plantas geradas, mudando sequencialmente variáveis geométricas, tais como a orientação, a dimensão e posição dos vãos e palas de sombreamento, a posição das paredes, etc. O terceiro algoritmo a ser desenvolvido tem como objetivo encontrar a melhor estratégia de renovação, considerando aspetos técnicos e económicos da incorporação de medidas relativas aos SC e SE. Os algoritmos a ser desenvolvidos devem ser capazes de incorporar requisitos específicos da renovação de edifícios.

Para além destes, dois outros algoritmos serão desenvolvidos para alargar e melhorar a eficácia da utilização da ferramenta. O primeiro algoritmo é uma Rede Neuronal Artificial (RNA) treinada para a avaliação do desempenho do edifício. Será usado durante os processos de otimização dos algoritmos chave, como alternativa à simulação dinâmica, que exige um longo período de execução e cálculo. No entanto, a simulação dinâmica será usada para obter relatórios detalhados e treino online da RNA. O segundo algoritmo procurará facilitar o processo de avaliação do edifício. Um algoritmo 3D de nuvem de pontos com uma função objetiva logarítmica proporcional será usado para capturar e gerar automaticamente a geometria do edifício existente.

Estes cinco algoritmos serão implementados numa interface gráfica add-on em BIM e fazendo desta forma parte de um instrumento de desenho dos projetistas. Uma vez que a usabilidade e acessibilidade da ferramenta são uma questão importante para público-alvo, serão realizados testes ergonómicos para melhorar as interações homem-interface. Esta informação é reportada ao desenvolvimento da ferramenta. Finalmente, esta será testada em diferentes cenários reais de renovação de edifícios.

A Equipa de Projeto

Trata-se de uma co-promoção entre a Associação para o Desenvolvimento da Aerodinâmica Industrial, o INESC Coimbra e a Faculdade de Arquitetura da Universidade de Lisboa. A equipa é composta por especialistas com diferentes formações científicas em edifícios, tais como em desenho generativo, reabilitação de edifícios, eficiência energética de edifícios, otimização aplicada, levantamento de edificado construído, e em ergonomia nas interações humano-interface. Além disso, a equipa tem o contributo de três consultores internacionais de renome, que cobrem questões específicas da implementação da ferramenta na área da simulação de desempenho de edifícios e operabilidade BIM.

Apoio

O projeto conta com o apoio do COMPETE 2020 no âmbito do Sistema de Apoio à Investigação Cientifica e Tecnológica, envolvendo um investimento elegível FEDER de 184 mil euros o que resultou num incentivo FEDER de cerca de 138 mil euros.