Introdução

A complexidade das atividades da arquitetura tem se intensificado com o surgimento de novos meios de concepção possibilitados pelo desenvolvimento de tecnologias digitais incorporadas ao processo de projeto. Neste cenário, as ferramentas computacionais ampliam sua atuação para além do representar a forma e passam, também, a participar de seu processo de criação. Esta dinâmica favorece novas abordagens para a definição de geometrias através de sua relação com o material e a estrutura, contrapondo-se aos processos de projeto clássicos, nos quais o conceito formal é inicialmente concebido (Oxman, 2010).

Esta associação designou o afastamento do formalismo em direção a uma prática material, em que o projeto arquitetônico é motivado por conceitos estruturais e materiais a priori. Este contexto permitiu que a forma fosse, assim, encontrada através das relações entre o material, seu processo de estruturação e o desempenho verificado, típicas dos processos form-finding. Esta abordagem projetiva faz oposição às metodologias anteriores, nas quais a forma, idealizada através de processos aditivos, era representada por desenho (form-making).

Como processo formalizado, é recorrente atribuir as origens dos métodos form-finding aos trabalhos experimentais com modelos de correntes suspensas de Antoni Gaudí, que abordaram a geração de geometrias funiculares e aos experimentos com bolhas de sabão de Frei Otto, que propiciaram estudos de modelos de superfícies mínimas (Alic; Persson, 2016; Agirbas, 2019; Chèraud, 2020; Torreblanca-Díaz et al., 2019).

Como métodos de pesquisa analógicos, estes modelos restringiam interações no processo de projeto. Contudo, a partir da introdução gradativa de ferramentas computacionais de modelagem e de simulação de desempenho, foi possível a ampliação desta investigação formal (Ramilo; Embi, 2014). Esta inserção possibilitou, ainda, a proposição de geometrias cada vez mais complexas, tanto pela integração do processo de concepção, quanto pelas possibilidades de representação do objeto projetado.

No campo da arquitetura, os processos form-finding vertem para a investigação do projeto arquitetônico com vistas ao atendimento de critérios predeterminados de desempenho da edificação, por meio de otimização computacional e com a finalidade de gerar informações suficientes para subsidiar as tomadas de decisão (Ekici et al., 2019a). Para tanto, consistem em estratégias baseadas em regras e princípios físicos que permitem a transformação do objeto por meio da relação entre sua forma, material e estrutura. Essas regras são algoritmos formados por uma entrada, um processo de variáveis controladas e uma saída ou resultados.

A partir desta revisão foi possível observar que trabalhos anteriores se concentraram em abordagens pontuais. Hu et al. (2017) utilizaram folhas de etileno tetrafluoroetileno (ETFE) como material de construção, avaliada a partir de seu desempenho arquitetônico e comportamento estrutural. ETFE foi empregada, ainda, em pesquisa destinada à fabricação e aplicação de envelopes têxteis integrados a sistemas fotovoltaicos flexíveis (Li; Zanelli, 2021). A conceituação de uma forma de fachada adaptável foi abordada por Hosseini et al. (2019). A arquitetura computacional performativa foi foco de pesquisa que avaliou variações geométricas de edificações e métodos de otimização para análise de sustentabilidade, custo, funcionalidade e análise estrutural (Ekici et al., 2019b). Du et al. (2020) avaliaram o desempenho e a otimização da configuração de ambientes, baseado no desempenho energético otimizado, a partir de métodos de representação e variáveis de processo de projeto.

Embora não sejam o foco da revisão, processos form-finding foram abordados, ainda, como exemplo de estudos que o utilizaram na análise da forma do edifício e sistemas de sombreamento, no contexto da sustentabilidade (Li; Liu; Peng, 2020) e em investigação da adoção de tecnologias no processo de projeto (Ramilo; Embi, 2014; Wortmann; Cichocka; Waibel, 2022). Wortmann, Cichocka e Waibel (2022) conduziram uma pesquisa na qual abordaram processos form-finding nas práticas reais de otimização de projeto arquitetônico e nas experiências dos usuários. Este trabalho não se enquadra como uma revisão de literatura e foi destinado a profissionais ativos que utilizam processos de otimização na indústria e na academia.

Com uma proposta mais ampla, o objetivo desta revisão integrativa de literatura é investigar as aplicações dos processos form-finding dentro dos processos de projetos auxiliados por ferramentas computacionais, com foco em estudos de simulações de desempenho de edifícios naturalmente iluminados. Desta forma, concentramo-nos no atendimento das seguintes questões: Quais as principais abordagens do conceito form-finding, os limites deste conceito e sua aplicabilidade nos dias atuais? Quais são as metodologias de avaliação e indicadores de desempenho mais recentes? Quais são as novas perspectivas nas simulações de desempenho? Neste sentido, este estudo aborda as sínteses destes processos para definição da geometria do edifício e de suas partes constituintes e apresenta a relação entre a concepção da forma do edifício e o desempenho estrutural, térmico e luminoso obtidos a partir destas abordagens.

Método

Este trabalho foi desenvolvido a partir de uma revisão integrativa de literatura, elegendo o estado da arte. Para tanto, foi conduzido em cinco etapas, representadas na Figura 1.

A primeira etapa se orientou a partir da seguinte pergunta de pesquisa: qual a aplicabilidade de processos form-finding em simulações de desempenho térmico, luminoso e estrutural para proposição da geometria da edificação, de suas envoltórias e elementos de controle solar? Buscou também a identificação das potencialidades, limitações e abordagens metodológicas retratadas nestas análises. Foram adotadas as fontes bibliográficas ScienceDirect, biblioteca virtual Periódicos Capes, Scopus e CumInCAD, utilizando-se os termos de busca em inglês. Para Periódicos Capes, adicionou-se estes termos em português, mas não foram obtidos resultados. A pesquisa foi finalizada em janeiro de 2024, abrangendo o período de 2014 a 2023.

Na pré-seleção, as palavras-chave foram categorizadas em três grupos com base no alvo, nos critérios de trabalho e na escala de estudo (Quadro 1).

Para a busca inicial, utilizou-se o termo alvo “form-finding”, sem aplicação de filtros de pesquisa, obtendo-se 54.664 resultados, distribuídos por fontes bibliográficas (Quadro 2). A seguir, considerou-se apenas artigos de periódicos, revisados por pares, para as seguintes áreas: Scopus e ScienceDirect – Engineering e Energy e Periódicos Capes – Engenharias, Ciências Sociais Aplicadas e Multidisciplinar. Foi verificado um total de 5.456 trabalhos. Para a base CumInCAD foram elegidos todos os artigos obtidos na verificação inicial tendo em vista se tratar de uma área de conhecimento especializada e que retornou poucos resultados.

Ainda nesta etapa, os dois primeiros termos de pesquisa foram combinados para verificação do impacto de cada palavra-chave na busca. A partir dos resultados obtidos, definiu-se que apenas o termo “building” seria adotado, uma vez que os termos restritos a envoltória ou fachada restringiram significativamente os resultados da pesquisa. Posteriormente, a busca foi conduzida utilizando a estratégia “alvo AND/E critérios de trabalho AND/E escala do estudo”, contudo, houve uma redução expressiva dos trabalhos retornados. Neste contexto, optou-se pela seleção da amostra mais representativa, que considerou apenas os termos de busca “form-finding” AND “building”.

Na etapa de seleção, a identificação dos trabalhos duplicados se deu por triagem manual – no momento em que os artigos eram salvos e através do software Mendeley Reference Manager. Obteve-se 206 estudos que foram verificados com base em seus títulos e palavras-chave e depois reduzidos a partir de seus resumos. Desta análise resultaram 136 artigos que foram avaliados conforme critérios de exclusão relativos ao tipo de geometria avaliada e ao objetivo das análises. Por fim, 76 trabalhos foram lidos, dos quais 36 foram incluídos no conjunto amostral.

Resultados

Nas subseções a seguir são apontados os conceitos, as metodologias, as ferramentas e parâmetros aplicados.

Form-finding: conceitos e aplicabilidade

Os processos form-finding se baseiam na exploração de soluções para determinar uma forma construtiva originada a partir da relação entre sua geometria e suas características materiais. Historicamente, a origem deste método envolve modelos físicos em escala, como os de Frei Otto e Antoni Gaudí (Kaczynski; McGee, Pigram, 2011; Dourtme et al., 2012; Veenendaal; Block, 2012; Huang; Lewis, 2014; Yazici, 2014; Naboni, 2016; Symeonidou, 2016; Rynska et al., 2020; Van Ameijde et al., 2022) e está diretamente relacionada ao desempenho estrutural da geometria analisada. Neste contexto, os processos de projeto form-finding são aqueles por meio dos quais é determinada a geometria de estruturas de forma ativa e sistemas (Veenendaal; Block, 2012).

Adriaenssens et al. (2014b) apontam que form-finding é um método direto no qual os parâmetros são explicitamente controlados para se obter a melhor geometria de uma estrutura que está em equilíbrio estático com as cargas de projeto. A forma final não tem origem em um conceito abstrato, mas é o resultado do equilíbrio entre as forças externas e as propriedades inerentes do próprio material, para certas condições de contorno (Naboni, 2016; Symeonidou, 2016; Suzuki; Knippers, 2017; Sulpizio et al., 2020).

Form-finding vinculado ao desempenho estrutural foi verificado a partir de conceitos como “analytical form-finding” (Koohestani, 2017; Zhang et al., 2018), “structural form-finding” (Adriaenssens et al., 2014a; Veenendaal; Block, 2012; Descamps, 2014) e “numerical form-finding” (Suzuki; Knippers, 2017; Yang et al., 2018; Koohestani, 2020). Estas conceituações apontam a forma de equilíbrio estático para um sistema sob um conjunto específico de cargas como o principal objetivo do método.

Ampliando a utilização deste método para outros campos de pesquisa, Zboinska (2015), Dixit, Stefańska e Musiuk (2021), Zheng e Yuan (2021), Yan et al. (2022) e van Ameijde et al. (2022) trabalham o conceito de “architectural form-finding”, entendido como um processo de projeto baseado em movimento, em modelagem algorítmica de formas livres, com vistas ao desempenho e ao processo de projeto generativo por meio de otimização.

A noção de form-finding além do desempenho estrutural é objeto, ainda, do trabalho de Ekici et al. (2019b), no qual os autores definem o método como a investigação do projeto arquitetônico com vistas ao atendimento de critérios de

desempenho da edificação predeterminados, por meio de otimização computacional e com a finalidade de gerar informações suficientes para subsidiar as tomadas de decisão.

Como processo empírico, Gengnagel et al. (2018) apontam que:

Adriaensses et al. (2014a) trabalham o conceito de “dialectic form-finding” como extensão do processo tradicional de busca de formas estruturais, integrando restrições de sombreamento relacionadas à energia. Segundo os autores, esta abordagem permite a exploração do espaço de projeto enquanto a forma estrutural, conforto térmico e luz natural são alterados. Agkathidis (2016) apresenta o conceito de “generative form-finding” que, dentre muitas definições, pode ser entendido como método de processo de projeto em que a concepção da forma é possível a partir de regras ou algoritmos, frequentemente derivados de ferramentas computacionais. Essas regras são algoritmos formados por uma entrada, um processo de variáveis controladas e uma saída ou resultados.

Como apresentado, essa combinação de critérios foi descrita pelos autores com nomenclaturas variadas, sintetizadas na Figura 2.

Ao inserir outros critérios além dos estruturais, essas últimas abordagens expandem a noção de form-finding em direção ao processo de projeto performativo, definido por Oxman (2008) como uma abordagem caracterizada pela aplicação de simulações digitais de forças externas para impulsionar a geração das formas. Nesse sentido, ao associar desempenho com concepção formal, o desempenho configura-se como mais um parâmetro em um desenvolvimento algorítmico da arquitetura, no qual a geração da forma implica no emprego de vários critérios (Anton; Tănase, 2016).

Neste contexto, verifica-se que a incorporação de indicadores estruturais volta-se tanto para a definição da geometria, em uma fase inicial do processo, quanto para a otimização da forma já definida. No primeiro cenário, esta inserção tem por foco a avaliação do desempenho estrutural desta geometria. Nos casos de otimização, as métricas estruturais, na condição de genoma ou parâmetros, unem-se aos indicadores luminosos, térmicos, entre outros, inseridos como objetivos.

Visão geral das abordagens

Com a finalidade de entender a aplicação de processos form-finding em análises de desempenho de edifícios naturalmente iluminados, foram identificados cinco conjuntos de abordagens, como apresentado na Figura 3. Estas categorias distribuem os achados literários a partir de uma visão macro da edificação, considerando seu contexto urbano e seu impacto ambiental, até um enfoque mais específico voltado para os componentes do edifício e sistemas integrados a eles.

Busca da forma aplicada à volumetria do edifício

As abordagens adotadas pelos autores trazem, de modo geral, concepção do edifício a partir de modelagem paramétrica. As simulações são aplicadas a edifícios com múltiplos pavimentos, com volumes de geometrias euclidianas e com baixa complexidade formal.

Estudos que incorporam o contexto da edificação se concentraram em métodos de análise do acesso solar em conjuntos urbanos, com interesse na melhoria da disponibilidade da luz e ventilação naturais e radiação alcançáveis por ajustes na geometria do edifício, na orientação solar e nas configurações das aberturas. A ênfase destes trabalhos mostra a importância da forma construtiva em relação ao seu entorno, na determinação das alturas máximas e na distribuição de massa.

Para ilustrar estas estratégias, os trabalhos de Konis, Gamas e Kensek (2016) e Javanroodi, Nik e Mahdavinejad (2019), por exemplo, propuseram novas estruturas de otimização de desempenho. De Luca (2017) explorou o uso de métodos de envelope solar e isossuperfície de coleta solar para investigar as potencialidades da geometria de edificações altas em áreas densas e ambientes urbanos fragmentados. Como continuidade desta proposta, De Luca, Dogan e Sepúlveda (2021) propuseram o método de envelope solar reverso que consistiu na eliminação de células de uma matriz tridimensional, por meio da discretização do volume. Ekici et al. (2019a) trabalharam a segmentação do volume da edificação em zonas, para avaliação dos requisitos de desempenho da luz natural em cada nível de piso. O estudo desenvolvido por Szentesi-Nejur, De Luca e Nejur (2021) avaliaram a proposição da geometria relacionada à investigação de soluções de urbanização. Diferente dos trabalhos anteriores, Khidmat, Fukuda e Kustiani (2022) avaliaram formas mais complexas, utilizando processos de projeto generativo para obtenção de formas estruturais responsivas. Nestas pesquisas, a estrutura enfatizou a geometria, a forma e os aspectos arquitetônicos do edifício ou do projeto urbano. Os principais resultados obtidos relacionaram o desempenho verificado ao volume da edificação e à sua quantidade de faces, que variou conforme as características climáticas locais e indicaram a correlação direta entre o aumento da demanda de energia e o adensamento urbano.

Outras pesquisas foram conduzidas para avaliação da geometria da edificação sem a inclusão de seu contexto nos modelos simulados. Estas abordagens podem estar associadas à otimização das configurações internas (Su; Yan, 2015) ou externas dos ambientes (Zhang et al., 2023), à representação da geometria como uma extensão da análise de dados convencionais e métodos de visualização (Turrin et al., 2016) ou uso de redes neurais complexas (He et al., 2021) e à integração de processos de projeto e produção, que podem estar associados a customizações em massa como no trabalho de Bianconi, Filippucci e Buffi (2019). Melhores desempenhos foram verificados para edifícios com telhados com curvaturas expressivas. De modo geral, observou-se a redução do consumo de energia e dos custos de construção e melhoria na estabilidade estrutural.

Busca da forma aplicada a estudos que abordam emissão de gás carbono

Ainda na escala do edifício, o segundo enfoque se concentra em método que amplia a análise de desempenho, incorporando a variação das emissões de gases de efeito estufa aos diferentes parâmetros da edificação. Esta abordagem foi verificada em apenas um trabalho. Lobaccaro et al. (2018) demonstraram a adequação de um projeto paramétrico para minimizar estes efeitos em um edifício de emissão zero (Zero emissions building), cuja estratégia foi maximizar a radiação solar global através da otimização da forma da edificação. Neste cenário, a diminuição das áreas envidraçadas possibilitou que as perdas de energia e as emissões de carbono incorporadas e operacionais fossem reduzidas.

Busca da forma aplicada a componente da edificação - coberturas

Partindo para análises focadas nas partes constituintes do edifício, as investigações destinadas às coberturas, de modo geral, desenvolvem-se majoritariamente em duas etapas: manipulação da forma e controle das aberturas. Em alguns casos, somam-se a estas, avaliação das propriedades de materiais não convencionais (Ayoub; Ragheb, 2023) e processos de fabricação (Gutierrez; Wanner, 2016), sobretudo vinculados a soluções alternativas de tecnologia.

Estas abordagens estão focadas no controle da iluminância e da radiação solar e na eficiência estrutural, desenvolvidas a partir de topologia, forma e dimensionamento, com o emprego de modelos físicos e computacionais. Enquanto o primeiro fornece informações sobre a mudança de forma e uma prova de conceito, o segundo é empregado para descrever exatamente a geometria e seu comportamento estrutural. De modo geral, estes estudos contemplaram coberturas de telhados de grande extensão, com estruturas curvas e materiais mais convencionais (Emami, 2019, 2021; Emami; Giles; von Buelow, 2020). Contudo, também foram verificadas soluções direcionadas ao acesso solar de edificações em contexto urbano (Anton; Tănase, 2016), a mobiliário urbano (van Ameijde et al., 2022) e associadas a invólucros de sombreamento integrados (Adriaenssens et al., 2014a). Estas pesquisas demonstraram que o aumento da complexidade do telhado pode melhorar o seu desempenho, tanto no que se refere a critérios luminosos e térmicos, quanto estruturais.

Busca da forma aplicada a envoltórias e elementos de controle solar

As fachadas do edifício atuam como uma interface e, cada vez mais, vêm sendo pensadas de modo a responder às mudanças climáticas e às demandas dos usuários. As pesquisas com esta abordagem são, em sua maioria, direcionadas para estruturas desenvolvidas a partir de geometrias não-euclidianas e com sistemas de atuação dinâmicos. Neste contexto, Adriaenssens et al. (2014a) desenvolveram uma casca para controle da radiação solar. Flor et al. (2018) propuseram a construção de uma estrutura multicamada a partir de folhas de etileno-tetrafluoroetileno, para investigar o desempenho óptico da envoltória e seu impacto no desempenho energético do edifício em termos de aquecimento, resfriamento e iluminação. Kahramanoğlu e Alp (2023) desenvolveram um modelo de fachada baseado em princípios de origami. Em outras pesquisas, as abordagens de trabalho estão associadas à natureza e à biologia, cujos fundamentos são aplicados aos processos de projeto (Agirbas, 2019; Khosromanesh; Asefi, 2019; Hosseini et al., 2021). Estas abordagens demonstraram que os sistemas propostos são capazes de manter um alto nível de desempenho através do controle da forma, quando as condições de operação ou os requisitos funcionais (como programa arquitetônico) mudam de maneira previsível ou não. Indicaram, ainda, que as fachadas responsivas foram capazes de aproveitar ao máximo a luz natural, sem prejudicar o acesso à visão externa.

Os trabalhos de Zani et al. (2017), Khidmat et al. (2022) e Pouyanmehr et al. (2022), por sua vez, focaram na concepção e avaliação de elementos de controle solar, em investigações direcionadas ao desempenho da luz do dia e energético e no acesso da visão exterior. Avaliações de desempenho estrutural consideraram, principalmente, a espessura do material empregado. Nestas pesquisas são investigados dispositivos passivos (fixos ou ajustados manualmente) e ativos ou híbridos (sistemas biomiméticos), a partir de um fluxo de trabalho que envolve a modelagem e a simulação de desempenho, muitas vezes associadas a otimização da geometria. Em alguns casos, o método incorpora a validação do modelo ou processo propostos. Outros campos de pesquisa foram também incorporados a estes estudos, como a comprovação do desempenho de um material específico como dispositivo de sombreamento (Zani et al., 2017; Khidmat et al., 2022) e a combinação de métodos de avaliação (Pouyanmehr et al., 2022). Como resultado, estas pesquisas demonstraram a viabilidade da metodologia proposta e melhorias em termos de desempenho da luz do dia, redução das horas de ofuscamento e de demandas energéticas. Pouyanmehr et al. (2022) apontaram, ainda, que o ângulo de altitude é mais influente em fornecer um desempenho luminoso adequado do que o ângulo das lâminas do dispositivo de sombreamento e que os melhores resultados foram verificados em análises nas quais os níveis de desempenho da luz do dia coincidem com uma maior qualidade de visualização.

Busca da forma aplicada a estudos que abordam integração de sistemas de geração de energia

A integração de sistemas de geração de energia à edificação foi proposta em variações de estudos com enfoque nas coberturas e envoltórias. Estes trabalhos buscam a forma geométrica adequada visando à máxima incidência de radiação solar, a partir do equilíbrio entre as restrições da arquitetura, da estrutura e dos sistemas energéticos. Block et al. (2017) apresentaram o desenvolvimento de um edifício experimental, no qual a integração de sistemas de energia foi prevista através de energia fotovoltaica de filme fino flexível aplicado à cobertura e painéis fotovoltaicos. Como continuidade desta pesquisa, Jayathissa et al. (2018) conduziram um estudo baseado em metodologia aplicada no contexto da fachada solar adaptativa para proposição de uma envoltória fotovoltaica, a partir de sua resistência estrutural. Bomfim e Tavares (2019) exploraram a viabilidade de implementação de tecnologia de energia solar em uma fachada de edifício, buscando a forma adequada para uma fachada fotovoltaica, a partir de grades de sustentação triangulares e quadrilaterais. Zhang et al. (2023) inseriram sistemas fotovoltaicos em fachadas de arranha-céus de alto desempenho, com o propósito de ampliar o potencial de energia solar e eólica e reduzir o deslocamento estrutural. Os principais resultados demonstraram que a otimização dos painéis fotovoltaicos garantiu melhor desempenho luminoso e estrutural, apesar da redução na produção de energia.

O Quadro 3 sintetiza as abordagens empregadas nestes estudos, juntamente com os anteriormente apresentados.

Discussão

A aplicação de processos form-finding investigada nesta revisão demonstra sua transformação ao longo do tempo, partindo de uma abordagem de cunho exclusivamente estrutural até a incorporação de outros critérios de desempenho do edifício. Ao contrário de métodos tradicionais, estes processos adicionam o material e a intenção estrutural à modelagem (Maxwell et al., 2014; Xia et al., 2017), o que possibilita que as pesquisas se aprofundem na exploração e viabilidade da geometria avaliada. Esta evolução ocorre em diferentes escalas, desde o processo de projeto até as avaliações de desempenho que, majoritariamente, dão-se por meio de simulação computacional. Ainda assim, estes processos permitem um avanço dos trabalhos para além do campo estritamente experimental.

A forma arquitetônica não é mais diretamente definida pelas escolhas dos projetistas, mas o resultado é obtido em um processo dinâmico, no qual as mudanças de configurações dos dados de entrada conduzem as mudanças na geometria final. Neste contexto, identificar e sintetizar as etapas de um fluxo de trabalho pode servir como base para novas pesquisas. Como abordagem quantitativa, estes processos de projeto auxiliados por ferramentas computacionais contemplam um processo de trabalho que envolve a modelagem do objeto a ser analisado e simulação de seu desempenho, muitas vezes associadas à otimização da geometria. Em alguns casos, incorpora a validação do modelo ou processo propostos, previamente a estas avaliações.

Embora as abordagens investigadas demonstrem êxito na melhoria do desempenho verificado, ainda apresentam limitações, sobretudo relacionadas ao baixo grau de complexidade do modelo avaliado, à simplificação do fluxo de trabalho ou de dados de entrada e aos processos de validação limitados ou sua baixa aplicabilidade em contexto real.

Sistematização dos resultados

Partiu-se da sequência observada nos fluxos de trabalho destas pesquisas para apresentar a síntese dos resultados verificados para cada etapa de concepção e avaliação da geometria proposta. Esta sistematização resultou em três aspectos:

1. modelagem do edifício e simulação de desempenho;

2. validação; e

3. otimização da forma.

Modelagem do edifício e simulação de desempenho

Na condição de processos de projeto assistidos por ferramentas computacionais, a concepção dos objetos de estudo ocorreu por meio de dois diferentes métodos de modelagem: estático - a partir de ferramentas computacionais com base na concepção Computer-aided design (CAD) e abordagens numéricas, e dinâmico - Building Information Modeling (BIM) e processos algorítmico-paramétricos. Para estes estudos há predomínio desta última abordagem, com destaque para a suíte de modelagem parametricamente acoplada Rhinoceros 3D+Grasshopper, algumas vezes associados a scripts Phyton. A predominância desta plataforma de simulação também foi verificada nas práticas reais de simulação e otimização de projeto arquitetônico, como apontado por Wortmann, Cichocka e Waibel (2022). Por demandarem mais tempo para edição da geometria avaliada, abordagens estáticas foram menos representativas nesta amostra, exemplificadas pela utilização do software SketchUp, nos trabalhos de Gutiérrez e Wanner (2016) e He et al. (2021) e abordagem numérica, no trabalho de Adriaenssens et al. (2014a).

A maioria destas pesquisas se baseou somente em simulação computacional, contudo, para alguns poucos casos incorporou-se a simulação física em escala reduzida (Adriaenssens et al., 2014a; Block et al., 2017; Gutiérrez; Wanner, 2016; Khosromanesh; Asefi, 2019) e os experimentos em escala real (Javanroodi; Nik; Mahdavinejad, 2019; Khidmat et al., 2022).

A aplicabilidade dos ensaios de desempenho, para as pesquisas avaliadas, segue sintetizada no gráfico da Figura 4.

Destacam-se análises de desempenho da luz do dia (37%) e a associação destas análises ao desempenho estrutural, com 16% de ocorrências. A relação entre os objetivos de desempenho elencados e as principais métricas estabelecidas segue apresentada na Figura 5(a). Para estas métricas, a combinação entre elas e suas frequências de aplicação nos estudos revisados estão relacionadas na Figura 5(b).

Considerando os softwares de simulação térmica, luminosa e energética de modo autônomo, o Ladybug Tools, incluindo o Honeybee, é o software mais empregado; destacando-se, ainda, o uso do EnergyPlus. No contexto arquitetônico, sobressaem as ferramentas de análise estrutural disponibilizadas na suíte de modelagem anteriormente citada, a partir do emprego do plugin Kangaroo para métodos de avaliação baseados em relaxamento dinâmico e Karamba, para aqueles baseados em elementos finitos.

Quanto aos indicadores empregados nestes trabalhos predominam, sobretudo, métricas de avaliação dinâmica para análise dos valores de iluminância interna; e temperatura interna e demanda de energia para avaliação do desempenho térmico e energético, respectivamente. Análises do desempenho estrutural englobam, prioritariamente, peso estrutural, custos de fabricação e deformação

Validação

Na literatura avaliada, apenas oito pesquisas (23,5%) apresentam etapa de validação (Quadro 4). Este processo ocorre, majoritariamente, a partir da comparação entre os índices de desempenho obtidos para a edificação avaliada e os resultados extraídos de avaliações em softwares distintos; ou os resultados de simulações do próprio objeto avaliado, para diferentes contextos e parâmetros de análise. Em menor escala, validações foram realizadas a partir da comparação dos resultados de simulação da edificação em estudo e os dados reais monitorados por meio de medições de campo, tanto para amostra construída em escala real (Javanroodi; Nik; Mahdavinejad, 2019), quanto para protótipos em escala reduzida (Adriaenssens et al., 2014a; Jayathissa et al., 2018).

Otimização da forma

Processos de otimização foram conduzidos em 42% dos trabalhos avaliados, destacando-se otimizações multiobjetivo. Para estas otimizações, algoritmos evolutivos são os mais populares (Figura 6a), com maior incidência de uso do algoritmo Octopus (53,8 %) (Figura 6b). Além dos algoritmos evolutivos, o algoritmo relacionado ao aprendizado de máquina RBFMOpt foi aplicado em um estudo, assim como o NSGA-II. Junta-se ao Octopus, o algoritmo Wallacei para otimização multiobjetivo, enquanto otimizações de objetivo único foram conduzidas a partir da ferramenta Galapagos.

Sob a ótica da otimização estrutural, esta abordagem foi apresentada somente em nove trabalhos (Block et al., 2017; Jayathissa et al., 2018; Bianconi; Filippucci; Buffi, 2019; Khosromanesh; Asefi, 2019; Emami, 2019, 2021; Emami; Giles; Von Buelow, 2020; Van Ameijde et al., 2022; Khidmat; Fukuda; Kustiani, 2022), para os quais foram realizadas, majoritariamente, avaliações de otimização da forma, direcionadas a coberturas. Neste tipo de análise o objetivo é encontrar a forma ótima em um domínio variável de projeto. Otimizações topológicas, ou seja, aquelas que têm por objetivo estabelecer a distribuição ótima de material (Bendsøe; Sigmund, 2003), foram menos recorrentes no conjunto amostral, tendo sido verificadas nos trabalhos de Emami (2019, 2021) e Emami, Giles e Von Buelow (2020).

Considerando os processos de otimização, o conjunto amostral pode ser avaliado a partir de três grupos principais. O primeiro grupo representa estudos nos quais o objetivo principal foi prever o melhor conforto térmico. Estes trabalhos incluem, sobretudo, pesquisas cuja proposição da forma da edificação ocorre a partir de seu contexto urbano e artigos que exploraram formas de energia associadas à edificação e a emissões de gases de efeito estufa. O segundo grupo envolve a otimização dos parâmetros de projeto com o objetivo de maximizar a atuação da iluminação natural; exemplificado pela pesquisa que abordou a concepção da forma a partir de análises de conformação e distribuição dos ambientes. O terceiro grupo de estudos visa determinar os projetos ótimos que maximizam simultaneamente a disponibilidade da luz do dia e outros aspectos como conforto térmico, conforto visual e custos da edificação. Estes critérios foram abordados nos trabalhos que avaliaram a geometria da edificação e suas partes constituintes e nos artigos direcionados às pesquisas com envoltórias e elementos de controle solar. Os principais critérios empregados nos processos de otimização estão apresentados no Quadro 5.

Conclusão

Este trabalho apresentou uma revisão das investigações recentes sobre a concepção da geometria do edifício e de suas partes constituintes, a partir do emprego de processos form-finding, apontando metodologias, ferramentas e parâmetros de avaliação. Estas pesquisas demonstram que a aplicação de processos form-finding vai além de uma mudança de procedimentos e possibilita um novo contexto espacial e temporal para explorações da forma do edifício. As principais contribuições deste estudo seguem listadas:

1. embora o cenário da literatura avaliada tenha sido limitado, os trabalhos exemplificam uma nova relação da geometria com o material e a estrutura, contrapondo-se aos processos de projeto convencionais de análise do desempenho da edificação. A inserção de restrições estruturais às pesquisas trouxe um avanço ao permitir uma descrição mais precisa da geometria em todas as fases do processo de mudança da forma, com vistas a um processo de projeto iterativo. Além disso, possibilitou o equilíbrio entre as restrições de arquitetura e estruturas, gerando soluções viáveis em um intervalo de limites mínimo e máximo em que os parâmetros podem variar;

2. como esperado para análises de desempenho da luz do dia, os critérios mais recorrentemente utilizados na modelagem do edifício e de suas partes constituintes foram a orientação das fachadas, as dimensões da edificação e as dimensões e localizações das aberturas;

3. os trabalhos elencados apresentam, sobretudo, estudos de simulação computacional, com avaliações destinadas, em sua maioria, ao desempenho luminoso das edificações (37%), destacando-se indicadores relacionados a análises de iluminância. No conjunto amostral, apenas oito trabalhos avaliam o desempenho estrutural (26%), com foco, sobretudo, em processos de otimização da forma direcionados à concepção de coberturas do tipo casca;

4. a incorporação do desempenho estrutural ocorreu tanto para a definição da geometria, em uma fase inicial do processo, quanto para a otimização da forma já definida. No primeiro caso, caracterizou-se como um processo de trabalho mais linear. Nos casos de otimização, os indicadores estruturais na condição de genoma ou parâmetros se uniram aos indicadores luminosos, térmicos, entre outros, inseridos como objetivos;

5. abordagens que trazem, simultaneamente, avaliação quantitativa do desempenho estrutural, térmico e luminoso foram aplicadas em estudos que avaliaram coberturas e sistemas de energia fotovoltaicos e representaram apenas 7% das pesquisas. Nestes trabalhos, destacam-se como critérios de desempenho estrutural, peso e deslocamento máximo e como parâmetros para avaliação do desempenho luminoso e térmico, Autonomia da luz do dia espacial (sDA), excesso de oferta da luz do dia, energia total e custos operacionais totais; e

6. estes trabalhos refletem o predomínio de análises de edificações, ou de suas partes constituintes, cuja forma é concebida e otimizada sobretudo em ambiente de modelagem e simulação computacionais. Para tanto, sobressaem como principais softwares a suíte de modelagem parametricamente acoplada Rhinoceros 3D+Grasshopper, DesignBuilder e SketchUp para desenvolvimento da geometria avaliada. A este primeiro, soma-se Ecotect Analysis, EnergyPlus, OpenStudio e Radiance, para as simulações de desempenho luminoso e térmico. As simulações de desempenho estrutural empregaram a plataforma Rhinoceros 3D+Grasshopper, a partir dos plug-ins Kangaroo e Karamba, além de Abaqus, ANSYS Fluent, DesignBuilder e SAP2000. Destaca-se o emprego de otimização evolutiva multiobjetivo, com utilização do algoritmo Octopus.

Os artigos revisados apontam que, usualmente, as pesquisas tendem a focar em tipologias construtivas específicas, sistemas instalados ou materiais de construção. Abordagens desta natureza tendem a apresentar análises mais aprofundadas para o caso avaliado, contudo, possuem a desvantagem de não possibilitar a generalização dos resultados para um conjunto amostral maior. Uma investigação extensiva a partir de uma abordagem comparativa, com o devido controle de variáveis, seria de grande interesse, pois permitiria visualizar as melhores soluções de geometria para diferentes contextos.

Os resultados das investigações conduzidas, para todas as categorias do conjunto amostral, retrataram melhorias no desempenho verificadas com a aplicação das metodologias de trabalho propostas. Contudo, estas pesquisas ainda apresentam limitações, sobretudo, relacionadas ao baixo grau de complexidade do modelo avaliado, à simplificação do fluxo de trabalho ou dos dados de entrada, aos processos de validação pouco abrangentes e à sua baixa aplicabilidade em contexto real.

Deste modo, estas pesquisas mostram que os processos de projeto capazes de se transformar continuamente têm se destacado, cada vez mais, dos métodos estáticos dos processos convencionais, permitindo a exploração de novas geometrias a partir de seu desempenho. Contudo, considerando que, para a maioria destes estudos, a investigação tenha sido realizada apenas em ambiente de simulação computacional, conduzir um processo de projeto que aborde a aplicabilidade das soluções ótimas em contexto real é uma área para exploração de pesquisas futuras.

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