An intuitive daylighting performance analysis and optimization approach

Abstract

The effective integration of daylighting considerations into the design process requires many issues to be considered simultaneously, such as daily and seasonal variations, illumination, and thermal comfort. To address the need for early integration into the design process, a new approach called Lightsolve has been developed. Its key objectives are to support the design process using a goal-oriented approach based on iterative design improvement suggestions; to provide climate-based annual metrics in a visual and synthesized format; and to relate quantitative and qualitative performance criteria using daylighting analysis data in various forms. This methodology includes the development of a time-segmentation process to represent weather and time in a condensed form, the adaptation of daylight metrics that encompass temporal and spatial considerations, and the creation of an interactive analysis interface to explore design options and design iterations. This system relies on optimization techniques to generate these suggestions. Lightsolve allows the designer to explore other design alternatives that may better fulfil the objectives and to learn about appropriate strategies to resolve daylight or sunlight penetration issues. It offers architects and building engineers support for daylighting design that can be employed interactively within the existing design process.

L'intégration des aspects relatifs à l'éclairage naturel dans un projet d'architecture exige l'étude simultanée de nombreuses questions comme ses variations quotidiennes et saisonnières ou l'équilibre entre le niveau d'éclairement et le confort thermique. Afin de répondre à la nécessité d'une intégration rapide dans le processus de conception architecturale, une nouvelle approche baptisée Lightsolve a été mise au point. Ses principaux objectifs sont les suivants: guider le processus par une approche inverse s'appuyant sur des suggestions itératives d'amélioration du projet; fournir des paramètres annuels basés sur le climat sous forme visuelle et synthétique; mettre en relation les critères de performance quantitatifs et qualitatifs en utilisant diverses formes de données d'analyse d'éclairage naturel. Cette méthodologie inclut le développement d'un processus de segmentation temporelle permettant de représenter les conditions météorologiques ainsi que la date ou l'heure sous forme condensée; elle permet également d'englober des considérations temporelles et spatiales pour l'éclairage naturel et comprend la création d'une interface d'analyse interactive pour explorer les options et les itérations du projet dans sa phase conceptuelle. Ce système repose sur des techniques d'optimisation qui génèrent des suggestions de modifications. La méthode Lightsolve permet ainsi au concepteur d'explorer d'autres alternatives pour son projet, susceptibles de mieux atteindre les objectifs visés et de s'informer sur des stratégies appropriées permettant de résoudre des problèmes d'éclairage naturel et de penetration de la lumière directe du soleil. Elle offre aux architectes et aux ingénieurs en bâtiments une aide à la conception en éclairage naturel qui peut être utilisée de manière interactive, afin de ne pas perturber le processus de conception architecturale.

Mots clés: éclairage natural, processus de conception architecturale, aide à la conception, énergie, optimisation interactive, simulation, visualisation

Keywords:

• daylighting
• design process
• design support
• energy
• interactive optimization
• simulation
• visualization

Acknowledgements

Marilyne Andersen, Siân Kleindienst, Lu Yi and Jaime Lee were supported by the Massachusetts Institute of Technology, and were provided additional support from the Boston Society of Architects (BSA) over the summer of 2007. Magali Bodart was supported by the Belgian National Scientific Research Foundation and Barbara Cutler by the Rensselaer Polytechnic Institute for their contribution to Lightsolve. The authors wish to acknowledge Julie Dorsey for her guidance and advice during the project's conceptual stage. The extensive comments from the four referees and the Editor were also very helpful in revising this paper.