An algorithmic approach for daylight performance optimization of office shading element design

Abstract

Ofis binalarında yeterli gün ışığının sağlanması, enerji tüketiminin azaltılması, kullanıcı sağlığının iyileştirilmesi ve üretkenliğin artırılması açısından önemlidir. Bu bağlamda, doktora çalışması, bina cephelerinde gölgeleyici katman tasarımı için algoritmik bir yaklaşım geliştirmeyi hedeflemektedir. Bu yaklaşımın üretiminde Rhino üzerinden geliştirilen bir senaryo ile İstanbul'da konumlanan bir ofis mekanının, tamamen şeffaf güney cephesine 20 cm mesafede, binanın dışına sabitlenmiş bir perfore alüminyum gölgeleme elemanının tasarımı ve performans değerlendirmesi üzerine odaklanmaktadır. Araştırma, geometrik yapıları Düzenli (Regular), Düzensiz (Irregular) ve Şeritli (Striped) olarak sınıflandırılan gölgeleme desenlerinin boşluklarını genetik algoritma kullanarak optimize etmektedir. Bu desenler parametrik araçlar (Rhino, Grasshopper, Ladybug, Honeybee, Wallacei) kullanılarak oluşturulmuş ve çok kriterli bir algoritma ile optimize edilmiştir. Algoritmanın tasarım sürecinde gün ışığı performansının değerlendirmesinde kullanılan üç temel kriter şunlar olarak belirlenmiştir: Mekansal Günışığı Otonomisi (sDA), Parıltı Olasılığı (DGP) ve Doğrudan Güneş Işığı Süresi (DSH). Her desen grubu için toplamda 750 varyant üretilmiştir. Algoritmanın Pareto front ile seçtiği başarılı genler, belirlenen kriterlerde gösterdikleri nicel performansa göre birbirleriyle kıyaslanmış ve her desene ait en iyi genler seçilmiştir. Sonrasında bu başarılı üç (düzenli, düzensiz ve çubuklu) desen, ofis çalışma saatlerine (08.00-17.00) göre analiz edilmiştir. sDa, DGP ve DSH kriterlerine ait senelik simülasyon çıktıları, iki farklı kullanıcı bakış noktasına göre (oturan, ayakta) ekinoks (21 Mart, 23 Eylül) ve dönence (21 Haziran, 21 Aralık) tarihlerini kapsayan, sabah (08.00), öğle (13.00), akşam (17.00) saatlerinde gösterdikleri performans, false color görselleri ve renderlar aracılığıyla incelenmiştir. Nicel değerlendirmelere ek olarak, literatür araştırması baz alınarak, nitel gölge incelemesi yapılmıştır ve potansiyel algısal etkileri de tartışılmıştır. Analizler, Düzenli Desen'in (Regular Pattern 01) hem günışığı sürekliliğini sağlama hem de parıltı ve doğrudan güneş ışığı maruziyetini dengeli biçimde kontrol etme açısından en tutarlı performansı sunduğunu göstermiştir. Düzensiz ve Çizgisel desenler ise mekansal çeşitliliği ve ritmik ışık dağılımını zenginleştirerek algısal derinliği artırmış, dolayısıyla iç mekanda farklı deneyimler yaratmıştır. Gölge analizi sonuçları, desenlerin büyük ölçüde kullanıcı pozisyonuna bağlı olarak etkili gölgeleme sağladığını; ancak özellikle öğle saatlerindeki yüksek güneş açılarında, bazı varyantların masa hizasında sınırlı koruma sunduğunu ortaya koymuştur. Bu bulgular, performans-temelli cephe tasarımı süreçlerinin yıllık metriklerin yanı sıra saatlik görsel analizlerle ve algısal değerlendirmelerle desteklenerek hem teknik verim hem de mekânsal deneyimin bütüncül olarak ele alınması gerektiğini ortaya koymaktadır. Bu çalışma, cephe tasarımına dair sayısal verilerle desteklenen ama aynı zamanda nitel değerleri de dikkate alan yeni bir algoritmik yaklaşım sunmaktadır. Elde edilen bulgular, yalnızca teknik performansı değil, aynı zamanda kullanıcı konforunu ve mekânsal niteliği gözeten bir tasarım anlayışı için yol gösterici niteliktedir.Ensuring adequate daylight in office buildings is essential for reducing energy consumption, improving user health, and enhancing productivity. In this context, the doctoral research aims to develop an algorithmic approach for the design of shading layers integrated into building façades. A scenario developed in Rhino was used to simulate this condition. The research optimizes the perforation patterns of the shading system, categorized as Regular, Irregular, and Striped, using a genetic algorithm. These patterns were generated through parametric tools (Rhino, Grasshopper, Ladybug, Honeybee, Wallacei) and optimized using a multi-objective approach. Three key daylight performance criteria were selected to guide the optimization process: Spatial Daylight Autonomy (sDA), Daylight Glare Probability (DGP), and Direct Sunlight Hours (DSH). For each pattern category, a total of 750 design variants were generated. The most successful genes, identified via Pareto front selection, were compared based on their quantitative performance across the defined metrics, and one optimal variant per pattern category was selected. These selected patterns were then evaluated to typical office working hours (08:00–17:00). Annual simulation outputs of sDA, DGP, and DSH were analyzed for two user viewpoints (seated and standing) at three times of day (08:00, 13:00, 17:00), covering both equinoxes (March 21, September 23) and solstices (June 21, December 21). The results were interpreted using false color visualizations and renderings. In addition to quantitative evaluation, a qualitative shadow analysis was conducted based on insights from the literature, and the potential perceptual impacts were also discussed. The analyses revealed that the Regular Pattern (Regular Pattern 01) demonstrated the most consistent performance in maintaining daylight continuity while minimizing glare and direct sunlight exposure. Irregular and Striped patterns, on the other hand, enhanced spatial diversity and rhythmic light distribution, contributing to greater perceptual richness and varied interior experiences. Shadow analysis showed that most patterns provided effective shading depending on user position; however, during noon hours, some variants offered limited protection at desk height under high solar angles. These findings highlight the necessity of integrating hourly visual assessments and perceptual criteria alongside annual metrics in performance-based façade design processes, in order to achieve both technical efficiency and spatial quality. This study presents a novel algorithmic approach to façade design that incorporates not only quantitative performance metrics but also qualitative and experiential aspects. The findings offer guidance for a design methodology that prioritizes user comfort and spatial quality in addition to environmental performance.