Modelling and simulating human behavior in buildings

Predicting future users’ behaviour and their activities in a building is a cardinal and highly complex task that designers have to face during the design process. Even though architects and their clients have at their disposal several computational tools which can help them to predict and evaluate many aspects of building performance such as cost, energy consumption, and structural integrity, they have no means to predict and evaluate how well the proposed design will perform from the users’ point of view. Simulative approaches are gradually overcoming this shortcoming but, at present, they are limited to the representation of specific occurrences and behavioural performance aspects -such as emergency egress and crowd behaviour- while more extensive and comprehensive representations of human behaviour in built environments, able to simulate everyday life and activities in buildings, are still missing. Capitalizing on current developments in the video game industry, this research -partially developed at the Technion Israel Institute of Technology and at Berkeley University of California- aims at establishing a new approach to human behaviour simulation in built environments, based on a clear, reliable and precise formalization of the use processes as specific structures of active entities called Events. Their role is to comprise knowledge about the building users, the activities they perform and the spaces where those specific activities are performed. Equipped with AI engines, events control and coordinate the actors’ behaviour during the simulation, providing a coherent representation of their interaction, cooperation and collaboration. The proposed model allows designers to test and evaluate the impact of their decisions on future users’ life and activities in the design process, when it is still possible to intervene to improve the quality of the final product, to solve critical issues and to reduce time and costs. To test its reliability, the model has been applied to simulate the functioning of a hospital nursing ward, both in routine and emergency circumstances.La valutazione della qualità funzionale dell’edificio e del suo impatto sulle attività dei futuri utenti è uno dei compiti più difficili che l’architetto si trova ad affrontare nel corso della pratica progettuale. Nel passato, norme, manuali e regole di buona pratica hanno parzialmente supportato le scelte funzionali dei progettisti ma, ad oggi, esse risultano sostanzialmente inadeguate in relazione all’ alto grado di unicità e dipendenza dal contesto dell’organismo edilizio ed alla complessità e dinamicità del suo processo d’uso. Le conseguenze di tali limiti sono ogni giorno davanti ai nostri occhi: una volta realizzati, spesso gli edifici non funzionano in modo ottimale, ma a quel punto intervenire diventa particolarmente difficile e oneroso. Con l’esponenziale aumento della potenza dei calcolatori e con l’introduzione di nuovi paradigmi di modellazione, alcuni approcci simulativi sono stati introdotti nella progettazione architettonica al fine di simulare virtualmente il possibile comportamento degli utenti nell’ edificio. Le loro reali applicazioni sono però limitate alla rappresentazione solo di alcuni aspetti del comportamento umano e in presenza di particolari condizioni (ad esempio la fuga in caso di in incendio), mentre una simulazione affidabile e comprensiva del fenomeno generale d’uso dell’edificio è ancora mancante. Sulla base dei recenti sviluppi nel campo della simulazione ludica, la ricerca descritta in questa dissertazione (sviluppata prevalentemente presso il Technion Israel Institute of Technology e la Berkeley University of California) mira a definire un nuovo approccio alla simulazione del comportamento degli utenti in un edificio, basato su una accurata e gestibile formalizzazione del suo processo d’uso e sulla sua simulazione virtuale attraverso l’ l’introduzione di opportune entità di modellazione definite come eventi. Il loro compito è, da un lato, quello di strutturare la conoscenza relativa alle attività previste, agli attori coinvolti e alla loro collocazione nell’edificio, e dall’altro quello di gestire e controllare i comportamenti dei singoli attori durante la simulazione, al fine di ottenere un fenomeno risultante coerente e realistico. Con lo scopo di testare la validità del modello e valutarne le reali potenzialità, sono stati sviluppati differenti esperimenti e casi studio nell’ ambito dell’edilizia ospedaliera, simulando il comportamento degli utenti in condizioni sia normali che di emergenza