Residential outdoor spaces and thermal stress : courtyard design approach to thermally enhance outdoor spaces in single-family houses in the desert climate of Riyadh

Abstract

(English) The typological shift of single-family houses in Riyadh during the 20th century has negatively impacted the inhabitants. The shift from attached houses with courtyards to detached houses with setbacks created houses with poor outdoor spaces that are unsuitable for the desert climate and a lack of visual privacy between neighbors. The impact expanded further after the nationalization of this typology with municipal regulations to other cities without considering regional architecture or climate differences. Therefore, the main objective of this thesis is to revise the related municipal regulation of the mandatory 2 m setback on houses and urge adopting attached houses with multiple courtyards as a proven typology with more advantages. The thesis aims to emphasize the significant improvements to the single-family houses in Riyadh from adopting attached houses with multiple courtyard outdoor spaces as an alternate typology that is more satisfactory in house space planning, spaces visual privacy, and exterior thermal performance. The underlying objective of the thesis is to create continuity in Saudi architecture by reviving outdoor courtyard spaces and attaching house concepts from traditional regional architecture into the contemporary urban fabric of Riyadh, and influencing the revival of other regional architectural principles. The thesis aims to evaluate the impact of climate categories on the courtyard’s thermal performance. The thesis’s contribution expands the current knowledge with insights on the performances of outdoor spaces in the desert and temperate climates, focusing on thermal comfort, direct sun, and incident radiation in residential architecture. The thesis’s contribution also expands the current practice by promoting assessment methods for municipal regulation using algorithmic-aided simulations. The hypothesis asserts that courtyard and multiple courtyard typologies in single-family houses in Riyadh improve outdoor thermal comfort experienced by inhabitants and reduce exterior thermal stress on buildings. Riyadh was selected as the primary context in this thesis for its influence on the typological shift and its recent prominent growth in many aspects as the capital and largest city. Therefore, the historical context of Riyadh with the traditional regional Najd architecture was approached in exploring practical solutions to contemporary single-family houses and Saudi architecture progression. The methods utilized in the thesis include a literature review of related works, personal communication, field data collection for existing cases, creation of designed cases, performing environmental analysis using algorithmic-aided simulations, and comparing the analysis results through multiple correlations. The existing cases were selected as courtyards with different layouts and locations to help understand the climate impact on the space. Findings of thermal comfort analysis in the existing courtyard cases in Riyadh and Barcelona conveyed a more substantial impact of the climate over the courtyard characteristic. For testing the hypotheses, the designed cases were created as a setback, courtyard, and multiple courtyard houses in contemporary Riyadh’s urban block. Findings of thermal comfort, direct sun, and incident radiation analyses in the designed cases proved more satisfactory thermal performance for the multiple courtyard typology, then the single central courtyard, and finally, the detached setback typology. Finally, the attached houses with multiple courtyards typology is more promising as a new concept over the others for single-family houses in Riyadh. Furthermore, the typology provides more flexibility in space planning than a single courtyard and ensures privacy between neighbors and within the house zones.

(Català) El canvi tipològic de les cases unifamiliars a Riad durant el segle 20 ha impactat negativament als habitants. El canvi de cases adossades amb patis a cases unifamiliars separades va crear cases amb espais exteriors deficients que no són adequades per al clima desèrtic i la manca de privadesa visual entre veïns. L'impacte es va incrementar encara més després de la nacionalització d'aquesta tipologia amb regulacions municipals en altres ciutats sense considerar l'arquitectura regional o les diferències climàtiques. Per tant, l'objectiu principal d’aquesta tesi és revisar la normativa municipal relacionada amb la separació obligatòria de 2 m als habitatges i instar a adoptar habitatges adossats amb patis com a tipologia demostrada amb més avantatges. La tesi té com a objectiu emfatitzar les millores significatives a les cases unifamiliars a Riad al adoptar cases adossades amb patis a l'aire lliure com una tipologia alternativa que és més satisfactòria en la planificació de l'espai de la casa, la privadesa visual dels espais i el rendiment tèrmic exterior. L'objectiu subjacent de la tesi és crear continuïtat a l'arquitectura saudita al reviure els espais dels patis a l'aire lliure i unir conceptes de cases de l'arquitectura regional tradicional al teixit urbà contemporani de Riad, i influir en el renaixement d'altres principis arquitectònics regionals. La tesi té com a objectiu avaluar l'impacte de les categories climàtiques a la funció tèrmica del pati. La contribució de la tesi amplia el coneixement actual amb coneixements sobre la funció dels espais exteriors en climes desèrtics i temperats, centrant-se en el confort tèrmic, el sol directe i la radiació incident a l'arquitectura residencial. La contribució de la tesi també amplia la pràctica actual en promoure mètodes d'avaluació de la regulació municipal utilitzant simulacions assistides per algoritmes. La hipòtesi afirma que les tipologies de pati i pati múltiple a cases unifamiliars a Riad milloren el confort tèrmic exterior experimentat pels habitants i redueixen l'estrès tèrmic exterior als edificis. Riad va ser escollida en aquesta tesi per la seva influència en el canvi tipològic i el seu destacat creixement en molts aspectes com a capital de país i gran ciutat. Per tant, es va abordar el context històric de Riad amb l'arquitectura tradicional regional de Najd per explorar solucions pràctiques als habitatges unifamiliars contemporanis i la progressió de l'arquitectura saudita. Els mètodes utilitzats a la tesi inclouen una revisió bibliogràfica de treballs relacionats, comunicació personal, recopilació de dades de camp en casos existents, creació de casos dissenyats, realització d'anàlisis mediambientals mitjançant simulacions assistides per algorismes i comparació dels resultats de l'anàlisi mitjançant correlacions múltiples. Els casos existents es van seleccionar com a patis amb diferents disposicions i ubicacions per ajudar a comprendre l'impacte climàtic a l'espai. Els resultats de l'anàlisi del confort tèrmic en els casos de patis existents a Riad i Barcelona van transmetre un impacte més substancial del clima sobre la característica del pati. Per provar les hipòtesis, els casos dissenyats es van crear com a cases separades, amb pati i amb pati múltiple a la illa urbana contemporània de Riad. Els resultats dels anàlisis del confort tèrmic, el sol directe i la radiació incident en els casos dissenyats van demostrar un rendiment tèrmic més satisfactori per a la tipologia de pati múltiple, després per al pati central únic i, finalment, per a la tipologia de separació independent. La hipòtesi és correcta, però els resultats difereixen al nivell de millora. La tipologia de cases adossades amb múltiples patis és més convenient com a nou concepte que les altres per a les cases unifamiliars de Riad. A més, la tipologia proporciona més flexibilitat en la planificació de l'espai que un sol pati i garanteix la privadesa entre veïns i dins de les zones de la casa.