Cities occupy 2% of the earth's surface, and yet consume 75% of the world's resources. As a major contributor to rapidly growing global energy expenditures, urban buildings are often designed and operated inefficiently despite their significant contributions to carbon emissions, triggering environmental deterioration locally and worldwide. Moreover, ongoing industrialization and urbanization pose challenges for achieving a more sustained and resilient built environment. The goal of this PhD research is to advance our understanding of urban building networks' thermal-energy dynamics in order to achieve sustainable energy conservation in the built environment. Considering buildings as networks rather than as stand-alone entities highlights the inextricably linked and interwoven relationship between urban micro-climates and buildings. With this approach, I strive to explore, mitigate, and optimize the mutual influences of the Inter-Building Effect (IBE) in dense urban settings through numerical and empirical analyses. My research also draws inspiration for investigating solutions to complex engineering problems from nature, as I seek to understand synergies between building and biological systems to discover innovative connections and integrate biology to transform buildings through sustainable building network designs. This dissertation contains three interdependent projects to explore, mitigate and optimize the IBE, respectively. I first developed a systematic approach to separately assess the complex interactions that constitute the IBE in dense urban settings and conducted cross-regional analyses in a dynamic simulation environment. Having disaggregated, quantified and understood the effects of mutual shading and mutual reflection within a network of buildings, I then, in the second project, examined different measures to mitigate the negative IBE impact under certain circumstances (e.g. directional reflective optical properties of building facades and thermal storage technologies). These two projects extended prior work that examined the potential for a biological system retroreflective surface to reduce IBE in urban building networks. Therefore, in my third project, I introduced a broad framework that draws parallels between natural and built environment systems through a levels-of-organization perspective leading to the search for an optimal status of the IBE. Inspired from a self-regulating phenomenon of plant density, I presented and discussed an approach to determine optimal urban building network density as an example for how this framework can support cross-level assessment. The findings expand and deepen our understanding of the IBE and provide insights on the strategies to mitigate the negative mutual impact within dense urban building networks. This research contributes a unique and holistic perspective on the interdependencies in the urban building network system. To design density-optimal building networks will become increasingly important to sustainable urban development and smart growth as clusters of dense urban settings continue to grow due to rapid urbanization and population migration in the next few decades. / Ph. D.

O presente trabalho investiga possibilidades quanto à utilização de dados desagregados, especificamente do Cadastro Nacional de Endereços para Fins Estatísticos (CNEFE) do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), em modelos e análises urbanas. A divulgação do CNEFE representa uma mudança no quadro histórico de escassez de dados a respeito do uso do solo urbano no Brasil. Nesse novo contexto em que a aquisição deste tipo de informação – sem perder de vista suas contingências – deixa de ser uma debilidade em estudos a respeito das cidades brasileiras, apresenta-se nesta dissertação quatro métodos de modelagem e análise sob a perspectiva dos sistemas configuracionais urbanos que lançam mão do CNEFE enquanto insumo. Ao longo de três capítulos com características de artigos, explora-se primeiro a construção de modelos descritivos a partir dos dados; em seguida, busca-se como avaliar a nitidez com que os dois modelos produzidos descrevem o sistema urbano representado; e, por último, discute-se como confrontar os resultados da análise da acessibilidade do sistema urbano com os dados do modelo. Como estudo de caso, utilizou-se a cidade de Ijuí, RS. / This work investigates possibilities regarding the use of disaggregated data, specifically from the National Addressing Record for Statistical Purposes (CNEFE) of the Brazilian Institute of Geography and Statistics (IBGE) in urban modelling and analysis. The release of CNEFE represents a change in the historic scenario of land use data shortage in Brazil. Within this new context, in which the acquisition of this kind of information is no longer a weakness for research on Brazilian cities, this dissertation presents four methods for the construction of urban models and analyses under the perspective of urban configurational systems. Along three paper-like chapters, we first explore the construction of descriptive models with the mentioned data; then, we evaluate how sharply the produced models can describe the represented system; and, at last, we discuss how to confront the results of the accessibility analysis with the data. As a case study, we used the city of Ijuí, in Southern Brazil.

O problema abordado nesta pesquisa consiste na distribuição de água em redes urbanas para o atendimento de demandas conhecidas, com o objetivo de minimizar o custo da energia elétrica necessária para o funcionamento de bombas hidráulicas. As bombas hidráulicas são utilizadas para captar água de poços artesianos ou estações de tratamento de água para abastecer reservatários distribuídos por bairros de uma cidade, de onde a população será atendida por força gravitacional. Como o custo da energia elétrica varia ao longo do dia, se faz necessário um planejamento do funcionamento das bombas para que não sejam ligadas nos horários em que a energia elétrica é mais cara. O problema de planejamento de estoque de água em reservatórios (PPEAR) consiste em decidir em quais períodos ou frações dos períodos do horizonte de planejamento as bombas hidráulicas que abastecem os reservatórios devem permanecer ligadas e em quais períodos ou frações dos períodos deve haver transporte de água entre os reservatórios para que a demanda de cada reservatório seja atendida em cada período e sejam respeitados os níveis mínimos e máximos de água nos reservatórios. Uma solução heurística para resolver o PPEAR é proposta e analisada por comparação com as soluções obtidas pelo método de enumeração implícita. Resultados computacionais comprovam a eficiência da abordagem, tanto pela qualidade das soluções como pelo baixo tempo de resposta / The problem focused in this study consists of reducing the eletrical energy cost necessary to the operation of hydraulic pumps. The hydraulic pumps are used to catch water from artesians wells or Water Treatment Station to supply tanks which are located in districts in a city, from which the population will be supplied by gravitational force. As the cost of electrical energy varies along the day, a schedule of the pumps run is necessary to avoid that they are not turned in the periods when the energy cost is more expensive. The problem of water stock schedule in tanks (WSST) consists of deciding in which periods or parts of them of the horizon planning the hydraulic pumps have to put on, and in which periods or parts of them should transfer water among the tanks so that the demand of each tank is met for each period and lower and upper limits of water shouldn\'t be violated. A heuristic solution is proposed and analyzed by comparing its solutions with the solutions obtained by the branch and bound method. Computational experiments show the efficiency of the heuristic

As cidades vêm passando por significativas transformações, nas últimas décadas, em seus padrões de urbanização, sendo a dispersão urbana característica marcante deste processo. Surgem novas configurações, dispersas, descontínuas e de baixa densidade, distintas da tradicional cidade compacta, com evidentes implicações no desempenho urbano, embora ainda não totalmente conhecidas e estudadas. Entender os efeitos, principalmente aqueles não desejados, de certos padrões de ocupação urbana representa, hoje, grande desafio para o planejamento das cidades, sendo urgente aumentar sua compreensão a fim de melhor direcionar políticas urbanas. Diante desse cenário, desponta a necessidade de reforço na qualidade das metodologias de análise e monitoramento da expansão urbana, principalmente por meio de indicadores. Recentes estudos vêm sendo desenvolvidos no intuito de quantificar aspectos relacionados à dispersão urbana, consistindo em importantes avanços no sentido de tratar o tema com maior precisão. Apresentam, no entanto, certas limitações metodológicas, principalmente no que tange à representação de certos aspectos do sistema espacial urbano, tais como configuração da rede de ruas e distribuição das atividades. Em outras palavras, boa parte dos estudos existentes não tem levado em conta a escala intra-urbana. A presente investigação se propôs a contribuir para o desenvolvimento de metodologias para avaliação da dispersão, aprofundando questões espaciais e configuracionais relacionadas ao tema, pouco exploradas até o momento. Para tanto, buscou referências na investigação sobre indicadores urbanos, especialmente nos trabalhos que vem sendo desenvolvido pelo grupo de pesquisa Sistemas Configuracionais Urbanos da UFRGS. Dessa forma, procurou-se avançar na questão da mensuração da dispersão urbana através da introdução de sistema descritivo detalhado e indicadores sistêmicos para medir acessibilidade entre locais de residência e locais de trabalho, item chave do desempenho urbano. Os indicadores foram testados em pequenos sistemas teóricos e para o caso empírico do município de Torres. Os resultados demonstraram que o método possui potencial para utilização em estudos comparativos sobre desempenho urbano de padrões dispersos, sendo esta a principal contribuição do trabalho. / Cities have undergoing through meaningful changes in their urban development patterns, in last decades. Urban sprawl can be seen as an outstanding characteristic of this process. New urban settings can be found – scattered, discontinuous and low density – different from the compact city, with obvious implications on urban performance, although not completely understood. More detailed research on this subject is needed to enable more accurate assessments about effects of sprawl on urban environment. Knowing effects, mainly undesirable effects, of certain urban patterns is, nowadays, one of major challenges to urban planning, being urgent more understanding about it in order to better address urban policies. So, there is the urgent need of strengthening the quality of analysis methodologies and monitoring of urban development, especially by means of indicators. Recent efforts have been made in order to develop methodologies for measuring sprawl, which have enabled more accurate assessments about the subject. However, they present some limitations, especially about the way certain aspects of urban systems has been described, such as configuration of streets and spatial distribution of urban activities. In other words, most of current methodologies for measuring sprawl do not consider intra urban level. The current research aimed to contribute to development of methodologies for assessment of urban sprawl, deepening spatial and configuration issues, little explored by urban sprawl researchers. The proposal consisted of using urban indicators of urban performance, especially those developed by Configurational Urban Systems research group from UFRGS. A more detailed descriptive method and systemic indicators were used in order to grasp accessibility between dwelling and job location, a key element of urban performance evaluation. The indicators were applied to small theoretical systems and also to the town of Torres case study. The results indicates that the proposed method has potential for being used in comparative studies about urban sprawl and its urban performance, and that is the main contribution of this research.

O presente trabalho investiga possibilidades quanto à utilização de dados desagregados, especificamente do Cadastro Nacional de Endereços para Fins Estatísticos (CNEFE) do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), em modelos e análises urbanas. A divulgação do CNEFE representa uma mudança no quadro histórico de escassez de dados a respeito do uso do solo urbano no Brasil. Nesse novo contexto em que a aquisição deste tipo de informação – sem perder de vista suas contingências – deixa de ser uma debilidade em estudos a respeito das cidades brasileiras, apresenta-se nesta dissertação quatro métodos de modelagem e análise sob a perspectiva dos sistemas configuracionais urbanos que lançam mão do CNEFE enquanto insumo. Ao longo de três capítulos com características de artigos, explora-se primeiro a construção de modelos descritivos a partir dos dados; em seguida, busca-se como avaliar a nitidez com que os dois modelos produzidos descrevem o sistema urbano representado; e, por último, discute-se como confrontar os resultados da análise da acessibilidade do sistema urbano com os dados do modelo. Como estudo de caso, utilizou-se a cidade de Ijuí, RS. / This work investigates possibilities regarding the use of disaggregated data, specifically from the National Addressing Record for Statistical Purposes (CNEFE) of the Brazilian Institute of Geography and Statistics (IBGE) in urban modelling and analysis. The release of CNEFE represents a change in the historic scenario of land use data shortage in Brazil. Within this new context, in which the acquisition of this kind of information is no longer a weakness for research on Brazilian cities, this dissertation presents four methods for the construction of urban models and analyses under the perspective of urban configurational systems. Along three paper-like chapters, we first explore the construction of descriptive models with the mentioned data; then, we evaluate how sharply the produced models can describe the represented system; and, at last, we discuss how to confront the results of the accessibility analysis with the data. As a case study, we used the city of Ijuí, in Southern Brazil.

O presente trabalho investiga possibilidades quanto à utilização de dados desagregados, especificamente do Cadastro Nacional de Endereços para Fins Estatísticos (CNEFE) do Instituto Brasileiro de Geografia e Estatística (IBGE), em modelos e análises urbanas. A divulgação do CNEFE representa uma mudança no quadro histórico de escassez de dados a respeito do uso do solo urbano no Brasil. Nesse novo contexto em que a aquisição deste tipo de informação – sem perder de vista suas contingências – deixa de ser uma debilidade em estudos a respeito das cidades brasileiras, apresenta-se nesta dissertação quatro métodos de modelagem e análise sob a perspectiva dos sistemas configuracionais urbanos que lançam mão do CNEFE enquanto insumo. Ao longo de três capítulos com características de artigos, explora-se primeiro a construção de modelos descritivos a partir dos dados; em seguida, busca-se como avaliar a nitidez com que os dois modelos produzidos descrevem o sistema urbano representado; e, por último, discute-se como confrontar os resultados da análise da acessibilidade do sistema urbano com os dados do modelo. Como estudo de caso, utilizou-se a cidade de Ijuí, RS. / This work investigates possibilities regarding the use of disaggregated data, specifically from the National Addressing Record for Statistical Purposes (CNEFE) of the Brazilian Institute of Geography and Statistics (IBGE) in urban modelling and analysis. The release of CNEFE represents a change in the historic scenario of land use data shortage in Brazil. Within this new context, in which the acquisition of this kind of information is no longer a weakness for research on Brazilian cities, this dissertation presents four methods for the construction of urban models and analyses under the perspective of urban configurational systems. Along three paper-like chapters, we first explore the construction of descriptive models with the mentioned data; then, we evaluate how sharply the produced models can describe the represented system; and, at last, we discuss how to confront the results of the accessibility analysis with the data. As a case study, we used the city of Ijuí, in Southern Brazil.

As cidades vêm passando por significativas transformações, nas últimas décadas, em seus padrões de urbanização, sendo a dispersão urbana característica marcante deste processo. Surgem novas configurações, dispersas, descontínuas e de baixa densidade, distintas da tradicional cidade compacta, com evidentes implicações no desempenho urbano, embora ainda não totalmente conhecidas e estudadas. Entender os efeitos, principalmente aqueles não desejados, de certos padrões de ocupação urbana representa, hoje, grande desafio para o planejamento das cidades, sendo urgente aumentar sua compreensão a fim de melhor direcionar políticas urbanas. Diante desse cenário, desponta a necessidade de reforço na qualidade das metodologias de análise e monitoramento da expansão urbana, principalmente por meio de indicadores. Recentes estudos vêm sendo desenvolvidos no intuito de quantificar aspectos relacionados à dispersão urbana, consistindo em importantes avanços no sentido de tratar o tema com maior precisão. Apresentam, no entanto, certas limitações metodológicas, principalmente no que tange à representação de certos aspectos do sistema espacial urbano, tais como configuração da rede de ruas e distribuição das atividades. Em outras palavras, boa parte dos estudos existentes não tem levado em conta a escala intra-urbana. A presente investigação se propôs a contribuir para o desenvolvimento de metodologias para avaliação da dispersão, aprofundando questões espaciais e configuracionais relacionadas ao tema, pouco exploradas até o momento. Para tanto, buscou referências na investigação sobre indicadores urbanos, especialmente nos trabalhos que vem sendo desenvolvido pelo grupo de pesquisa Sistemas Configuracionais Urbanos da UFRGS. Dessa forma, procurou-se avançar na questão da mensuração da dispersão urbana através da introdução de sistema descritivo detalhado e indicadores sistêmicos para medir acessibilidade entre locais de residência e locais de trabalho, item chave do desempenho urbano. Os indicadores foram testados em pequenos sistemas teóricos e para o caso empírico do município de Torres. Os resultados demonstraram que o método possui potencial para utilização em estudos comparativos sobre desempenho urbano de padrões dispersos, sendo esta a principal contribuição do trabalho. / Cities have undergoing through meaningful changes in their urban development patterns, in last decades. Urban sprawl can be seen as an outstanding characteristic of this process. New urban settings can be found – scattered, discontinuous and low density – different from the compact city, with obvious implications on urban performance, although not completely understood. More detailed research on this subject is needed to enable more accurate assessments about effects of sprawl on urban environment. Knowing effects, mainly undesirable effects, of certain urban patterns is, nowadays, one of major challenges to urban planning, being urgent more understanding about it in order to better address urban policies. So, there is the urgent need of strengthening the quality of analysis methodologies and monitoring of urban development, especially by means of indicators. Recent efforts have been made in order to develop methodologies for measuring sprawl, which have enabled more accurate assessments about the subject. However, they present some limitations, especially about the way certain aspects of urban systems has been described, such as configuration of streets and spatial distribution of urban activities. In other words, most of current methodologies for measuring sprawl do not consider intra urban level. The current research aimed to contribute to development of methodologies for assessment of urban sprawl, deepening spatial and configuration issues, little explored by urban sprawl researchers. The proposal consisted of using urban indicators of urban performance, especially those developed by Configurational Urban Systems research group from UFRGS. A more detailed descriptive method and systemic indicators were used in order to grasp accessibility between dwelling and job location, a key element of urban performance evaluation. The indicators were applied to small theoretical systems and also to the town of Torres case study. The results indicates that the proposed method has potential for being used in comparative studies about urban sprawl and its urban performance, and that is the main contribution of this research.

As cidades vêm passando por significativas transformações, nas últimas décadas, em seus padrões de urbanização, sendo a dispersão urbana característica marcante deste processo. Surgem novas configurações, dispersas, descontínuas e de baixa densidade, distintas da tradicional cidade compacta, com evidentes implicações no desempenho urbano, embora ainda não totalmente conhecidas e estudadas. Entender os efeitos, principalmente aqueles não desejados, de certos padrões de ocupação urbana representa, hoje, grande desafio para o planejamento das cidades, sendo urgente aumentar sua compreensão a fim de melhor direcionar políticas urbanas. Diante desse cenário, desponta a necessidade de reforço na qualidade das metodologias de análise e monitoramento da expansão urbana, principalmente por meio de indicadores. Recentes estudos vêm sendo desenvolvidos no intuito de quantificar aspectos relacionados à dispersão urbana, consistindo em importantes avanços no sentido de tratar o tema com maior precisão. Apresentam, no entanto, certas limitações metodológicas, principalmente no que tange à representação de certos aspectos do sistema espacial urbano, tais como configuração da rede de ruas e distribuição das atividades. Em outras palavras, boa parte dos estudos existentes não tem levado em conta a escala intra-urbana. A presente investigação se propôs a contribuir para o desenvolvimento de metodologias para avaliação da dispersão, aprofundando questões espaciais e configuracionais relacionadas ao tema, pouco exploradas até o momento. Para tanto, buscou referências na investigação sobre indicadores urbanos, especialmente nos trabalhos que vem sendo desenvolvido pelo grupo de pesquisa Sistemas Configuracionais Urbanos da UFRGS. Dessa forma, procurou-se avançar na questão da mensuração da dispersão urbana através da introdução de sistema descritivo detalhado e indicadores sistêmicos para medir acessibilidade entre locais de residência e locais de trabalho, item chave do desempenho urbano. Os indicadores foram testados em pequenos sistemas teóricos e para o caso empírico do município de Torres. Os resultados demonstraram que o método possui potencial para utilização em estudos comparativos sobre desempenho urbano de padrões dispersos, sendo esta a principal contribuição do trabalho. / Cities have undergoing through meaningful changes in their urban development patterns, in last decades. Urban sprawl can be seen as an outstanding characteristic of this process. New urban settings can be found – scattered, discontinuous and low density – different from the compact city, with obvious implications on urban performance, although not completely understood. More detailed research on this subject is needed to enable more accurate assessments about effects of sprawl on urban environment. Knowing effects, mainly undesirable effects, of certain urban patterns is, nowadays, one of major challenges to urban planning, being urgent more understanding about it in order to better address urban policies. So, there is the urgent need of strengthening the quality of analysis methodologies and monitoring of urban development, especially by means of indicators. Recent efforts have been made in order to develop methodologies for measuring sprawl, which have enabled more accurate assessments about the subject. However, they present some limitations, especially about the way certain aspects of urban systems has been described, such as configuration of streets and spatial distribution of urban activities. In other words, most of current methodologies for measuring sprawl do not consider intra urban level. The current research aimed to contribute to development of methodologies for assessment of urban sprawl, deepening spatial and configuration issues, little explored by urban sprawl researchers. The proposal consisted of using urban indicators of urban performance, especially those developed by Configurational Urban Systems research group from UFRGS. A more detailed descriptive method and systemic indicators were used in order to grasp accessibility between dwelling and job location, a key element of urban performance evaluation. The indicators were applied to small theoretical systems and also to the town of Torres case study. The results indicates that the proposed method has potential for being used in comparative studies about urban sprawl and its urban performance, and that is the main contribution of this research.

O problema abordado nesta pesquisa consiste na distribuição de água em redes urbanas para o atendimento de demandas conhecidas, com o objetivo de minimizar o custo da energia elétrica necessária para o funcionamento de bombas hidráulicas. As bombas hidráulicas são utilizadas para captar água de poços artesianos ou estações de tratamento de água para abastecer reservatários distribuídos por bairros de uma cidade, de onde a população será atendida por força gravitacional. Como o custo da energia elétrica varia ao longo do dia, se faz necessário um planejamento do funcionamento das bombas para que não sejam ligadas nos horários em que a energia elétrica é mais cara. O problema de planejamento de estoque de água em reservatórios (PPEAR) consiste em decidir em quais períodos ou frações dos períodos do horizonte de planejamento as bombas hidráulicas que abastecem os reservatórios devem permanecer ligadas e em quais períodos ou frações dos períodos deve haver transporte de água entre os reservatórios para que a demanda de cada reservatório seja atendida em cada período e sejam respeitados os níveis mínimos e máximos de água nos reservatórios. Uma solução heurística para resolver o PPEAR é proposta e analisada por comparação com as soluções obtidas pelo método de enumeração implícita. Resultados computacionais comprovam a eficiência da abordagem, tanto pela qualidade das soluções como pelo baixo tempo de resposta / The problem focused in this study consists of reducing the eletrical energy cost necessary to the operation of hydraulic pumps. The hydraulic pumps are used to catch water from artesians wells or Water Treatment Station to supply tanks which are located in districts in a city, from which the population will be supplied by gravitational force. As the cost of electrical energy varies along the day, a schedule of the pumps run is necessary to avoid that they are not turned in the periods when the energy cost is more expensive. The problem of water stock schedule in tanks (WSST) consists of deciding in which periods or parts of them of the horizon planning the hydraulic pumps have to put on, and in which periods or parts of them should transfer water among the tanks so that the demand of each tank is met for each period and lower and upper limits of water shouldn\'t be violated. A heuristic solution is proposed and analyzed by comparing its solutions with the solutions obtained by the branch and bound method. Computational experiments show the efficiency of the heuristic

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