projektowanie parametryczne, parametric design
Home > generalnie, O co chodzi > Projektowanie komputacyjne

Projektowanie komputacyjne

23 października w ramach Szczecińskiego Westivalu, wygłosiliśmy razem z Michałem Piaseckim wykład pod tytułem ‘projektowanie komputacyjne’. Przy okazji publikacji tekstu wykładu w materiałach organizatorów Westivalu, postanowiliśmy także opublikować go online.

 

Projektowanie komputacyjne w architekturze  

 

Projektowanie komputacyjne to zagadnienie, które w ostatnim czasie szybko zyskuje na popularności. Obecnie dobrze zakorzenione w przemyśle samochodowym i lotniczym, powoli zaczyna wkraczać także jako narzędzie do świata architektury. Dlaczego? Ponieważ technologie projektowania wspomaganego komputerowo, oraz przede wszystkim fabrykacji stają się coraz bardziej dostępne i tańsze, a co za tym idzie, wzrasta dostępność produkcji niestandardowych elementów na masową skalę (tzw. ?mass customization?).

Jak pisał Adrian Beukers i Ed van Hinte w swoim eseju ?Lightness? (?Lekkość?), ?W naturze kształt jest tańszy niż materiał?, zwracając uwagę na to, że koszt wytworzenia formy może być dużo niższy, jeśli znajdziemy optymalne rozwiązania strukturalne lub topologiczne opisujące problem projektowy. Nie jest już dzisiaj niczym zaskakującym, że dokonując strukturalnej optymalizacji topologii połączeń w mega-konstrukcjach można zaoszczędzić do 50% materiału.

Projektowanie komputacyjne, poprzez użycie różnych technik takich jak algorytmy genetyczne i sztuczna inteligencja, razem z metodą elementów skończonych, lub innymi technikami optymizacyjnymi, może pomóc zdefiniować problem projektowy w zupełnie inny sposób i znaleźć nową, często zaskakującą odpowiedź. Czy jest to problem czysto geometryczny, tak jak panelizacja podwójnie zakrzywionych powierzchni, czy też strukturalny, jak minimalizacja stresów w przestrzennej kratownicy, z pomocą mogą przyjść programy lub skrypty pisane w różnych językach oraz narzędzia do modelowania parametrycznego, takie jak Generative Components oraz Rhino Grasshopper. Modelowanie parametryczne pozwala na definiowanie hierarchicznych zależności pomiędzy obiektami geometrycznymi zamiast statycznego układu brył w przestrzeni, do którego przyzwyczajone są osoby korzystające z bardziej standardowych narzędzi CAD. Modelowanie parametryczne, które pozwala na szybkie przeglądanie wersji potencjalnych rozwiązań, jest dzisiaj coraz powszechniej stosowane w projektowaniu stadionów, wieżowców, części fasad, dachów jak i niewielkich detali konstrukcyjnych.

Terminologia związana z projektowaniem komputacyjnym podlega ciągłej transformacji, ponieważ dziedzina jest nowa i wciąż szybko się rozwija. Dosyć szeroko przyjęte jest odróżnianie ?projektowania parametrycznego? od ?projektowania generatywnego?:

Projektowanie parametryczne to proces w którym wynikowa forma jest zazwyczaj jedną iteracją (przebiegiem) informacji geometrycznych przez ?drzewo? hierarchicznych zależności pomiędzy elementami. Po wykonaniu takiej iteracji, otrzymujemy parametryczny model, który jest topologicznie statyczny, możemy za to zmieniać jego geometrię (skalować, rozciągać, manipulować parametrami).

 wf_smithsonian_

Projektowanie generatywne to proces w którym forma jest generowana na podstawie wielokrotnych iteracji, zazwyczaj dodawania/odejmowania elementów, lub dzielenia ich na mniejsze pod-elementy. Za narzędzia używane w projektowaniu generatywnym można uznać algorytmy genetyczne, sieci neuronowe, oraz wszystkie algorytmy wykorzystujące procesy symulacji sztucznego życia, takie jak automaty komórkowe, systemy samo-organizujące się, systemy cząsteczek-agentów, oraz pomocniczo systemy bazujące na metodzie elementów skończonych (finite element analysis), takie jak dynamiczna relaksacja.

wzrost fototropicznyProjektowanie komputacyjne w praktyce architektonicznej

Jednymi z pierwszych spektakularnych projektów wykonanych z użyciem projektowania parametrycznego był Swiss Re (tzw. ?ogórek?) w Londynie, autorstwa biura Foster+Partners (2004), Centrum handlowe O2 w Birmingham (Future Systems 2003) oraz Kunsthaus w Graz w Austrii (Peter Cook + Colin Fournier 2003). Technikami projektowania parametrycznego posługuje się dzisiaj wiele znanych biur architektonicznych i inżynierskich, takich jak HOK Sport, Arup, Grimshaw+Partners, Zaha Hadid architects, Frank Gehry czy Aedas.

examples_
 
Również duża ilość projektów generatywnych doczekała się już realizacji. Przykładem może tu być szklane zadaszenie dziedzińca British Museum, gdzie użyto algorytmu dynamicznej relaksacji dla zoptymalizowania sił i wielkości paneli. Innym jest realizowne obecnie zadaszenie stacji metra w Neapolu projektu Rogers Stirk Harbour + Partners. W tym projekcie konstruktorzy – firma Expedition Engineering – postanowili wykorzystać algorytmy genetyczne, żeby zoptymalizować dystrybucję elementów strukturalnych zadaszenia ze względu na ilość światła dziennego penetrującą wnętrze stacji. Optymalizacja z użyciem ewolucji polega na hodowaniu kolejnych generacji potencjalnych rozwiązań w których osobniki stosunkowo dobrze spełniające zadane kryteria przekazują swoje cechy kolejnym. W tym przypadku optymalizowano na przestrzeni 70 generacji, każda po 400 osobników.

rogers_stirk_harbour_neapol_

Obszarem zastosowań algorytmów generatywnych jest również urbanistyka, ponieważ użycie zasad samo-organizacji może pomóc w odnalezieniu układów przestrzennych które są lepsze od tych zaprojektowanych tradycyjnymi metodami na przykład pod względem komunikacyjności lub dystrybucji ze względu na nasłonecznienie. ?Agentom?, które reprezentują bloki zabudowy, można na przykład zadać zadanie znalezienia pozycji i orientacji umożliwiającej najlepsze skorzystanie z dostępnych widoków, oraz dostępu do naturalnego światła. Poprzez lokalne negocjacje na niskim poziomie hierarchii, otrzymujemy globalne (całościowe) rozwiązanie uwzględniające interesy każdego z podmiotów symulacji.

Układ, którego globalny stan jest czymś więcej niż sumą lokalnych stanów wszystkich jego elementów nazywany jest układem emergentnym. Emergencja to zjawisko związane z wykorzystaniem prostych reguł działania na lokalnym poziomie (interakcji pomiędzy pojedycznymi agentami), do stworzenia ?kolektywnej? inteligencji na globalnym poziomie całego stanu układu.

Cyfrowe wspomaganie wytwarzania

Wszystkie powyżej opisane techniki zyskują coraz szersze zastosowanie w architekturze, ponieważ znacząco rozwijają się możliwości cyfrowego wspomagania wytwarzania, czyli tzw. cyfrowej fabrykacji. Projektowanie parametryczne i generatywne pozwala automatycznie dostosować elementy projektu do wybranej technologii fabrykacji. Takie ?dopasowanie? do fabrykacji, staje się poprostu jeszcze jednym kryterium optymalizacji. Najczęstszym przykładem jest tutaj np. podzielenie dowolnej przestrzennej, podwójnie zakrzywionej formy/powierzchni na elementy płaskie (np szklane panele), współdzielące ze sobą krawędzie (bez pomocy generatywnych procesów jest to bardzo trudne lub wręcz niemożliwe). Można też optymalizować obiekty tak, aby zużywały jak najmniej materiału. Technologie cyfrowego wspomagania wytwarzania dzielą się na addytywne, subtraktywne i formatywne.

Technologie addytywne polegeją na nakładaniu i łączeniu kolejnych warstw materiału. Popularna nazwa tych technik to ?druk 3d?. Dzisiaj można drukować na drukarkach proszkowych, nylonowych (drukujących plastikiem), lub nawet takich które układają na sobie warstwy metalu. Nowością (jeszcze niedostępną komercyjnie) jest olbrzymia drukarka budowana przez firmę D-Shape, która może drukować cementem w dużej skali (obszar roboczy to 3x3x3 m). Koszty druku 3d szybko maleją a produceni drukarek zapowiadają technologie, które spowodują, że druk 3d będzie niebawem tak popularny jak druk 2d – używający kartek i atramentu. Byłaby to prawdziwa rewolucja w projektowaniu produktu. W architekturze druk 3d jest na razie wykorzystywany do produkcji modeli.

3d_printing_

 

Technologie subtraktywne to te które polegają na odejmowaniu materiału. Przykładami jest frezowanie CNC i cięcie laserowe. Ograniczenia materiałowe są w tym przypadku niewielkie a skala wykonywanych elementów może sięgać kilkunastu metrów, stąd to te technologie są najczęściej wykorzystywane w architektonicznych realizacjach.

 cnc

 
Technologie formatywne to na przykład użycie robotów do układania elementów konstrukcji. Dobrym przykładem jest tutaj parametryczna ściana winnicy, projektu duetu Gramazio & Kohler, stworzona za pomocą robota firmy KUKA.

kuka
 
Projektowanie komputacyjne może ale nie musi wiązać się z estetyką dominującą obecnie wśród niektórych star-architektów. Jednym z najważniejszych aspektów omówionych technik jest optymalizacja, która zapewnia bardzo dobre wykorzystanie budżetu projektu oraz stworzenie przestrzeni funkcjonującej w odpowiedni sposób. Wzbogacenie polskich pracowni architektonicznych o narzędzia parametryczne i generatywne oraz wprowadzenie tej tematyki na uczelnie jest jednym z warunków, które polska architektura powinna spełnić by pozostać konkurencyjna na rynku międzynarodowym.

 

Przemysław Jaworski (Foster+Partners, SMG) www.projektowanieparametryczne.pl

Michał Piasecki (Bartlett, UCL) www.michalpiasecki.com

  1. listopad 26th, 2011 at 13:23 | #1

    Jeśli dobrze rozumiem projektowanie parametryczne od generatywnego różni się tym od siebie, że w pierwszym przypadku dokonujemy ręcznej korekty parametrów wejściowych co daje nam oczekiwany i założony rezultat formalny a w drugim przypadku następuje coś na zasadzie wielokrotnych iteracji prowadzących czasami do nieoczekiwanego rezultatu a czego zaawansowaną postacią są np. algorytmy genetyczne?

  2. listopad 26th, 2011 at 13:29 | #2

    Aaa napisałeś o tym :) Za łapczywie czytałem i przeoczyłem :)

  3. listopad 26th, 2011 at 13:31 | #3

    Ja to rozumiem tak, że generatywne znaczy tyle, co generujące coś bez naszego udziału – tzn tworzące pewne nowe struktury geometryczne/topologiczne na podstawie jakichś reguł/akcji itp.
    W samym projektowaniu parametrycznym to jesteśmy tylko my+suwaki/punkty kontrolne/graph variables… nic nas za bardzo nie zaskoczy :-)

  4. luty 28th, 2014 at 07:13 | #4

    Hello, Neat post. There’s an issue together with your web site in web explorer, would test this?
    IE nonetheless is the market leader and a big part of other people will pass over your fantastic writing because of this problem.

  5. marzec 26th, 2014 at 16:35 | #5

    Ahaa, its nice dialogue on the topic of this article
    here at this web site, I have read all that, so now me also commenting here.

  6. marzec 27th, 2014 at 01:04 | #6

    This is really interesting, You are a very skilled blogger.
    I have joined your rss feed and look forward to seeking more of
    your fantastic post. Also, I’ve shared your site in my social networks!

  7. marzec 28th, 2014 at 01:08 | #7

    It’s really a nice and helpful piece of information. I’m happy that you shared this useful
    info with us. Please stay us up to date like this.
    Thanks for sharing.

  8. wrzesień 22nd, 2014 at 14:31 | #8

    Hello my family member! I wish to say that this article is awesome, great written and come with approximately all vital infos.

    I would like to peer extra posts like this .

  9. październik 4th, 2014 at 11:58 | #9

    Hmm is anyone else having problems with the pictures
    on this blog loading? I’m trying to find out if its a problem on my end
    or if it’s the blog. Any feed-back would be greatly appreciated.