Facebook

Nowe technologie w procesie projektowania architektonicznego

Z:A 82

KATEGORIA: Temat wydania

Projektowanie architektoniczne zmienia się wraz z wprowadzaniem nowych technologii. Zmiany, które są wynikiem cyfrowej rewolucji z końca XX wieku, przyczyniły się do przeobrażenia metod pracy, ale nie sposobu myślenia o projektach i ich etapach.

Tradycyjna deska kreślarska została zastąpiona cyfrową. Jednak dziś, w związku ze wzrostem skomplikowania procesów projektowych, ich wielowarstwowością oraz rosnącymi możliwościami komputacyjnymi, możemy pracować bardziej efektywnie i dokładnie. Badacz architektury cyfrowej Wasim Jabi zauważa, że projektowanie jest z natury rzeczy iteracyjne, każda nowa tura stawia pytania i odpowiedzi, które wpływają później na uzyskiwany efekt przestrzenny1.

     Ciągłe modyfikowanie projektu jest więc konieczne, a bez zastosowania form automatyzacji też czasochłonne i często przyczynia się do powstawania błędów. Co więcej, im bardziej zaawansowany projekt i jego etap, tym bardziej wzrasta czas konieczny na zmiany oraz prawdopodobieństwo wystąpienia błędu. Projekt zbudowany na zasadach algorytmicznych pozwala na wprowadzanie dowolnych zmian na każdym etapie jego tworzenia bez konieczności ręcznego przerysowywania czy modelowania każdej z jego wersji. W architekturze można to zauważyć na różnych etapach procesu projektowego, a skalę modyfikacji dekadę temu potrafiło ocenić niewielu2. Dziś świadomość w tym zakresie jest już większa, ale z uwagi na ciągły rozwój narzędzi wymaga ciągłej nauki i otwartości.

Wizualizacja projektu domu drukowanego 3D nad kanałem w Amsterdamie, proj. DUS Architects, il. House of DUS

TEORIA I DEFINICJE

Szukając prostego sposobu na wyjaśnienie, czym jest parametrycyzm, czy nawet szerzej – architektura komputacyjna, najlepiej odnieść się do popularnego i powszechnie stosowanego arkusza kalkulacyjnego. Opiera się on na parametrach (liczbach i innych danych) wprowadzanych ręczne lub zaciąganych z baz danych oraz komponentach (funkcjach, takich jak suma, iloraz czy iloczyn). Całość stanowią o serie złożonych zależności, które pozwalają na uzyskiwanie dowolnych wyników związanych (pośrednio lub bezpośrednio) z danymi, jakie dostarczamy. Podobnie jest w przypadku projektowania opartego na zasadach algorytmicznych. Wprowadzamy parametry – np. dane liczbowe czy kształty – oraz tworzymy komponenty, czyli zasady, na podstawie których mają być one przetwarzane. W rezultacie możemy uzyskać formę architektoniczną lub detal. Musimy jednak zrozumieć, że to nie komputer projektuje, ale my za pomocą jasno określonych zasad. Wyzbywamy się tym samym w pewien sposób działania intuicyjnego i zastępujemy je czystą matematyką, która jest obiektywna tak długo, jak neutralne są ustalone zasady. 

     Samo pojęcie parametryzmu, stworzone przez Patricka Schumachera – dyrektora w Zaha Hadid Architect, zostało uargumentowane w następujący sposób: „Współczesna awangardowa architektura odpowiada na określone potrzeby na wyższym poziomie złożoności poprzez wprowadzenie parametrycznych systemów projektowania. Współczesny styl architektoniczny, który osiągnął wszechobecną hegemonię we współczesnej awangardzie architektonicznej, najlepiej rozumieć jako program badawczy oparty na paradygmacie parametrycznym. Proponujemy określić go jako: parametrycyzm”3. Warto w tym miejscu określić, czym jest projektowanie komputacyjne. Otóż to działanie wykorzystujące moce obliczeniowe komputera poprzez włączanie do procesu projektowego różnych form komputerowego wspomagania, gdzie wykorzystywane są różnorodne formy obliczeniowe. Z kolei samo projektowanie parametryczne jest definiowane przez Victora Gane jako: „stworzenie systemu określającego przestrzeń projektową, która może być eksplorowana poprzez zmienność parametrów”4. Ostatnie pojęcie wymagające doprecyzowania to projektowanie generatywne. Jest ono określane przez Marię Helenowską-Peschke jako: „wykorzystanie zaawansowanych systemów generatywnych […] do rozwiązania geometrycznych problemów, obliczania struktur i tworzenia trójwymiarowej geometrii, […] wykorzystanie generatywnego systemu, np. zbioru reguł językowych, programu komputerowego, zbioru geometrycznych transformacji, diagramu, z którego w procesie projektowania wyłania się projekt”5.

     Różnice w powyższych pojęciach opisują Ines Caetano, Luis Santos i Antonio Menezes Leitao. Ich zdaniem „definicje zakładają, że projektowanie generatywne wymaga jawnego użycia algorytmu generującego projekt. Dodatkowo, jeśli algorytm spełnia właściwość identyfikowalności, to znaczy możliwą do zidentyfikowania korelację między algorytmem a wygenerowanym projektem, wówczas jest również uważany za automatyzację. Wreszcie, jeśli projekt jest zależny od zestawu parametrów, to jest to projektowanie parametryczne”6.

Instalacja przestrzenna „Wir” pozwoliła na przeanalizowanie możliwości związanych z optymalizacją ilości zużywanego materiału, fot. Jan Cudzik

NARZĘDZIA I METODY

Narzędzia z zakresu projektowania parametrycznego są stosowane na wielu etapach projektowania i tworzenia form architektonicznych. Dzięki nowym technologiom owe przejścia pomiędzy różnymi etapami projektu mogą być niezwykle sprawne. Niosą one ze sobą jednak również ryzyko, że doprowadzą do chaosu i przypadkowości, o ile architekci nie opanują w odpowiednim stopniu technologii i nowego języka formalnego, pozwalającego na ich zastosowania w praktyce7. Projektowanie komputacyjne pozwala na wykorzystanie dostępnych narzędzi i programów lub napisanie własnych algorytmów wspomagających pracę architekta. Zakres zastosowań projektowania parametrycznego według Jana Cudzika i Kacpra Radziszewskiego8 obejmuje:

zaawansowane modelowanie;

automatyzację;

cyfrową fabrykację;

symulację.

         Narzędzia funkcjonujące w polu architektury cyfrowej mogą być obecnie wykorzystywane w sposób bardzo rozległy i często niezrozumiały dla architektów niezajmujących się tą specyficzną dziedziną. Najczęściej projektowanie parametryczne, zazwyczaj z uwagi na parametryczną naturę systemów bim, traktowane jest jako jej część. Należy jednak rozróżnić tu pewne podstawowe kwestie. Systemy typu bim są z natury parametryczne – określa się w nich za pomocą parametrów (danych liczbowych, materiałów czy kolorów) – cechy obiektów, a te z kolei składają się na końcowy wielowarstwowy model.

         Projektowanie parametryczne to jednak nie tylko bim, to również złożone systemy oparte na algorytmach programistycznych. Helenowska-Peschke opisuje je jako skończone, uporządkowane ciągi jasno zdefiniowanych czynności koniecznych do wykonania pewnego rodzaju zadań. Ich rolą jest przeprowadzenie systemu z pewnego stanu początkowego do pożądanego stanu końcowego. Powyższe algorytmy mogą powstawać w różnych środowiskach i językach programowania9. Wśród najbardziej dostępnych rozwiązań dla architektów warto wyróżnić nakładkę Grasshopper do McNeel Rhino i Dynamo dla Autodesk Revit. Obie nakładki umożliwiają pracę na wizualnym edytorze programowania, co zdecydowanie ułatwia proces projektowy i sprawia, że jest on bardziej przystępny dla tych, którzy nie znają języków programowania. Tworzenie algorytmów może odbywać się za pomocą przygotowanych skryptów w popularnych językach programowania.

         Zmiana związana ze sposobem projektowania musi następować równocześnie w pracowniach architektonicznych oraz na uczelniach. Obecnie w Polsce każdy z wiodących wydziałów architektury wprowadza w różnym stopniu możliwości i metody digitalizacji procesu projektowego. Możemy dostrzec tu analogię do lat 90. xx wieku, kiedy implementowano komputerowe metody projektowania architektonicznego. Techniki komputacyjne zaznaczyły swoją obecność najpierw jako narzędzie do poszukiwania formy, tworzenia podziałów fasad czy poszukiwania nowych form przestrzennych. Z czasem jednak zaobserwowano zmianę w kierunku opracowania rozwiązań, które mają na celu obiektywizację procesu projektowanie i jego usprawnienie. 

    Widok danych liczbowych i zestawień oraz graficznej formy prezentacji w przestrzennym modelu nakładki Chameleon Tools il. Jan Cudzik

    PARAMETRYCYZM A FABRYKACJA

    Istotnym elementem rozwoju narzędzi projektowych jest również cyfrowa fabrykacja, która dzięki rozlicznym możliwościom przetwarzania zyskuje w ostatnim czasie na popularności. Budowa parametrycznego modelu pozwala już na etapie wczesnej koncepcji ocenić ilość materiału, stopień skomplikowania formy czy ewentualne konflikty i niezgodności w przyjętym systemie montażowym. Działania oparte na dokładnych modelach parametrycznych umożliwiają uniknięcia problemów na etapie budowy oraz na szybkie tworzenie modeli testowych w dowolnej skali wybranych fragmentów obiektów, z dokładnością właściwą dla ostatecznie projektowanej formy. Przyczynia się to znacząco do podniesienia jakości architektonicznej uzyskiwanych form, a także zastosowania zasad związanych z metodą cdio10 (conceive, design, implement and operate, czyli wymyślić, zaprojektować, wdrożyć i obsługiwać), której wykorzystanie w architekturze i edukacji architektonicznej opisują Lucyna Nyka, Jan Cudzik i Katarzyna Urbanowicz. Określają one dwie metody weryfikacji projektu z zastosowaniem projektowania algorytmicznego: software in the loop (sil) oraz hardware in the loop (HiL)11. Pierwsza z nich zakłada weryfikację w środowisku komputerowym, a druga już w oparciu o prototyp.

         Doskonałym przykładem takich działań była chociażby próba związaną z automatyzacją procesu fabrykacji prototypu mostu Striatus, prezentowaną podczas Biennale w Wenecji w 2021 roku. Obiekt został zaprojektowany wspólnie przez Zaha Hadid Architects oraz Block Research Group na eth w Zurychu12. Uzyskana za pomocą metod projektowania komputacyjnego forma powstała jako samonośny system, z betonowych bloków w druku 3d z zastosowaniem ramienia robotycznego, które tworzyły łuk przypominający ten znany z tradycyjnych systemów murarskich. W ten sposób utworzono strukturę, uzyskującą niezbędną stabilność jedynie dzięki ściskaniu i formie geometrycznej.

         Cyfrowa fabrykacja niesie ze sobą również możliwości związane z optymalizacją procesu produkcji, ograniczaniem elementów będących odpadami czy czasu realizacji projektu na budowie. Narzędzia komputacyjne usprawniają takie działania – od systemów pozwalających na ocenę ilości materiału poprzez algorytmy służące do optymalizacji zużywanych formatek. Poprzez automatyzację możemy śledzić cały proces zmian i jego poszczególne elementy, wpływ nowej formy na ilość zużywanego materiału czy nowo powstałe konflikty przestrzenne. Już działania na małej skali, takie jak instalacja przestrzenna wir (Il.01), zrealizowana w ramach warsztatów badawczych w Sopockiej Szkole Wyższej, pozwoliły na przeanalizowanie możliwości związanych z optymalizacją ilości zużywanego materiału – w tym przypadku rur miedzianych. Użyty algorytm sprawdzał również możliwości wykonania łączenia dzięki kształtkom wykonywanym indywidualnie przy użyciu druku 3d. W przypadku niewłaściwego przenikania się elementów konstrukcji zaznaczał on takie miejsce w reprezentacji przestrzennej formy za pomocą czerwonej kuli. Pozwalało to już na etapie koncepcji na odrzucenie rozwiązania lub jego modyfikację, która umożliwi późniejszą fabrykację.

    Porównanie rozwiązań uzyskanych przez architekta i algorytm stosujący zasady sztucznej inteligencji, opracowany przez OutlineAI,il. OutlineAI / Jan Cudzik

    AUTOMATYZACJA I SZTUCZNA INTELIGENCJA

    Kolejnym krokiem związanym z parametryzacją procesu projektowania są działania w zakresie automatyzacji. Część z nich jest obecna nawet w podstawowym oprogramowaniu typu cad. Za takie systemy możemy uznać rozwiązania, które na podstawie atrybutów i rodzajów bloków pozwalają na tworzenie zestawień, czy też funkcje umożliwiające obliczenie powierzchni kondygnacji. Automatyzacja w procesie projektowania nie ogranicza się jednak do prostych działań, lecz coraz częściej znacząco uproszcza proces projektowy i jednocześnie gwarantuje uzyskanie dokładnych parametrów, które są trudne lub wręcz niemożliwe do wyliczenia tradycyjnymi metodami. Powyższe działania nie mają na celu zastąpienia architektów, a jedynie bardziej obiektywną ocenę i poszukiwanie rozwiązania optymalnego pod kątem parametrów, które w danym projekcie uznamy za kluczowe.

         Nowe metody projektowania architektonicznego związane z automatyzacją procesów mogą również zmieniać sam sposób projektowania. Doskonałym przykładem są procesy związane z zastosowaniem sztucznej inteligencji. Spółka OutlineAi13 wraz z Wydziałem Architektury Politechniki Gdańskiej tworzy algorytm umożliwiający automatyczne tworzenie pięter hotelowych. Opracowywana metoda uwzględnia zastosowanie sztucznej inteligencji i już dziś tworzy plany kondygnacji, które pod względem liczby pokoi są równe lub lepsze od tych zaprojektowanych przez człowieka w 84% przypadków. Wprowadzenie nowej metody sprawiło, że architekci pracujący w spółce przy projektach hoteli zmienili swój sposób myślenia i projektowania na zbliżony do tego, co tworzy algorytm, który pozwolił na uzyskiwanie lepszych pod względem wydajności układów pięter. Automatyzacja i sztuczna inteligencja wspierają architekta w najbardziej istotnym, z punktu widzenia biznesowego, elemencie projektu, czyli uzyskaniu maksymalnej liczby pokoi hotelowych, pokazując jednocześnie możliwe warianty dla danej działki. W tym przypadku rozwiązania z zakresu sztucznej inteligencji wpływają nie tylko na proces projektowy, lecz również na jego obiektywny wynik z uwagi na parametry ekonomiczne, które bezpośrednio przekładają się na opłacalność przedsięwzięcia. Rzut generowany przez system jest jedynie inspiracją, czy punktem wyjścia dla późniejszego projektu, nie zamyka w żaden sposób wolności twórczej. Uzyskane przez algorytm rozwiązanie w bardzo przejrzysty sposób pokazuje, jakie parametry mogą być uzyskane na wybranej działce. 

         Działania związane z automatyzacją są również obecne w dziedzinie urbanistyki. Warto zwrócić tu uwagę na projekt Chameleon Tools, autorstwa Pawła Ungera i Jana Kirchnera14, który w niezwykle prosty sposób pozwala tworzyć zaawansowane układy urbanistyczne przy jednoczesnej kontroli ważnych dla projektanta parametrów. Podczas pracy nad układami urbanistycznymi jednym z głównych elementów, spowalniających proces i stanowiących wyzwanie projektowe, jest obliczanie różnych wskaźników zabudowy. Analizy prowadzone w tradycyjny ręczny sposób są często żmudne, czasochłonne, a co gorsza, nie zawsze dokładne. Chameleon Tools stanowi odpowiedź ne ten problem. Po stworzeniu przez projektanta formy przestrzennej układu urbanistycznego w czasie rzeczywistym generuje niezbędne dane liczbowe i zestawienia, które następnie można w prosty sposób wyeksportować do arkusza kalkulacyjnego. Rozwiązanie daje w tym przypadku dużo swobody podczas pracy i pozwala się skupić na wyzwaniach przestrzennych umożliwiających niezwykle łatwą kontrolę ważnych dla architektury i planowania przestrzennego wskaźników.

    PODSUMOWANIE 

    W przypadku dobrze zbudowanych responsywnych systemów rozwiązania komputacyjne dają również możliwość swobodnego wariantowania oraz praktycznie nieograniczonego wprowadzania zmian na różnych etapach pracy bez konieczności tworzenia projektu od podstaw. Taka zmiana to szansa na większą swobodę twórczą. Praca oparta na algorytmach pozwala skupić się na celu projektu i poszukiwaniu najlepszej ścieżki, nie zaś żmudnym przerysowywaniu kolejnych wersji. Niemniej jednak takie działanie ma również szereg wad. Należy się liczyć z ryzykiem zatracenia się w automatyzacji, powtarzalności form i braku indywidualnego charakteru. Coraz to większe parametryzacja i automatyzacja budzą sprzeciw części środowiska, podobnie jak w przypadku zmian, które obserwowaliśmy jeszcze 30 lat temu, kiedy komputery powszechnie zastępowały deski kreślarskie. Zmiany związane z nowymi systemami projektowania odznaczają się bardzo dużym potencjałem, który odpowiednio wykorzystany może sprawić, że projektowanie będzie bardziej responsywne i oparte na wymiernych parametrach, a nie jedynie na doświadczeniu, wiedzy oraz przeczuciu.

         Należy jednak pamiętać, że niezależnie od stopnia automatyzacji procesu projektowego, podobnie jak to ma miejsce w innych dziedzinach inżynieryjnych, projekt zawsze będzie wymagał ludzkiego nadzoru, oceny oraz odpowiedniego przygotowania i ewaluacji danych wyjściowych. Architekci nie przestaną być częścią procesu, zmieni się tylko ich rola, która będzie ukierunkowana na zadania kreatywne oraz kontrolę, nie zaś powtarzalną kreślarską pracę. •

    Jan Cudzik
    Dr Jan Cudzik

    adiunkt w Katedrze Architektury Miasta i Przestrzeni Nadwodnych oraz Kierownik Laboratorium Cyfrowych Technologii na Politechnice Gdańskiej; obecnie prowadzi badania naukowe dotyczące m.in. architektury kinematycznej, cyfrowych technik wspomagających projektowanie architektoniczne, cyfrowej fabrykacji, form sztucznej inteligencji w architekturze i sztuce

    reklama

    Warto przeczytać