Facebook

Parametryczna (nie)powtarzalność

Z:A 87

KATEGORIA: Temat wydania

Choć prefabrykacja i metody projektowania parametrycznego są wykorzystywane w architekturze i budownictwie już od długiego czasu, to jednak ostatnia dekada przyniosła największy rozwój obu technologii. Te funkcjonujące obok siebie dziedziny wzajemnie się uzupełniają i pozwalają na realizację rozwiązań z wysoką precyzją – bez względu na stopień skomplikowania obiektu.

Aby wgłębić się w relację między projektowaniem parametrycznym a prefabrykacją, dobrze jest poznać cechy każdego z tych pojęć z osobna, choć każdy architekt z pewnością wiele już na ich temat wie. To jednak pozwoli bardziej docenić i zachwycić się możliwościami, jakie daje zastosowanie obu technologii. 

NOWE PERSPEKTYWY, CZYLI PROJEKTOWANIE PARAMETRYCZNE 

Projektowanie parametryczne często jest też nazywane projektowaniem algorytmicznym. Polega na zapisywaniu szeregu poleceń czy działań w formie algorytmu, czyli występujących po sobie zdarzeń. W praktyce architekt czy projektant, posługując się specjalistycznym oprogramowaniem lub wykorzystując języki programistyczne, wypisuje ciąg czynności, które musiałby wykonać w celu stworzenia modelu trójwymiarowego, lub działań związanych z wymiarowaniem bądź przygotowaniem dokumentacji. Algorytm w postaci programu może następnie wielokrotnie wykonać konkretne operacje bez udziału człowieka. Pozwala to przede wszystkim na automatyzację długotrwałych i powtarzalnych zadań. Przygotowanie programu bywa czasochłonne, jednak odpowiednio przeprowadzone może przyczynić się do dużego przyspieszenia procesu w przyszłości. Program wykonuje czynności zapisane w algorytmie, a korzysta z danych wejściowych, czyli parametrów, stąd równorzędne stosowanie nazw: projektowanie parametryczne oraz algorytmiczne.

Proces projektowy jest zbyt skomplikowany, aby było możliwe zapisanie go w postaci pojedynczego programu czy algorytmu, pozostaje jednak wydzielenie mniejszych zadań, które dzięki automatyzacji mogą znacznie przyspieszyć pracę architekta oraz ograniczyć występowanie błędów. Co ciekawe, kompetencje związane z programowaniem w dziedzinie architektury stają się powszechne, co ułatwia wyspecjalizowanie się architektów nazywanych projektantami komutacyjnymi.

Projektowanie parametryczne ma jedną znaczącą cechę, która stanowi o jego popularności wśród specjalistów – w momencie obliczania i modelowania pozwala na wykorzystanie mocy obliczeniowej komputerów, co wiąże się z możliwością wygenerowania i analizy zaawansowanych geometrycznie form w ciągu ułamków sekund. Późne lata 90. XX wieku to okres narodzin nowych form geometrycznych w architekturze, których autorami byli Frank Gehry, Zaha Hadid czy sir Norman Foster. Realizacje architektów nie były wcześniej niemożliwe, jednak musiałyby się wiązać z tworzeniem skomplikowanego oprogramowania na potrzeby projektu lub wymagałyby ogromnych nakładów ludzkiej pracy, związanej z obliczeniem i ręcznym przygotowaniem dokumentacji projektowej. Nowe perspektywy w architekturze stworzył jednak rozwój metod parametrycznych w projektowaniu. Dzięki nim możliwe jest generowanie w czasie rzeczywistym kolejnych koncepcji architektonicznych przy jednoczesnym wykonywaniu szeregu obliczeń (związanych z wytrzymałością materiałów, ekonomiką) czy weryfikowaniu możliwości technicznych realizacji. Z kolei z punktu widzenia wykonawców do zalet należą funkcje automatyzacji przygotowania dokumentacji wykonawczej czy generowania plików, które można bez udziału techników wprowadzić do urządzeń służących cyfrowej fabrykacji.
 

Muzeum Soumaya w Meksyku, proj. FR-EE / Fernando Romero Enterprise; fot. Alejandro Perez / Unsplash.com

WYJĄTKOWA PRECYZJA, CZYLI PREFABRYKACJA 

Kolejnym zagadnieniem jest prefabrykacja w architekturze, opisywana jako wytwarzanie elementów budowlanych z wykorzystaniem metod przemysłowych poza miejscem budowy. Prefabrykacja ma wiele cech, które z każdym rokiem zwiększają jej popularność. Wytwarzanie poza miejscem budowy pozwala na osiągnięcie wysokiej precyzji elementów, w większości przez zastosowanie nowoczesnych maszyn i linii produkcyjnych. Wiąże się również ze skróceniem czasu produkcji dzięki automatyzacji oraz z pracą urządzeń w cyklach całodobowych. Kolejną cechą jest ograniczenie występowania niebezpiecznych dla życia i zdrowia sytuacji na miejscu budowy, a to dlatego, że proces produkcyjny został przeniesiony do zakładów. Listę zalet wieńczy duży wybór materiałów, do których można zaliczyć beton, stal, drewno i liczne kompozyty. Z kolei wśród wad prefabrykacji należy wymienić potrzebę zorganizowania i przeprowadzenia transportu poszczególnych elementów oraz koszt usługi. 

Prefabrykacja jest szerokim pojęciem, ale w związku z rozwojem metod projektowania parametrycznego nastąpił wzrost zainteresowania jedną z jej dziedzin – cyfrowymi metodami prefabrykacji. Dzięki zastosowaniu urządzeń sterowanych cyfrowo pojawiła się możliwość precyzyjnego zaprogramowania ich działania. Takie urządzenie – po otrzymaniu specjalnego kodu – jest w stanie wykonać sekwencję czynności, która dla człowieka może być nie do zrobienia ze względu na stopień skomplikowania lub wymaganą precyzję. W ostatnich latach na popularności zyskują głównie dwie metody cyfrowej fabrykacji – obróbka skrawaniem (wycinanie elementów) oraz druk 3D (tworzenie elementów poprzez warstwowe dodawanie materiału). 

Pierwsza z metod wykorzystuje element tnący, zamontowany w maszynie i przez nią sterowany (np. obracające się z dużą prędkością wrzeciono). Proces fabrykacji polega na precyzyjnym poruszaniu się tego elementu względem materiału, z którego odejmowana jest objętość. W dziedzinie architektury powszechnie używa się tej metody do wycinania części składowych z drewna (np. sklejki lub litego drewna) oraz z kompozytów służących do wykańczania fasad budynków lub wnętrz. Zastosowanie cyfrowej fabrykacji powyższą metodą pozwala nie tylko na wycinanie kształtu elementów, lecz także na automatyczne ich oznaczanie, usprawniające proces instalacji czy wykonywanie otworów umożliwiających montaż.

Drugą z wymienionych metod prefabrykacji w architekturze jest druk trójwymiarowy. Technologia ta jest często przedstawiana jako rewolucyjna w kontekście nie tylko architektury, lecz także szeroko pojętego przemysłu. Jednak mało kto ma świadomość, że pierwsze metody druku 3D, wykorzystywane zresztą do tej pory, powstały w latach 80. XX wieku. Ostatnie 10 lat zweryfikowało tę technologię i zakwalifikowało ją jako trudną do zastosowania w produkcji na szeroką skalę, jak również w celu wytwarzania wielkoskalowych elementów. Mimo to w ostatnim czasie wprowadzono wiele metod i materiałów, które skłaniają do dalszego obserwowania jej rozwoju. Sam proces może wydawać się trudny, jednak w rzeczywistości jest bardzo prosty. Polega na nakładaniu na powierzchnię surowca w postaci płynnej i sukcesywne dodawanie kolejnych warstw, które zastygając, tworzą element przestrzenny. W odróżnieniu od metod obróbki skrawaniem technologie druku trójwymiarowego pozwalają na tworzenie form nieograniczonych geometrią. Warto jednak zwrócić uwagę, co stanowi powód braku obecności druku 3D w dziedzinie budownictwa. Po pierwsze – czas niezbędny do wyprodukowania elementu, precyzyjne podawanie materiału to bowiem długi proces, szczególnie gdy wymagana jest bardzo duża dokładność. Dodatkowo na czas wytwarzania wpływa stygnięcie materiału, co uniemożliwia przyspieszenie całego procesu. Po drugie – wytrzymałość elementów okazuje się niższa w porównaniu z tymi wytworzonymi metodą obróbki skrawaniem, a to wprowadza kolejne ograniczenia. Po trzecie – koszt produkcji jest nieporównywalnie wyższy niż przy obróbce skrawaniem. Wszystko to sprawia, że druk trójwymiarowy stanowi technologię trudną w zastosowaniu w budownictwie i mało racjonalną. Jednak nakłady finansowe ponoszone na jej rozwój mogą sugerować, że za jakiś czas będzie ona wykorzystywana na szerszą skalę.
 

Elewacja muzeum Soumaya w Meksyku, proj. FR-EE / Fernando Romero Enterprise; fot. Juan Luis Villegas / Unsplash.com

CORAZ SZERSZE HORYZONTY W PROJEKTOWANIU 

Cyfrowa prefabrykacja i projektowanie parametryczne wspólnie rozszerzają horyzonty w projektowaniu architektonicznym. Niezwykle ważne jest opisanie procesu, który łączy te dwie dziedziny – file to factory. Praca z zastosowaniem algorytmów pozwala na zapis projektu w formie zarówno rysunku, jak i modelu trójwymiarowego. Możliwy jest także zapis w postaci kodu wykorzystywanego do programowania urządzeń. To oznacza, że podczas projektowania obiektu nie trzeba tworzyć dokumentacji w tradycyjnym rozumieniu, ponieważ na podstawie modelu można wygenerować pliki, które umożliwiają cyfrową fabrykację. Oznacza to również szansę, że w przyszłości projekt nie będzie wymagać przekrojów czy rzutów, jeżeli w całości będą go wykonywać maszyny. W kontekście programowania i cyfrowej prefabrykacji w budownictwie należy zwrócić uwagę na możliwość produkcji unikatowych elementów. Dla maszyny nie jest istotne, czy każdy kolejny detal jest identyczny, czy różni się formą od poprzedniego, a to oznacza, że produkcja zestawu paneli o tym samym kształcie może kosztować tyle samo, co fabrykacja takiej samej liczby elementów unikatowych. Ta cecha prefabrykacji otwiera drzwi do realizacji projektów architektonicznych o niestandardowych, krzywoliniowych formach, kreowanych z wykorzystaniem metod parametrycznych.

Moda na realizacje o takich formach stopniowo zanika – można powiedzieć, że tego typu obiekty nie przetrwały próby czasu ze względu na koszty utrzymania czy walory estetyczne. Jednak pośród wielu nieracjonalnych rozwiązań warto zwrócić uwagę na te, które dzięki wiedzy oraz doświadczeniu architektów i inżynierów mogą stanowić przykład dla podobnych realizacji. Jednym z nich jest niewątpliwie Museo Soumaya w Meksyku, autorstwa Fernando Romero Architects. Budynek o nieregularnej, krzywoliniowej formie, zwężającej się w połowie wysokości, został wykonany w konstrukcji stalowej, a naturalne światło wpada do niego jedynie przez przeszklony dach. Projektując fasadę, architekci wykorzystali trzy metody, które znacznie usprawniły proces zarówno fabrykacji, jak i realizacji całego obiektu. Pierwszą z nich było zastosowanie płaskich paneli sześciokątnych w miejsce trójkątnych. Takie rozwiązanie pozwala na redukcję liczby krawędzi, jednak wiąże się z innym problemem, mianowicie panel trójkątny na konkretnej powierzchni zawsze jest płaski, a sześciokątny może mieć każdy z wierzchołków na innej wysokości. Wiąże się to z potrzebą doginania płaskich elementów, aby dopasować je do powierzchni fasady. Architekci wybrali jednak panele sześciokątne, a różnice kątów między nimi wyeliminowali wizualnie przez odsunięcie ich od siebie i pozostawienie odstępu, dzięki któremu różnice te nie są widoczne. Drugą metodą było wykorzystanie jedynie paneli będących wielokątami foremnymi. Dzięki temu osoby je montujące nie musiały sprawdzać ich położenia tak dokładnie, jak jest to konieczne w przypadku paneli o innych kształtach. Ostatnia przyjęta przez twórców metoda, stanowiąca o walorach architektonicznych realizacji, to zastosowanie projektowania parametrycznego w celu znalezienia formy obiektu, pozwalającej na zbudowanie go z kilkudziesięciu typów paneli. Dzięki optymalizacji komputerowej znaleziono rozwiązanie, które umożliwiło zrealizowanie 80% fasady z powtarzalnych elementów, dzielących się na 52 kształty, co usprawniło organizację pracy.
 

Moduł prefabrykowanego domu w technologii 3D, Oak Ridge National Laboratory; fot. Oak Ridge National Laboratory / CC BY 2.0

PODSUMOWANIE 

Zarówno metody projektowania parametrycznego, jak i cyfrowa prefabrykacja stanowią krok w kierunku rozwoju architektury. Nowe technologie pozwalają marzyć o nowych formach i ujrzeć siebie w roli prekursora czy innowatora w danej dziedzinie. Jednak należy być również świadomym ograniczeń danej technologii, generowanych przez ekonomikę i ryzyka związane z realizacją. Warto przy tym pamiętać o prowokacyjnej wypowiedzi architekta Cedrica Price’a z 1966 roku: „Technologia jest odpowiedzią, ale jakie było pytanie?”. •

 

Kacper Radziszewski
Kacper Radziszewski

partner w firmie Designbotic, zajmującej się programowaniem, dostarczaniem indywidualnych narzędzi i symulacjami w dziedzinie architektury, asystent na Wydziale Architektury Politechniki Gdańskiej, autor publikacji naukowych, wiceprezes Fundacji Architektury Współczesnej

reklama

Warto przeczytać