Sposób zapisu projektu architektonicznego

2017-03-20 12:57 Robert Juchnevič, Kacper Radziszewski
Metropol Parasol
Autor: Rubendene, licencja: CC BY-SA 3.0 Struktura Metropol Parasol wytworzona z wykorzystaneim metod cyfrowej fabrykacji

Zapis projektu architektonicznego jest ściśle powiązany zarówno z narzędziami, z których korzystamy w trakcie projektowania, jak i z etapem procesu inwestycyjnego (projektowanie, fabrykacja, budowa), na którego podstawie ustalamy, jaką pełni on funkcję.

Tradycyjnie stosowane sposoby zapisu projektu w większości przypadków są graficzną reprezentacją projektu z informacją tekstową oraz liczbową i z reguły nie różnią się one od pierwszych wyskalowanych rysunków. Z traktatu Witruwiusza wynika, że Rzymianie w swoich opracowaniach korzystali z trzech rodzajów rysunków: rzutów, przekrojów oraz perspektyw – zestaw ten obowiązuje do dzisiaj.
Wraz z rozwojem nowych narzędzi komputacyjnych dotychczasowe opracowania poszerzył cyfrowy zapis projektu. Aktualnie można wyszczególnić kilka kategorii nowych sposobów zapisu:

  • rysunek 2D – CAD (cyfrowy rysunek, prezentacja projektu przez zestawy linii oraz tekstu) i CAD obiektowy parametryczny (elementy budowlane reprezentowane jako obiekty z zestawem parametrów określających ich cechy),
  • model 3D – „spłaszczona” geometria trójwymiarowa lub obiektowy model parametryczny,
  • algorytmy.

Ograniaczenia tradycyjnego sposobu zapisu projektu

Istnieje kilka typów błędów, które pojawiają się w dokumentacjach projektowych. Wśród najczęściej występujących należałoby wymienić te wynikające z nieznajomości zagadnienia, a także zwykłe niedopatrzenia, tzw. czynnik ludzki. O ile sposób zapisu nie ma wpływu na pierwszą grupę błędów, o tyle w przypadku drugiego odgrywa, kluczową rolę. Tradycyjny metoda, polegająca na powtarzających się czynnościach wykreślania, stwarza wiele sytuacji, w których można popełnić błąd. Z tego względu rozwiązania te obarczone są znacznymi ograniczeniami w stosunku do sposobów cyfrowych, opartych na modelach lub algorytmach. Automatyzacja procesu projektowego eliminuje w dużym stopniu błędy, a dodatkowo pozwala na większą swobodę wprowadzania zmian na dowolnym jego etapie pracy. Kolejnym utrudnieniem jest spłaszczona reprezentacja projektu zrozumiała wyłącznie przez człowieka (wydruk lub formaty cyfrowe, niemające informacji dodatkowych, innych niż prezentowane na rysunku).
Ograniczeniem jest także sam sposób opracowania tradycyjnego zapisu projektu, a dokładnie czas potrzebny na jego sporządzenie. Według słów Franka Gehry’ego Muzeum Guggenheima w Bilbao można byłoby wykonać w tradycyjny sposób, jednak przygotowanie samych rysunków trwałoby wtedy ok. 10 lat.

Projektowanie algorytmiczne

Każdy z projektów jest serią zależnych od siebie decyzji, opartych o wstępne założenia, ograniczenia wynikające z lokalizacji, wytyczne miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego, przepisy prawne itp. Proces projektowy można nazwać algorytmem – ciągiem zdefiniowanych, następujących po sobie czynności, bezpośrednio uzależnionych od siebie nawzajem. Jego częściami składowymi, w kontekście pracy architekta, są: dane wejściowe (np. założenia projektowe), proces ich przetwarzania oraz wynik – projekt architektoniczny. Już w 1960 roku włoski architekt Luigi Moretti zaprezentował koncepcję stadionu piłkarskiego, uznawaną za pierwszą algorytmiczną. Profil widowni stadionu był funkcją wynikową, bazującą na parametrach takich jak kąty widzenia czy wykonalność ekonomiczna. Dzięki zastosowaniu komputerów możliwy jest zapis projektu w formie cyfrowej, automatyzującej, a jednocześnie wielokrotnie przyspieszającej pracę. Wraz z popularyzacją komputerów powstało specjalne oprogramowanie cyfrowe wspomagające prace projektowe, jednak w głównej mierze usprawniające rysowanie oraz modelowanie trójwymiarowe.
W ostatnich latach dużą popularność zyskuje w architekturze projektowanie parametryczne, będące zapisem procedury projektowej w formie kodu, przy wykorzystaniu języków programowania komputerowego. Umożliwia ono, po zapisie procedury, dowolną zmianę parametrów projektu, co prowadzi do natychmiastowego generowania nowych rozwiązań projektowych, bez potrzeby powtarzania wszystkich czynności. Prostym przykładem, tłumaczącym działanie algorytmu w projektowaniu, może być zapis projektu domu jednorodzinnego. Aby zmodyfikować wymiary jednego z pomieszczeń, wystarczy w danych wejściowych zmienić jedną z wartości liczbowych, odpowiadających za szerokość pomieszczenia. W wyniku tego algorytm przetworzy dane od nowa, a następnie wygeneruje aktualny projekt bez potrzeby cyfrowego przerysowywania czy też oznaczania rysunku. Dodatkowo na podstawie uzyskanego wyniku możliwe jest analizowanie danych wyjściowych, takich jak powierzchnie pomieszczeń, zestawienie materiałów, analizy środowiskowe bądź szacunek kosztów.
Zapis algorytmu przy wykorzystaniu języków programistycznych został w ostatnich latach uproszczony na potrzeby projektantów, którzy nie dysponują wiedzą z zakresu programowania. Interfejs programu polega na uproszczeniu kodu tekstowego do tzw. bloczków, w których zawarta jest odpowiednia procedura. Po połączeniu odpowiednich elementów zostaje stworzony cały plan projektowy. Tego typu projektowanie nazywane jest Visual Scripting. Obecnie rozwija się w bardzo szybkim tempie, budząc ogromne zainteresowanie wśród projektantów. Do najpopularniejszych programów, oferujących możliwość uproszczonej pracy przy wykorzystaniu algorytmów, należą: Grasshopper3D, Generative Components oraz Dynamo.

Projektowanie obiektowe oraz technologia BIM

Wizja projektowania obiektowego po raz pierwszy pojawiła się już w 1962 roku, w artykule „Augmenting Human Intellect A Conceptual Framework” autorstwa Douglasa C. Engelbarta2. Opisał on sposób interakcji projektanta z programem do projektowania obiektowego. Miał on polegać na operowaniu obiektami (elementami budowlanymi) o określonych gabarytach i cechach w przestrzeni trójwymiarowej. Początkowo w programach komercyjnych wizja ta była realizowana jedynie w przestrzeni dwuwymiarowej, ze względu na ograniczenia sprzętowe.
W tego typu projektowaniu, w odróżnieniu od tradycyjnego, architekt definiuje elementy projektowanego budynku, składające się z grafiki reprezentującej dany element, oraz określa parametry zawierające dodatkowe informacje. Zdefiniowane obiekty dystrybuuje na rysunkach, a następnie uzupełnia stworzone wcześniej parametry. Tego typu zapis projektu jest zrozumiały również dla komputera, co z kolei pozwala projektantowi na swobodne żonglowanie danymi (zestawianie, sortowanie, filtrowanie i wyszukiwanie informacji zawartej w parametrach). Wadą tego sposobu zapisu jest jego wydruk lub „spłaszczenie”, które powoduje utratę wszystkich danych zawartych w parametrach i sprowadza opracowanie obiektowe do tradycyjnego rysunku. Żeby wykorzystać jego pełny potencjał, cyfrowa wersja powinna być traktowana jako podstawowy zapis projektu, natomiast spłaszczona – jako jego część.

W 1984 roku pojawia się pierwszy program komercyjny Radar CH (dzisiaj znany jako ArchiCAD), który – zgodnie z wizją Engelbarta – umożliwił architektom operacje elementami budowlanymi w 3D. Sprowadzenie projektowania obiektowego do trzeciego wymiaru spowodowało, że rysunki dwuwymiarowe są aktualnie generowane z modelu trójwymiarowego, będącego jedyną bazą elementów budowlanych danego obiektu. Otrzymywane z tej samej bazy danych rysunki cechuje spójność, niemożliwe staje się więc stworzenie przez niedopatrzenie dwóch wykluczających się rysunków. Mimo że hasło „BIM” (modelowanie informacji o budynku) nie było jeszcze znane, można uznać, że są to jego początki. Oprócz parametrów zawartych w obiektach pojawiła się możliwość określania zależności między nimi. Zmiana wysokości kondygnacji powoduje podwyższenie ścian, a przesunięcie ściany przemieszcza również wszystkie osadzone na niej elementy (okna, drzwi itp.). Można powiedzieć, że zapisem projektu staje się jego baza danych oparta na modelu trójwymiarowym, a rysunki są tylko jego reprezentacją. Następuje też zmiana sposobu projektowania, poprzez tworzenie modeli, a nie rysunków.

Geometrie trójwymiarowe

Prawie na każdym etapie projektowania architekci posługują się geometrią trójwymiarową. Często zdarza się, że każdy z nich wymaga tworzenia nowego modelu od podstaw lub modyfikacji istniejącego, ze względu na jego inne przeznaczenie. Coraz lepsza interoperacyjność programów pozwala przenosić modele 3D między nimi, jednak należy pamiętać, że model przeniesiony do innego środowiska przestaje być tym samym obiektem, a zawarte w nim informacje zostają okrojone. Nowe modele tworzy się w celu optymalizacji procesu projektowego, a także ze względu na ograniczenia wynikające z mocy obliczeniowej stacji roboczych. W zależności od przeznaczenia trójwymiarowy model możemy zakwalifikować do jednej z trzech grup:

  • do fabrykacji cyfrowych (geometria powierzchniowa NURBS lub geometria bryłowa),
  • do analiz środowiskowych (geometria powierzchniowa lub bryłowa Mesh, ograniczająca przestrzeń wewnętrzną od zewnątrz, z właściwościami materiałowymi przegród),
  • wizualizacji lub reprezentacji graficznej (zazwyczaj geometria powierzchniowa Mesh, oparta na siatce wielokątów z właściwościami materiałów dotyczących aspektów wizualnych).

Cyfrowa fabrykacja

Wraz z rozwojem oprogramowania dla architektów, umożliwiającego ealizację coraz śmielszych koncepcji, fabrykacja elementów budowlanych wymagała zastosowania urządzeń wykorzystywanych do tej pory przez inne branże inżynierskie. Dzięki wykorzystaniu maszyn sterowanych numerycznie, takich jak: frezarki, giętarki, wytłaczarki, drukarki 3D czy roboty, możliwe jest precyzyjne wytwarzanie prefabrykowanych elementów, zarówno modułowych, jak i unikatowych.
Jednak praca z automatycznymi urządzeniami fabrykującymi wymaga zapisu projektu w formie zakodowanej instrukcji, a nie, jak do tej pory, rysunku. Proces zapisu instrukcji odbywa się poprzez przetworzenie rysunku lub modelu trójwymiarowego, przy wykorzystaniu specjalistycznego oprogramowania, w ścieżki pracy narzędzia, przy jednoczesnym określeniu specyfikacji jego pracy (np. prędkości wrzeciona w przypadku frezowania czy podawania materiału w przypadku druku 3D).
Najpopularniejszą w zapisie metodą automatycznej obróbki materiału jest cięcie przy wykorzystaniu frezarki CNC. Jej zastosowanie pozwala na precyzyjne wycinanie obszarów z płaskich arkuszy tworzywa. Do najczęściej stosowanych w architekturze surowców, poddawanych obróbce przy wykorzystaniu sterowania numerycznego, należą: sklejki drewniane, tworzywa sztuczne oraz kompozyty elewacyjne. Obróbka materiału polega na automatycznej kontroli ścieżki cięcia wrzeciona na podstawie instrukcji przekazanej operatorowi urządzenia przez projektanta. Zapisem prawidłowej instrukcji jest rysunek 2D, określający krzywe cięcia, który może zostać zapisany jako rysunek CAD elementów. W zależności od potrzeb materiał może zostać wyfrezowany w całości, wygrawerowany (opis elementów) bądź – przy wykorzystaniu odpowiednich frezów lub dodatkowej osi – cięty pod kątem, co pozwala na szerokie zastosowanie urządzenia. Gotowe elementy mogą pełnić funkcję fasady, a także fragmentów wystroju wnętrz lub konstrukcji.
Największym, a za razem jednym z najlepszych przykładów wykorzystania technologii CNC w architekturze jest Metropol Parasol w Sewilli autorstwa Jurgen Mayer H. Architects. W uproszczeniu praca nad projektem polegała na wygenerowaniu pełnej bryły pawilonu, podzielonej na segmenty ze względu na skalę obiektu, którą następnie zastąpiono serią przekrojów. Obrysy elementów posłużyły jako ścieżka cięcia dla numerycznie sterowanej frezarki, co pozwoliło na precyzyjną prefabrykację przekrojów, bez względu na stopień skomplikowania projektu. W związku z nowymi technikami fabrykacji architektura w coraz większym stopniu jest składana na placu budowy, niż wytwarzana, co znacznie przyspiesza proces budowy, a dodatkowo uniezależnia go od warunków atmosferycznych.

budynek Fundacji Louis Vuitton. Projekt: Frank Gehry
Autor: www.fundationloisvuitton.fr Schemat konstrukcyjny budynku Fundacji Louis Vuitton. Projekt: Frank Gehry

Model 3D na placach budowy

Model 3D staje się podstawowym elementem komunikacji również na placach budowy. Firma Turner Construction, zarządzająca budową World Trade Center Transportation Hub, aby sprostać napiętym terminom oraz poprawić efektywność, uznała, że tradycyjna dokumentacja projektowa jest niewystarczająca. Sięgnęła więc po program SketchUp, umożliwiający szybkie modelowanie 3D, i stworzyła do niego serię dodatków, pozwalających m.in. na generowanie modeli 3D na bazie płaskich rysunków. Posłużyły one do przedstawiania złożonych sytuacji projektowych budowanego obiektu oraz elementów tymczasowych związanych z placem budowy. Dodatkowo były wykorzystywane do: zestawień, planowania faz budowy, wyburzeń oraz treningów bezpieczeństwa na placu budowy.

Montaż automatyczny

Wizje wyeliminowania nie tylko tradycyjnej formy zapisu projektu w postaci rysunku technicznego, lecz także budowniczych obiektów powoli mają szansę stać się rzeczywistością za sprawą automatycznych urządzeń – robotów do tej pory spotykanych głównie w halach produkcyjnych. Nie wymagają one instrukcji w formie rysunku, a jedynie w postaci kodu, który może zostać wygenerowany bezpośrednio na podstawie modelu trójwymiarowego, tak jak odbywa się to w przypadku druku 3D, w którym model zostaje zamieniony w ścieżki pracy urządzenia. Obecnie możliwe jest wykorzystanie robotów do realizacji precyzyjnych zadań, takich jak np. montaż paneli elewacyjnych według instrukcji, będących częścią projektu architektonicznego. W pełni zautomatyzowane sposoby organizacji i prowadzenia budowy w dalszym ciągu wymagają jednak wielu lat badań, eksperymentów oraz prac wdrożeniowych.

Instrukcje dźwiękowe

Niewątpliwie, ze względu na niekonwencjonalne podejście do sposobu przetransponowania myśli architektonicznej w realny obiekt, na uwagę zasługuje koncepcyjna praca autorstwa Mike’a Silvera. Ten architekt i programista stworzył eksperymentalne oprogramowanie o nazwie AutomasonMP33, które umożliwia pominięcie rysunku architektonicznego w całym procesie budowy. Według założenia projektant tworzy wewnątrz oprogramowania trójwymiarowy model budynku, możliwy do wybudowania przy wykorzystaniu cegły. Następnie koncepcja zostaje przetworzona na plik audio, stanowiący bezpośrednią instrukcję dla murarza, nawigującą jego pracę, która jest odtwarzana przy pomocy słuchawek połączonych z odtwarzaczem MP3.
Niekonwencjonalna praca badawcza miała na celu zachęcenie architektów do poszukiwania nowych, rewolucyjnych form realizacji ich projektów, jednocześnie podważając konieczność wykorzystywania rysunków 2D jako pośrednika pomiędzy myślą a realizacją.
Nowe sposoby zapisu projektu stwarzają dodatkowe możliwości w kształtowaniu form architektonicznych, ale jednocześnie coraz częściej wymagają indywidualnych rozwiązań, zarówno technologicznych, jak i projektowych. Należy przy tym podkreślić, że sposoby te nie dotyczą jedynie budynków o skomplikowanej geometrii, lecz służą usprawnieniu codziennej pracy architekta.

Czy artykuł był przydatny?
Przykro nam, że artykuł nie spełnił twoich oczekiwań.
Czytaj więcej