Czym jest projektowanie parametryczne?

2017-02-07 15:13 prof. nadzw. dr hab inż. arch. Krystyna Januszkiewicz, Zakład Projektowania Architektonicznego Zacho
International Terminal Waterloo, Londyn
Autor: Nicholas Grimshaw and Partners International Terminal Waterloo, Londyn

W topologii przestrzeń parametryczna to uogólnienie przestrzeni metrycznej, bez uwzględniania warunków opisujących symetrię, nierozróżnialność oraz nierówność boków trójkąta.

Przyjmując zbiór ze zdefiniowaną odległością dla par elementów, otrzymuje się tzw. metrykę i przestrzeń metryczną. Może być to n-wymiarowa przestrzeń euklidesowa, tzn. do pojęć pierwotnych dochodzą hiperpłaszczyzny o wymiarach aż do n-1 włącznie. Przedstawieniem krzywych parametrycznych na płaszczyźnie i w przestrzeni są funkcje ciągłe. Dzięki tym krzywym mogą istnieć powierzchnie NURBS i powierzchnie Béziera.

Zobacz więcej: Warsztat architekta - akcja specjalna Muratorplus.pl

Projektowanie parametryczne było już znane i wykorzystywane wcześniej w branży samochodowej, lotniczej i okrętowej oraz w tworzeniu produktów przemysłowych. Hugh Whitehead, Robert Aish, John Parrish i Lars Hesselgren (SmartGeometry Group) w połowie lat 80. XX wieku opracowali jego metodologię dla architektury. Zmieniło to reprezentację projektu z czytelnego zapisu geometrycznego na instrumentalne powiązania geometryczne.
W przestrzeni parametrycznej może powstać nieskończona liczba podobnych do siebie obiektów geometrycznych, manifestacji przygotowanych wcześniej schematów zmiennowymiarowych czy wzorów relacji i działań wzajemnie od siebie zależnych. Zmiennym przydzielane są określone wartości, a każdy przypadek daje potencjalnie nieograniczone możliwości. Parametry mogą wygenerować atrakcyjne koncepcje architektoniczne, gdy stałe z jedną zmienną zastąpi się w opisie stałymi z wieloma zmiennymi. Aby scharakteryzować relacje między obiektami, stosuje się równania matematyczne, definiujące asocjatywność geometrii, czyli taki jej składnik, który sprawia, że elementy są ze sobą powiązane. W przestrzeni parametrycznej można zatem ustalić zależności między obiektami tak, aby podczas transformacji mogły się one zachowywać w założony sposób. Właśnie ta zdolność określania, ustalania i rekonfiguracji powiązań geometrycznych jest wyjątkowo cenna.

 

Powierzchnia NURBS
Autor: brak danych Powierzchnia NURBS ukształtowana przez manipulacje punktami kontrolnymi w projekcie obiektu rekreacyjnego w krajobrazie naturalnym – analizy Gaussa i zebry dla badania krzywizny i ciągłości modelowanej powierzchni (autor: Monika Bonecka, źródło: WBiA ZUT w Szczecinie, 2014–2015)

Pierwszą zrealizowaną budowlą zaprojektowaną parametrycznie jest przekrycie peronów International Terminal Waterloo w Londynie (1990–1993), za którą odpowiadają Nicholas Grimshaw and Partners oraz SmartGeometry Group – pionierzy wykorzystania Intergraph’s Vehicle Design System. Obiekt stanowi demonstrację asocjatywnej geometrii oraz korzyści konceptualnych – dzięki zadaszeniu długich na 400 m peronów, które zwężają się od 50 do 35 m szerokości. Składa się ono z 36 łukowych elementów nośnych o różnych wymiarach, lecz o tym samym kształcie. Najpierw stworzony został model parametryczny jednego komponentu, by na jego podstawie powstała baza reguł generujących rozpiętość i krzywiznę w taki sam sposób u pozostałych.
Następnie parametrowi przydzielono rozpiętość 36 różnych wartości, identycznych topologicznie, by elementy mogły zostać policzone i wprowadzone do modelu geometrycznego projektowanego obiekt.

Innym przykładem jest Weltstadthaus (1999–2005) – dom handlowy położony w centrum Kolonii, projektu Reza Piana. Inwestycja ma 130 m długości i 34 m wysokości. Oferuje 22 tys. m² powierzchni użytkowej, z czego 15 tys. to otwarte przestrzenie publiczne. Dwukrzywiznowa powierzchnia, płynnie wpisująca się w tkankę miejską, powstała z drewna, stali i szkła. Z drewna wykonano 46 żeber nośnych dźwigających powłokę architektoniczną o powierzchni 4900 m², widoczną od strony Schildergasse. Składają się one z giętych segmentów mocowanych i zestawianych odpowiednio do wymogów pracy strukturalnej całości formy.
W parametrycznej przestrzeni cyfrowej mogą powstawać bryły ukazujące specyficzny zestaw hierarchicznych zależności pomiędzy ich elementami. Wykorzystują to architekci, opracowując pełne spektrum rozwiązań, które można analizować, zmieniając wartości parametrów kontrolujących kształt obiektu.
W ten sposób uzyskano dwukrzywiznową formę domu towarowego Weltstadthaus. W projekcie parametrycznym fasada została wyznaczona tylko przez dwie krzywe: horyzontalną obrysu budynku, precyzującą jego rzut na planie, oraz określającą grzbiet budowli. Mając je, łatwo było wytyczyć powierzchnię i jej podziały, które definiuje tylko kilka zasad algorytmicznych. Celem było znalezienie optymalnego i harmonijnego podziału dwukrzywiznowej fasady, dogodnego dla systemów strukturalnego oraz szklanych paneli zewnętrznych.
Napisanie skryptu, który ustala związek między krzywymi oraz opracowanie reguł zajmuje mniej czasu niż narysowanie trójwymiarowej fasady, posługując się myszką i komputerem. Mając skrypt, można bowiem w ciągu kilku minut generować nowe trójwymiarowe opcje przez modyfikacje krzywych bądź zasad. Wystarczyło zatem opisać parametrycznie tylko jeden element przyjętego systemu strukturalnego, a program zrobił to samo z pozostałymi, w tym z 3800 szklanymi taflami, choć żadna z nich nie jest powtarzalna.
Oprócz opisu dwóch krzywych (horyzontalnej i wertykalnej) twórca modelu 3D – Arnold Walz musiał jeszcze określić cztery charakterystyczne punkty potrzebne do podziału formy na segmenty. Chodziło o wyznaczenie geometrii 46 żeber nośnych oraz wydzielenie fragmentów osłony ze szkła (widocznych na modelach parametrycznych) i ich skorelowanie przestrzenne. Segmenty szklanej obudowy optymalizowano w taki sposób, aby odległości pomiędzy panelami mogły być absorbowane przez metalowe ramy płaskich tafli szkła. Modele parametryczne wykonane przez Walza posłużyły także do zwiększenia możliwości tej struktury o skomplikowanej geometrii. Poszczególne składowe fasady wykonane zostały przez roboty CNC.

Projekt Renza Piana, jak uważa Walz, jest znakomitym przykładem zastosowania prostych rozwiązań przy pozornie dużej złożoności formy.

Cyfrowe narzędzia parametryczne posłużyły także do opracowania Yas Island Marina Hotel (2007–2009) przy torze wyścigowym Formuły 1 w Abu Dhabi. Hani Rashid i Lise Anne Couture zaprojektowali dwa eliptyczne bloki po 10 kondygnacji i długości 300 m każdy, powiązane przewiązką. Wszystkie te elementy okrywa, niczym woalka, i optycznie łączy w całość strukturalna dwukrzywiznowa powłoka. Wyzwaniem było takie jej zaplanowanie, aby nie była ona tylko dekoracją, ale służyła do modulacji mikroklimatu we wnętrzach hotelu. Tę strukturalną powłokę stanowi stalowa siatka oraz 5800 romboidalnych obrotowych paneli ze szkła. Podczas prac posłużono się programem Digital Project, który dzięki parametrycznym narzędziom pozwalał wyznaczyć wszystkie elementy inwestycji. Dziś projekt ten można byłoby wykonać przy pomocy Grasshopper i skorzystać z BIM-u w bibliotekach innych aplikacji.

Wspomniany, popularny Grasshopper daje szerokie możliwości nie tylko geometrycznego kształtowania formy, ale także współpracuje z programami inżynierskim, co powala na wszechstronne opracowanie koncepcji.

Projektowanie parametryczne jest metodą cyfrową opartą na relacjach i zasadach. Są one zdefiniowane w oprogramowaniu parametrycznym i pozwalają na manipulowanie rozmaitymi interakcjami geometrycznymi oraz ich szybkie generowanie w projekcie 3D. Modele parametryczne to sieć powiązań geometrycznych, które mogą być przetwarzane w różnych kontekstach przestrzennych. Projektowanie tego typu często pociąga za sobą procedury algorytmicznej deskrypcji geometrii, zwłaszcza gdy poszukuje się nowych pomysłów w odniesieniu do formy planowanego obiektu. Ponadto, używając parametrycznych programów wspomagających projektowanie, architekci mogą włączać w ten proces podstawowe aspekty budowlane dotyczące materiału, technologii wytwarzania, właściwości strukturalnych oraz środowiska. W ten sposób staje się on procesem iteratywnym, generatywnym i reaktywnym. Po raz pierwszy w historii architekci nie projektują, lecz niejako generują obiekty poprzez wykorzystywanie określonego zestawu zasad zakodowanych w sekwencjach równań parametrycznych. Narzędzia te sprawiają, że złożone problemy przekształcane są w proste, racjonalne decyzje. Niesie to jednak ze sobą nowe wymagania. Od projektantów oczekuje się bowiem głębszego zrozumienia geometrii, matematyki oraz umiejętności obsługi oprogramowania. Dzięki współczesnym rozwiązaniom informatycznym mamy więc do czynienia z zupełnie nową jakością projektowania architektonicznego, o nie do końca dających się jeszcze przewidzieć konsekwencjach.

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