Parametrisch ontwerpen en Visual scripting

Parametrisch ontwerpen wordt steeds relevanter. Vooral omdat de bouwsector zich nu meer openstelt voor het brede gebruik van technologie. De laatste jaren zien we een toename van niet-traditionele hulpmiddelen die gericht zijn op de gehele bouwindustrie. Er worden tegenwoordig steeds complexere constructies ontworpen, waarvoor traditionele ontwerpmethoden niet gemakkelijk kunnen worden toegepast. Het is in deze tijden dat innovaties plaatsvinden. Parametrische ontwerptools die enkele jaren geleden nog bijna uitsluitend door architecten werden gebruikt, zijn nu beschikbaar voor bouwkundige en civiele ingenieurs. Laten we eens nader kijken naar parametrisch modelleren en ontwerpen.

Waarom parametrisch?

In het algemeen kunnen bedrijven profiteren van een verhoogde productiviteit door gebruik te maken van parametrisch ontwerpen. Een parametrische ontwerpworkflow helpt bij het maken, onderhouden en optimaliseren van constructieve rekenmodellen, terwijl de modeldefinitie duidelijk en leesbaar blijft. De meest gebruikelijke manier om constructies parametrisch te ontwerpen is via Visual Scripting. Grasshopper, een plugin voor Rhinoceros (een 3D modelleerpakket), is een van de meest gebruikte visual scripting omgevingen. Dynamo biedt een gelijkaardige functie voor Autodesk Revit. Bij visual scripting wordt een algoritme gebruikt om verschillende entiteiten (d.w.z. punten, lijnen en vlakken) in de 3D-modelruimte te creëren. Dit algoritme volgt een lineaire logica en is relatief eenvoudig te definiëren in de grafische gebruikersomgeving. In vergelijking met traditionele programmeertalen is Visual scripting veel intuïtiever. Op voorwaarde dat het visual script robuust is opgesteld, kunnen wijzigingen in de structuurtopologie (d.w.z. de geometrie van de constructie) uiterst snel worden doorgevoerd.

De meest eenvoudige workflow is simpel - definieer twee punten (d.w.z. knooppunten), en verbind deze punten met een lijn. Als de plaats van een van beide punten verandert, zal de lijn ze nog steeds verbinden. Hetzelfde idee kan worden toegepast op het maken van lijsten van nodes en lijnen, om uiteindelijk een structureel systeem te genereren. Het is zeker leuk om te beginnen met visual scripting, en iedereen kan in korte tijd behoorlijk productief worden. Figuur 1 toont bijvoorbeeld een visual script dat een 3D ruimtevakwerk genereert voor een dakoverkapping met aangepaste geometrie. Met wat oefening (en training) zou dit visual script in slechts 15 minuten gemaakt kunnen worden.

Fig 1 – Visual script dat een 3D ruimtevakwerk topologie genereert (resulterende structuur topologie linksonder)

Visual scripting biedt een leesbaar "script" dat kan worden overgezet naar de meeste commerciële constructieberekeningssoftware. De gescripte modeltopologie (structuurgeometrie en afmetingen van doorsneden) kan worden geïmporteerd in populaire analyse- en ontwerpsoftwarepakketten door gebruik te maken van andere softwarecomponenten. Deze softwarecomponenten zijn ruim beschikbaar en worden regelmatig gratis ter beschikking gesteld. Koppelingen met software, zoals SCIA Engineer, Tekla Structures, Dlubal, IDEA StatiCa, enz., zijn voor Grasshopper gratis beschikbaar. Een belangrijk voordeel van Grasshopper is de openheid; iedereen met basis programmeervaardigheden kan een nieuwe component maken om in een specifieke behoefte te voorzien en het delen met de gemeenschap. Natuurlijk is geavanceerde programmeervaardigheid vereist om FEA solvers of analysegereedschappen te creëren voor complexe onderwerpen zoals real-time analyse van trekmembraanstructuren (bv. de Kangaroo plugin), computationele vloeistofdynamica (CFD solvers voor windtunnelsimulaties), of geavanceerde weerberekeningen (bv. de Ladybug plugin). Het open karakter van visual scripting stelt gebruikers in staat de meest geschikte tools te kiezen om een willekeurig aantal ontwerptaken uit te voeren, terwijl dezelfde gescripte modeltopologie wordt gebruikt. Naast de modeltopologie moet de ingenieur ook randvoorwaarden toevoegen (steunen, scharnieren, belastingen, enz.) die allemaal in het visual script kunnen worden gedefinieerd. Gebruikers kunnen bijvoorbeeld een SCIA Engineer berekening automatisch in een lus laten lopen om de constructie te optimaliseren, terwijl de resultaatwaarden worden afgedrukt en bij elke iteratie de controles van de elementen worden uitgevoerd. Opgemerkt moet worden dat bij het werken met SCIA Engineer sommige instellingen niet in het gescripte model kunnen worden gedefinieerd. Bijvoorbeeld netinstellingen of het selecteren van de juiste resultaten om te exporteren. In deze gevallen kunnen gebruikers sjabloonprojectbestanden gebruiken om deze parameters vooraf te definiëren voordat ze het gescripte model omzetten in het analysemodel.  

Uitdagende constructies - luchthavens en stadions

Een van de belangrijkste toepassingen van parametrisch ontwerpen zijn constructies die te complex zijn om handmatig te modelleren. Stadions, luchthavens, hoogbouw (of om het even welke mijlpaalstructuur) ontworpen door ambitieuze architecten hebben één ding gemeen: zeer complexe vormen die vaak te ingewikkeld zijn om met conventionele middelen te modelleren binnen haalbare tijdsbeperkingen. Grote architectenbureaus (bv. Zaha Hadid Architects) maken dagelijks gebruik van de parametrische aanpak. Bouwkundig ingenieurs zouden zeer efficiënt kunnen worden als zij leerden het door de architecten geproduceerde parametrische model te gebruiken om de bouwkundige geometrie te genereren. Parametrische ontwerpmethodes stellen de ingenieur in staat om rekenmodellen te maken van de meest veeleisende projecten in minuten in plaats van maanden. Deze modellen kunnen duizenden staven bevatten, maar wijzigingen kunnen relatief gemakkelijk worden doorgevoerd, geanalyseerd en ontworpen. 
Een van de meest recente toepassingen van deze aanpak is het monumentale Al Janoub Stadion in Qatar (fig. 2), waar ingenieurs van AECOM parametrische methoden gebruikten om de structuur te conceptualiseren en te ontwerpen. Het stadion werd gebouwd voor de wereldbeker voetbal van 2022. Het biedt plaats aan 40 000 toeschouwers en zal worden gebruikt tot en met de kwartfinales van het toernooi. Daarna zal het worden omgebouwd tot een stadion met 20 000 zitplaatsen en worden gebruikt door de Al Wakrah Sports Club. Het dak bestaat uit twee symmetrische delen, waarbij elke zijde uit drie schalen bestaat. De bovenste lagen van het stadion zijn zo ontworpen dat zij na het toernooi kunnen worden verwijderd. De dakstructuur, die bestaat uit 185 m gestutte bogen, onderging een constructief ensceneringontwerp, brand engineering en plaatontwerp voor de gebeeldhouwde V-kolommen die de primaire bogen ondersteunen. 

Fig. 2 – Al Janoub Stadion in Qatar [1] Links: Structuurberekeningsmodel in SCIA Engineer zoals voorgesteld in de SCIA Gebruikerswedstrijd 2020; Rechts: Architecturale visualisatie

De uitdaging bestond erin een stadion te creëren dat een ervaring van wereldklasse biedt. Dankzij de snelle prototyping met behulp van parametrisch ontwerpen met SCIA Engineer en de interoperabiliteit met virtuele realiteitsomgevingen konden de ingenieurs verschillende oplossingen testen en opties evalueren om een stadion te produceren dat beantwoordt aan de visie van de architect.

De aanpak die werd gevolgd om het parametrische model van het Al Janoub-stadion te creëren, verschilt niet veel van het voorbeeld van het ruimtevakwerk dat eerder werd getoond (Fig. 1.). Het script was echter wel complexer en de ontwerper moest de volledige controle over de gegevens hebben. Gewoonlijk worden dergelijke projecten verdeeld in verschillende delen die met elkaar verbonden zijn, maar gemodelleerd door afzonderlijke deelscripts. In de laatste stappen worden alle elementen samengevoegd tot één lange lijst die vervolgens kan worden gekoppeld aan het structurele analysemodel.

Van parametrisch naar generatief ontwerpen

Opkomende gebieden van parametrisch ontwerpen zijn topologie-optimalisatie, form-finding en generatief ontwerpen. In al deze gevallen definieert de ingenieur de grenzen van de mogelijke oplossing, waarna geavanceerde algoritmen iteratief de optimale oplossing vinden. Bij generatief ontwerpen wordt kunstmatige intelligentie (AI) gecombineerd met parametrisch ontwerpen om de beste constructievorm te kiezen. Voor het pragmatisme is de AI niet volledig vrij om de optimale vorm te vinden; de ingenieur zal enkele randvoorwaarden moeten definiëren om de AI te leiden. Typisch zijn deze voorwaarden gedefinieerde steungebieden en het volumetrische domein waarin de constructievorm kan bestaan. Generatieve ontwerpalgoritmen kunnen vaak leiden tot unieke resultaten, omdat constructies worden geoptimaliseerd voor hun unieke omstandigheden. Interessant is dat op deze manier geoptimaliseerde structuren vaak lijken op vormen die in de natuur voorkomen (Fig. 3).

Constructievormen die door het generatieve ontwerp worden geproduceerd lijken heel vaak op bomen. Als je de "bovenbouw" van een boom bekijkt, is de stam het sterkst aan de basis, omdat dit de plek is waar alle krachten en momenten als gevolg van bladeren, takken en windbelasting het grootst zijn. De stam verdeelt zich in grote takken, die zich steeds verder verdelen in kleinere en dunnere takken. Uiteindelijk bedekken optimaal gevormde bladeren aan de uiteinden van de takken een zo groot mogelijk oppervlak om zonlicht op te vangen. De evolutie drijft bomen ertoe zo efficiënt mogelijk te zijn, en de vormen die zich ontwikkelen zijn direct verbonden met de omstandigheden waarin de boomsoort bestaat. Dezelfde principes kunnen worden toegepast op design, architectuur en engineering. Een soortgelijke efficiëntie kan worden waargenomen bij bruggen met grote overspanningen, waar het gebruik van materialen grotendeels bepalend is voor het ontwerp van de constructie. Efficiëntie is altijd een fundamenteel vraagstuk geweest in de constructietechniek.

Fig. 3 –Typisch geval van generatief ontwerpen.

Natuurlijk kan generatief ontwerp ook op andere gebieden worden gebruikt dan het ontwerpen van natuurlijke vormen en organische structuren. Het zou kunnen worden gebruikt om een optimale indeling van flats in een gebouw met meerdere verdiepingen te vinden of om hele stedelijke gebieden te optimaliseren zodat ze comfortabeler zijn voor de bewoners. Door een laag van AI of machinaal leren toe te voegen aan parametrische ontwerpalgoritmen kan de ingenieur enorme hoeveelheden potentiële ontwerpoplossingen vergelijken en praktisch het meest efficiënte schema selecteren. Dit proces zou realistisch gezien niet mogelijk zijn met traditionele engineeringmethoden.

Parametrisch brugontwerp

Een duidelijke sector van de constructiebouw waar projecten baat kunnen hebben bij parametrische methoden is het ontwerpen van bruggen. Bij het ontwerpen van steeds langere overspanningen moet het constructiesysteem zeer efficiënt zijn om onnodige constructiemassa te verwijderen. Dit is zeer in overeenstemming met de parametrische ontwerpbenadering. Het profiel en de planologische kromming van een brug worden vaak bepaald door de uitlijning, het profiel en de dwarsdoorsnede van de rijbaan of spoorweg die zij ondersteunt. Wanneer de kromming van de brug aanzienlijk is in plan of profiel, wordt het maken van een analysemodel vaak vervelend en foutgevoelig. Dit geldt vooral voor brugvormen (b.v. vakwerkliggers, hangbruggen of tuibruggen) die over het algemeen uit veel elementen zijn samengesteld. Parametrisch ontwerpen biedt een efficiëntere methode om datzelfde rekenmodel in minder tijd te maken. Bovendien is het mogelijk om het rekenmodel direct uit het scripted model te genereren als het ook parametrisch wordt gemaakt. 
Daarnaast is een belangrijk voordeel van parametrisch brugontwerp de mogelijkheid om bestaande scripts te hergebruiken, wat een groot productiviteitsvoordeel is. Aangezien bruggen over het algemeen veel op elkaar lijken, kan het hergebruiken van scripts van eerdere projecten van hetzelfde brugtype veel ontwerptijd besparen. Bedenk dat goede scripts afhankelijk zijn van het voldoen aan de ontwerpvoorwaarden en niet uitsluitend van exacte getallen. De hangbrug in figuur 4 hieronder bevindt zich in Tsjechië. Nadat het parametrisch model was gemaakt, werd het omgezet in een rekenmodel in SCIA Engineer door een Grasshopper plugin - Koala. De FE-analyse en ontwerpcontrole van de stalen liggers werd vervolgens voltooid in SCIA Engineer.

Fig. 4 – Sázava voetgangersbrug gemodelleerd door visual scripting en was te zien in de SCIA Gebruikerswedstrijd 2020. [3]

Diverse brugtypes kunnen parametrisch worden gemodelleerd en ontworpen, maar de manier waarop documentatie wordt verstrekt aan autoriteiten, belanghebbenden en het bouwteam kan worden getransformeerd door BIM-softwaretools te koppelen aan het parametrische model. Door deze hulpmiddelen te combineren kunnen ontwerpers modellen produceren die rijk zijn aan gegevens die kunnen worden gebruikt tijdens de bouw- en onderhoudsfase van de levenscyclus van de brug.

Fig. 5 – Visualisatie van het BIM-model van de Randselva-brug, Noorwegen. [4]

Het hebben van een centraal model hielp bij het oplossen van botsingen tussen wapeningsstaven, voorspankabels en andere dienstwegen op de brug. Dit proces verminderde en minimaliseerde potentiële botsingen op de bouwplaats die anders vertragingen in het bouwproces zouden veroorzaken. Het land dat in deze ontwikkeling het verst lijkt te zijn gevorderd, is Noorwegen. De Randselva-brug werd in 2016 ontworpen door de wegbeheerder van Noorwegen. De constructie was gebaseerd op een uitgebreid BIM-model. Het model bevatte informatie over onder meer de wapening van elke bouwfase, de leuningen en de afwerkingen van het wegdek. Het as-built BIM-model werd ook gearchiveerd door de Noorse wegbeheerder als uitgebreide informatie voor onderhouds- en operationele doeleinden. In feite worden tegenwoordig de meeste bruggen in Noorwegen in de vorm van een BIM-model aan autoriteiten en aannemers voorgelegd. Ongetwijfeld zullen andere landen dit voorbeeld volgen.

Conclusies

Parametrisch ontwerpen zal zeker verandering brengen in de manier waarop ingenieurs complexe bouwkundige projecten benaderen en aanpakken. Momenteel wordt de kracht ervan het meest benut bij het ontwerp van wilde architectonische constructies. Toch biedt het ingenieurs een snelle methode om rekenmodellen te maken voor gecompliceerde structurele geometrieën, met als bijkomend voordeel dat het wijzigingen in het project kan bijhouden. Bovendien is het voor de meeste brugingenieurs een haalbare oplossing om het ontwerpproces te automatiseren en tegelijkertijd mogelijk nog meer tijd te besparen door beter hergebruik van eerder werk van voltooide projecten.   

 

REFERENCES

[1] https://www.scia.net/en/user-stories/al-janoub-stadium

[3] https://www.scia.net/en/company/references/uc-books

[4] https://e-mosty.cz/wp-content/uploads/e-mosty-Sept21.pdf