10 thema Een nieuwe manier van denken De rol van parametrisch modelleren in het ontwerpproces thema Een nieuwe manier van denken 6 2018 11 Zo'n tien jaar geleden presenteerde David Rutten zijn programma Grasshopper op de TU Delft. Zelfs voor diegenen die destijds al bekend waren met vergelijkbare middelen zoals Processing of GenerativeComponents, was deze vorm van parametrisch modelleren een openbaring. Parametrisch modelleren wint de laatste tijd aan populariteit in Nederland. Het zal naar verwachting als dienst niet meer onderscheidend zijn, maar een van de vele middelen die een architect, ingenieur of tekenaar tot zijn beschikking heeft. Wat meer gechargeerd zou je kunnen stellen dat het een gemeenschappelijke taal en manier van denken wordt.     Wat onderscheidt parametrische software? Parametrische software wordt vaak vergeleken met een spread- sheet; één die zijn geometrische resultaten kan weergeven in een CAD-programma. Deze vergelijking is best logisch maar doet tekort aan de potentie van parametrisch modelleren. Je kunt met parametrische software inderdaad een model opbou- wen waarin onderlinge relaties behouden blijven voor een reeks invoeren of een variatie van de invoer. Maar parametrische software onderscheidt zich verder op drie punten: ? Er is niet alleen een grafische weergave, maar deze dient ook als een grafische interface. Hierdoor kan de invoer niet alleen numeriek of tekstueel zijn, maar ook van geometrische aard. ? Er is sprake van een visuele programmeeromgeving op basis van flow-based programming, die programmeren en daarmee digitaal modelleren zeer laagdrempelig maakt. ? Er is een breed scala aan mogelijkheden de software te koppelen aan externe soft- en hardware (mede mogelijk door een grote gemeenschap die deze koppelingen ontwikkelt en beschikbaar stelt).  Elk van deze punten biedt unieke toepassingen in de bouw. 1 dr.sc.ir. Diederik Veenendaal Summum Engineering 1 NEST HiLo 1:1 prototype, Zürich, 2017 bron: BRG, ETH Zürich, foto: Michael Lyrenmann De laatste twee jaar kunnen we in Nederland spreken van een omslag als het gaat om parame ­ trisch modelleren, met een toenemend aantal evenementen en publicaties dat aan het onderwerp is gewijd. Maar wat is nu precies het nut ervan in de bouw, en specifiek in het ontwerpproces? En wat gaat de toekomst ons op dit gebied brengen? Een nieuwe manier van denken6 2018 12 van tevoren duidelijk zijn gedefinieerd, bijvoorbeeld met wiskundig formules (zie kader 'Voorbeeld: Additive Stereo- tomy') of geometrische verbanden (zie kader 'Voorbeeld: Palawan Koepel'). Het kan ook gaan om een iteratief proces zoals 'form-finding' (zie kader 'Voorbeeld: Portalen-paviljoen'), waarbij vooraf doelstellingen en randvoorwaarden zijn bepaald, dat tot ? af en toe verrassende ? resultaten leidt. In dit laatste geval spreekt men soms liever van generatief of algoritmisch in plaats van parametrisch ontwerpen. Dit mede omdat de laatste term zijn herkomst vindt in parametrische vergelijkingen in de wiskunde, die nadrukkelijk geen iteratief karakter hebben.   Toepassing in het ontwerp (procedureel en iteratief ) De grafische in- en uitvoer van parametrische software zorgt voor een directe aansturing en terugkoppeling van het model. Het maakt er een uitstekend ontwerpmiddel van. Door de logi- sche verbanden tussen onderdelen in het 3D-model te waar- borgen, kan iemand razendsnel, en vooral vele varianten verkennen. Deze verbanden kunnen veel breder van aard zijn dan het beperkte aantal puur geometrische relaties dat een CAD-programma soms biedt.   Een parametrisch model kan in een ontwerpstadium procedu- reel zijn, waarbij alle parameters en hun relaties tot het ontwerp Voorbeeld: Additive Stereotomy Het schaalmodel 'Stereotomy 2.0' is een betonnen gewelf dat bestaat uit een reeks voorgespannen boogconstructies van 3D-geprinte betonblokken (fig. 2). De blokken zijn hol en nemen naar boven toe af in gewicht door de grote van deze holten. De vorm van de boog en het verloop in gewicht zijn volledig analytisch bepaald en te beschrij- ven met twee wiskundige formules die in een Grasshopper-model zijn verwerkt (fig. 3). Het project is een voorstel en wordt ontwikkeld door de New Fundamentals Research Group van de Polytechnische Universiteit van Bari in samenwerking met Summum Engineering.   2 Additive Stereotomy, schaalmodel 'Stereotomy 2.0' tentoonstelling, NYIT School of Architecture and Design, 2018 bron: Barberio Collela ARC / foto: G. Fallacara 3 Additive Stereotomy, parametrisch ontwerp door middel van wiskun- dige formules bron: Summum Engineering 2 3 thema Een nieuwe manier van denken 6 2018 13 Voorbeeld: Palawan Koepel De Palawan Koepel op de Filipijnen is een zogeheten geodetische koepel in de traditie van de Amerikaanse ontwerper Buckminster Fuller. Een vorige koepelconstructie (fig. 4), waar geen ontwerper of ingenieur aan te pas was gekomen, was kort na de bouw inge- stort. De nieuwe versie is volledig parametrisch berekend, waarbij de minimale massa is bepaald op basis van de dichtheid van het grid, en de beschikbare staafdiameters (fig. 5 en 6). Een geodeti- sche koepel is volledig geometrisch ? en dus eveneens procedu- reel ? te bepalen door een veelvlak te projecteren op een bol. De gekozen variant zal worden opgebouwd uit stalen ronde buizen met een paar typen digitaal gefabriceerde knopen, waarbij de raming van de constructie en de detaillering van de knopen uit parametrische Grasshopper-modellen van Summum Engineering en de ontwerpers, Superproject.xyz, kwamen. 4 Oude geodetische koepel, Palawan, Filipijnen, 2018 foto: Jeremy Guiab5 Nieuw ontwerp geodeti- sche koepel, Palawan, Filipijnen, 2018 bron: Summum Engineering / afbeelding: Sjef Brands 6 Parametrische varianten- studie voor nieuwe constructie bron: Superproject.xyz 4 5 6 Een nieuwe manier van denken6 2018 147 Portalen-paviljoen, 1:50 model bij 'Public Luxury' tentoonstelling, ArkDes,Stockholm bron: Map13 Barcelona8 Portalen-paviljoen, ontwikkelbare houten gridschaal, Norrköping, Zweden, 2018bron: Map13 Barcelona9 Portalen-paviljoen, parametrisch model en koppeling met rekensoftwarebron: Summum Engineering De mogelijkheid te optimaliseren, is sterk vergemakkelijkt. Diverse plug-ins voor Grasshopper staan toe problemen te optimaliseren met één of meerdere begrensde variabelen, met één globaal optimum, of meerdere optima (multi-modaal), en met één of meerdere doelstellingen (multi-criteria). In het laatste geval kunnen de resultaten onder meer worden gevisu- aliseerd door middel van een Pareto-front of een parallelleco- ordinatengrafiek (fig. 11 en 12). Voor verdere wiskundige problemen (bijvoorbeeld met expliciete afgeleiden of rand- voorwaarden), is het mogelijk een externe code aan te roepen en gebruik te maken van wiskundige rekenmodules (zoals NumPy en SciPy). Deze inhoudelijke details zijn wellicht nietszeggend maar het gevolg ervan hopelijk wel: programma's als Grasshopper hebben de drempel sterk verlaagd om een breed palet aan technische problemen op te lossen en de precieze oplossing te optimaliseren. Voorbeeld: Portalen-paviljoen Het Portalen-paviljoen (fig. 7, 8 en 9) in Zweden is een houten gridschaal in de traditie van Frei Otto en Ted Happold. Dit houdt in dat hij op de grond als een vlakke, vierkante mat wordt opge - bouwd, om vervolgens in zijn vorm te worden gebogen. Het ontwerp is gebaseerd op een Chebyshev-net, een netwerk waarbij elke staaf dezelfde lengte heeft. Voor een werkbaar resul- taat is een zogeheten iteratieve 'form-finding'-procedure nodig, waarbij het resultaat op voorhand niet bekend is. De vormgeving liep gedurende het ontwerpproces behoorlijk uiteen. Maar het model om zowel de berekeningen als detaillering en bouwsche - ma's te kunnen uitvoeren, kon worden gehandhaafd. Op basis van een voorontwerp van Map13 Barcelona, is een definitieve geome - trie gegenereerd met behulp van een parametrisch model met Grasshopper en Sofistik, ontwikkeld door Summum Engineering en Edyta Augustynowicz. Toepassingen in engineering (analyse en optimalisatie) Zoals gezegd fungeert een programma als Grasshopper ook als visuele programmeeromgeving. Processing, een voorloper, vergde nog enige kennis van programmeren. Bij Grasshopper is dit niet langer het geval. Het biedt dezelfde mogelijkheden als programmeren aan een veel breder publiek.   Parametrisch modelleren biedt een uitgelezen kans een enginee - ringsproces volledig te automatiseren (zie kader 'Voorbeeld: ETFE- kussens'). Bestaande Excel-documenten, waarmee constructieve elementen aan geldende normen worden getoetst, kunnen een-op- een worden gekopieerd of eenvoudig worden uitgelezen door een Grasshopper-definitie. Vervolgens kunnen de elementen worden gevisualiseerd en indien gewenst voorzien van detaillering en dimensionering en worden doorgekoppeld aan eindige-elementen - pakketten, bouw-informatiemodellen, enzovoort. 7 8 9 thema Een nieuwe manier van denken 6 2018 15 10 ETFE kussens als lichtkoepel van Buitink Technology. Respectievelijk 7 en 5.8m, met asymmetrische sneeuw- belasting en reactiekrachten, 2018 bron: Summum Engineering Op de horizon Bij de optelsom van bovenstaande toepassingen ontstaat een veelomvattend beeld: van parametrisch ontwerp, via multidis- ciplinaire analyse en optimalisatie, tot aan computergestuurde productieprocessen. Dit raakt de architect, de ingenieur en de aannemer, en daarmee dus ook de opdrachtgever en de eindge- bruiker. We mogen al spreken van huidige ? weliswaar niet gangbare ? praktijk in de bouw. Wat zou dit beeld in de toekomst verder veranderen? Er is een aantal ontwikkelingen waarneembaar.   Dataverwerking Parametrische modellen creëren met gemak een grote hoeveel- heid data. In het kader van variantenstudies is dit zowel een zegen als een vloek. Optimalisatie is een manier om tot een Toepassingen in de keten (horizontaal en verticaal) Er zijn ? en dit geldt met name voor Grasshopper ? ontelbare mogelijkheden ontstaan om functionaliteit toe te voegen aan parametrische software, dankzij een grote actieve gemeen- schap. Er zijn bruggen geslagen naar externe programmatuur zoals teken- en CAD-pakketten, spreadsheets, BIM-software, rekenprogramma's (eindige-elementen, bouwfysisch, vloeistof- mechanisch, enz.), en naar de meest geavanceerde rekenmodu- les voor geometrisch modelleren of wiskundig rekenen. Zo kan het zijn dat disciplines samenwerken, en dat er zelfs één centraal parametrisch model aanwezig is (zie kader 'Voorbeeld: NEST HiLo'). Op deze manier kan er in elke fase horizontaal worden geïntegreerd in de vorm van multidisciplinair ontwer - pen; niet alleen tijdens het vergaderen.   Nog verstrekkender is de koppeling met de fysieke wereld, namelijk met CNC-gestuurde machines zoals frezen, snijders, 3D-printers en robotarmen. Het is mogelijk code of bestanden te genereren voor zulke apparatuur, maar ook om ze direct aan te sturen vanuit Grasshopper. Het overkoepelende ideaal: een naadloze, digitale stroom van informatie vanuit het ontwerp tot aan de productie, waarbij de parametrische insteek bovendien toestaat om elk product op maat te vervaardigen. Dit is de ultieme vorm van verticale ketenintegratie. Voor alle duidelijk- heid: digitale fabricage is prima mogelijk zonder parametrisch modelleren, maar het wordt er wel degelijk door aangejaagd. Voorbeeld: ETFE-kussens Meerlaagse, opgeblazen ETFE-kussens kunnen worden toege - past als dunne, lichte folieconstructies voor lichtkoepels in daken (fig. 10). De specifieke afmetingen, binnendruk en foliedikte kunnen variëren, maar verder is de wijze van berekenen eendui- dig. Hetzelfde parametrische model kan de vorm ervan bepalen en de berekeningen uitvoeren, inclusief detailberekeningen. Het is zelfs mogelijk de verslaglegging te parametriseren. Figuur 10 toont twee projecten, waarbij het tweede in slechts 10% van de tijd van het eerste kon worden uitgevoerd. Afbeeldingen voor de rapportage, zoals de reactiekrachten, worden ook gegenereerd in dit model. In dit geval maakt Grasshopper dankbaar gebruik van de zogeheten COM-interface van een extern reken- en tekenpakket, om direct data uit te wisselen en zonder met tussentijdse bestanden te hoeven werken. 10 Een nieuwe manier van denken6 2018 1611 NEST HiLo 1:1, eerste optimalisatie m.b.v. parallellecoördinatengrafiek bron: BRG, ETH Zürich, afbeelding: Diederik Veenendaal 12 NEST HiLo 1:1, tweede optimalisatie m.b.v. Pareto-fronten bron: BRG, ETH Zürich, afbeelding: Diederik Veenendaal 13 NEST HiLo 1:1 prototype, Zürich, 2017 bron: BRG, ETH Zürich, foto: Michael Lyrenmann sluitend antwoord te komen, maar het veronderstelt een paar zaken: dat je doelstellingen kunt formuleren, dat er een bekend verband is tussen deze invoerparameters en deze doelen en dat het optimaliseren niet te veel rekenwerk vereist. Als er niet kan worden voldaan aan deze laatste twee punten, kan er gebruik worden gemaakt van machine learning-methoden waar nu al Voorbeeld: NEST HiLo NEST HiLo (fig. 11, 12, 13) is een experimenteel project van de Block Research Group (BRG), ETH Zürich, waarbij het dak een flexibel gevormd, koolstoftextiel gewapende, betonnen sandwichconstructie is. Hierbij werd de vorm geoptimaliseerd aan de hand van een para- metrisch model waarin doelstellingen en randvoorwaarden uit de architectuur, krachtswerking, bouwfysica en maakbaarheid samen werden ondergebracht. Tot en met het DO bestond het team uit zowel BRG als A/S van de ETH Zurich, alsmede Supermanoeuvre en ZJA (Zwarts & Jansma Architecten). In deze fase was Diederik Veenen- daal constructeur en projectcoördinator, en werkte hij samen aan het parametrisch model met Jack Bakker van ZJA. een ruim aanbod van beschikbaar is voor Grasshopper (zie kader 'Voorbeeld: Rodiator'). Datavisualisatie biedt uitkomst bij een teveel aan doelen, en menselijke interventie in optimali- satie, als niet alle doelen te kwantificeren zijn (MIT, University of Michigan en Thornton Tomasetti houden zich hier o.a. mee bezig). 11 12 13 thema Een nieuwe manier van denken 6 2018 17 product moet het werk daarom onder licentie worden geleverd. Nog logischer zou het zijn noch documenten, noch modellen, maar relevante data te leveren. Een bouwproces zou op die basis efficiënter, maar heel anders ingericht moeten zijn. Deze beslommeringen over verdienmodellen druisen wel in tegen de opensourcementaliteit die er ? met name in de Gras- shopper gemeenschap ? heerst. Een aardige kanttekening daarbij is de ontwikkeling van Ladybug, een opensourceplug-in voor bouwfysische analyse, die sinds kort geheel onder beschermheerschap verder wordt ontwikkeld. Zou de bouw zich zo kunnen blijven verenigen, om samen meer software en modellen te financieren? Een geheel tegenstrijdige ontwikkeling is de toename van commerciële software die alleen nog als abonnement verkrijg- baar is.     En nu? Slaan wij met z'n allen aan het parametrisch modelleren? Laten we beginnen om in ieder geval het begrip niet te pas en te onpas te gebruiken; dat een project al gauw 'parametrisch ontworpen' is, als iemand een keertje Grasshopper open had staan. Dit is vergelijkbaar met enkel het gebruik van Revit synoniem stellen aan BIM. Laten we ook de kaalslag in het weinige parametrische onder- wijs dat er is een halt toeroepen, en pleiten voor visie met continuïteit. Zo is op dit gebied een aantal docenten en vakken bij de TU Delft verdwenen en zijn veel studenten, zowel bij de universiteiten als hogescholen, aangewezen op zelfstudie. Maar laten we vooral kennis blijven nemen van parametrisch modelleren, dat er begrip ontstaat in de bouw over hoe en wanneer je het kunt inzetten, zodat het een middel blijft in plaats van dat het een doel op zich wordt. Op deze basis mogen wij een parametrische toekomst in de bouw positief tegemoet gaan, en is het antwoord op de vraag of we met z'n allen aan het parametrisch modelleren slaan, volmondig: "Ja!". ? Parametrische verbanden Parametrische modellen zijn vaak gebonden aan het stramien dat de modelleur heeft opgelegd. Hoe flexibel ze ook zijn opgezet, een parametrisch model voor een brug is bijvoorbeeld niet bruikbaar voor een tunnel. Er zijn echter ontwikkelingen die een uitweg kunnen bieden. Zo worden met shape grammar de regels in een parametrisch model zelf variabel gemaakt. Stel het parametrische model is 1 + 1. Bij een normaal model kunnen de getallen variabel zijn, echter nu kan ook de operatie '+' variabel zijn en veranderen in '?'.   Data-uitwisseling De uitwisseling van parametrische modellen gebeurt op basis van bestanden. Dit is enigszins ouderwets. Dit wordt versterkt door het grote aantal verschillende pakketten (GenerativeCom- ponents met Microstation, Grasshopper met Rhino, Marionette met Vectorwork, Dynamo met Revit, Sverchok met Blender). Een platform- en softwareonafhankelijke standaard voor zulke modellen is niet geheel ondenkbaar, maar onwaarschijnlijk. De oplossing zal eerder liggen in de cloud. Momenteel zijn er initi- atieven om informatie via de cloud uit te wisselen (Speckle en tot voor kort Flux) en om parametrische modellen in de cloud te laten draaien (Packhunt, ShapeDiver, Möbius). Een verdere uitdaging ligt in het realiseren van succesvolle integratie van parametrisch ontwerpen met BIM, waarbij in feite het BIM- model parametrisch blijft.   Parametrische diensten of producten? Huidige verdienmodellen zijn doorgaans gebaseerd op dienst- verlening, waarbij het parametrisch modelleren tot traditionele documenten leidt (tekeningen, 3D-modellen, rapportages). Een alternatief is het model zelf op te leveren. Hier kan echter auteursrecht en intellectueel eigendom een rol gaan spelen. Als Voorbeeld: Rodiator De Rodiator is een meubel van robotisch gebogen staven, waarbij het materiaal wordt beheerst door middel van machine learning. Op basis van steekproeven is een zelflerend model opgesteld. Dit model bepaalt op voorhand de hoeveelheid buiging die een robotarm moet toepassen om tot een vorm te komen. Het resultaat komt zodoende overeen met het ontwerp, zonder een complex materiaalmodel op te hoeven stellen. Het project is ontwikkeld en uitgevoerd door Maria Smigielska van Bendilicious in samenwerking met Pierre Cutellic. Summum Engineering is betrokken bij het parametrisch rekenmodel in het kader van ontwerpaanpassingen. 14 Rodiator, Parijs, 2016 foto: Leslie Ware 14 Een nieuwe manier van denken6 2018