Parametrisch ontwerpen is een digitaal ontwerpproces waarbij relaties tussen verschillende onderdelen in het ontwerp in een algoritme worden vastgelegd. Door de inputwaardes ? de parameters ? te varië- ren, kunnen in razend tempo verschillende ontwerpalternatieven worden gegenereerd. Om het grote aantal alternatieven te kunnen evalueren en vergelijken, worden ze met een script automatisch onderworpen aan analy - ses. Op basis van deze analyses krijgen de alternatieven een score. Zo kan het ontwerp- team geïnformeerde en daardoor betere keuzes maken; ontwerpkeuzes onderbouwd met harde data. Naast de gebruikelijke ont- werpdata zoals de benuttingsgraad, vervor- mingen en materiaalhoeveelheden, kunnen alternatieven ook worden getest op carbon footprint. Hierdoor kan de constructeur bewuster bezig zijn met de impact van de constructie. Ook voor de andere partijen in het ontwerp- proces biedt het voordelen. Zo is het voor de architect interessant om meer ontwerp- mogelijkheden te kunnen onderzoeken. De opdrachtgever krijgt meer inzicht in het pro- ces en de kwaliteit van voorgestelde alterna - tieven. Samen een gebouw ontwerpen wordt met toenemende digitalisering ook gewoon leuker, omdat er steeds minder repetitief werk is en er daardoor meer tijd overblijft voor creativiteit en integraal ontwerp. De weg naar een geslaagd parametrisch ontwerp Ondanks de grote verscheidenheid aan parametrische vraagstukken, zijn de basis- principes voor het opstellen van een script vergelijkbaar. Welke weg kun je bewandelen voor een geslaagd resultaat? Voordat je begint, is het verstandig eerst het ontwerpprobleem uit te schetsen. Start met het definiëren van de inputwaardes (afmetingen, materiaal- IR. RICK TITULAER Structural engineer, Computational designer 1 ) Arup auteur Parametrisch ontwerpen - de weg naar succes Parametrisch ontwerpen is niet langer voorbehouden aan digitale specialisten die complexe geometrieën modelleren. Het wordt gezien als de toekomst van ontwerpen en behoort daarom in de toolset van elke constructeur. In elke opdracht zitten parametrische kansen. Maar welke stappen moet je nemen om deze veelbelovende strategie in te kunnen zetten voor je dagelijkse werk? Digitale vaardigheden behoren steeds meer tot de basiscompetenties van een constructeur 1) Rick Titulaer heeft als computational designer veel ervaring opgedaan met parametrisch ontwerpen. Hij is als Grasshopper-trainer verantwoordelijk voor de ontwikkelingen op dit gebied binnen Arup in Europa. Daarnaast geeft hij geregeld een gastcollege over parametrisch ontwerpen aan de TU/e en TU Delft. CEMENT 5 2021 ?37 1 Parametrische workflow voor geïnformeerd ontwerpen (bron van de figuren in dit artikel: Arup) kwaliteiten etc.). Hierbij wordt onderscheid gemaakt tussen data die vaststaan ? de randvoorwaarden ? en data die je kunt vari - eren om tot verschillende alternatieven te komen ? de variabelen. Beschrijf daarna de stappen die je moet nemen om tot de ge- wenste output te komen. Houd je definitie overzichtelijk door het proces op te knippen in verschillende blokken. Bij elk blok geef je aan welke data erin gaan en welke data eruit vloeien. Met een programma als Grasshopper, een extensie voor 3D-modelleerprogramma Rhino, kun je vervolgens deze stappen visu - eel programmeren. Visueel programmeren is zeer toegankelijk: een grote verzameling aan functies is namelijk al tekstueel voorge- programmeerd in 'componenten', die je via 'wires' visueel eenvoudig aan elkaar kunt verbinden (fig. 2). Naast de basiscomponen - ten zijn er plug-ins beschikbaar, extra com - ponenten die als uitbreiding een specifieke functionaliteit bieden. Zo kun je met ver- schillende componenten een script opbou - wen. Door gestructureerd te werk te gaan, kun je een script ? of onderdelen daaruit ? eenvoudig hergebruiken voor verschillende vraagstukken. De digitale middelen die je kunt ge- bruiken worden aan de lopende band ont- wikkeld, verbeterd en vernieuwd. Een leer- gierige houding komt daarom goed van pas. Laat het aanbod je niet ontmoedigen; het is de kunst om plezier te vinden in het ontdek -ken en uitproberen van nieuwe middelen. Door te weten wat er mogelijk is, kun je parametrische kansen herkennen en de meeste impact behalen. Veel betrokkenen Om parametrisch ontwerpen bij projecten breed in te kunnen zetten, moeten de vaar- digheden niet behouden blijven aan een specialistisch groepje binnen het bedrijf. Digitale vaardigheden behoren steeds meer tot de basiscompetenties van een construc- teur. De constructeur wordt daarmee een zogenaamde 'computational designer'. Naast de uitvoerend ingenieur moet ook de projectmanager bewust zijn van de potentie, zodat de projectplanning erop kan worden ingesteld. Het opstellen van een parametrisch model met geautomatiseerde analyses zal in de vroege fase meer tijd kosten, maar in latere fasen pluk je er de vruchten van. Parametrische kennis is niet alleen van belang binnen de eigen onderneming, maar is ook bij ontwerppartners noodzake- lijk. De mate waarin externe ontwerppartij- en mee kunnen gaan met parametrische ontwerpmethodes varieert. Het vereist een andere manier van denken. Introductie van parametrisch ontwerp vergt daarom de no- dige gewenning. Een geruststelling is dat een computer niet het ontwerp bepaalt. Het geeft de ontwerper slechts meer ideeën. Wanneer Naast de gebruikelijke ontwerpdata kunnen alternatieven ook worden getest op carbon footprint 1 38? CEMENT 5 2021 externe ontwerppartijen digitaal ontwerpen omarmen, kan een proces worden afgespro- ken waarbij digitale ontwerpdata eenvoudig worden uitgewisseld. De sleutel tot een succesvol parametrisch integraal ontwerp- proces. Parametrisch ontwerp op elk niveau inzetbaar Parametrisch ontwerp kan worden toegepast op verschillende schaalniveaus (fig. 3) en verschillende stadia van een ontwerpproces: op stedelijk niveau, voor het verkennen van scenario's stedelijke gebieden met behulp van stedebouwfysische analyses; op kavelniveau, voor het onderzoeken van mogelijke gebouwconfiguraties; op gebouwniveau, voor het shapen van de vorm van het gebouw; bij de gebouwuitwerking, voor exploratie van constructieve configuraties; op componentniveau, voor specifieke ontwerpen. Naarmate het ontwerp convergeert, zien we de potentie verschuiven van parametrisch ontwerp naar automatisering, waarbij een proces wordt opgezet om controle bereke- nin gen via scripts automatisch door te rekenen. In het volgende deel wordt de potentie van parametrisch ontwerp toegelicht aan de hand van twee ontwerprojecten. Parametrische 'toren tools' Er is een groeiende behoefte om eerder in het ontwerpproces inzicht te hebben in de constructieve haalbaarheid en risico's van hoogbouwprojecten en de impact van keuze voor onder meer de hoogte en de vorm. Om dit te ondervangen is een toolset ontwikkeld ? de zogenoemde 'torentools' ? om in vroege ontwerpfases verschillende constructieve systemen te onderzoeken. De toolset geeft de mogelijk om geometrische parameters als hoogte, breedte, diepte en vorm van de toren te variëren. In de toolset is een bibliotheek van constructieve hoogbouwsystemen opge - nomen, waaronder stabiliteitswanden, gevel - buis en stabiliteitskern. Voor de verschillende systemen kunnen automatisch constructieve configuraties worden gegenereerd en met behulp van de constructieve plug-in Karamba 3D direct worden geanalyseerd. We onderscheiden twee manieren om ontwerpen te onderzoeken: interactief aan - passen versus oplossingen filteren. Praktijk? Voor een hoogbouwproject was de ontwikkelaar benieuwd of het haalbaar 2 Grasshopper-script vakwerk 2 CEMENT 5 2021 ?39 VERSCHILLENDE TOOLS Bij Arup wordt voor parametrisch ontwerp voornamelijk het pro- gramma Grasshopper gebruikt, in combinatie met 3D-tekenpro- gramma Rhinoceros3D (kortweg Rhino). Een alternatief is Dynamo, parametrische software die gelinkt is aan Autodesk-software. Het voordeel van Grasshopper boven Dynamo is de grote mate van flexibiliteit, snelheid, het aanbod aan plug-ins en tutorials, en de uitgebreide online gebruikerscommunity. Door deze community zijn er online tal van handleidingen en tips te vinden. Op die manier kun je een hoop zelf leren. Ook Google biedt daarbij uit - komst. Daarnaast is de link van Grasshopper naar Revit of andere BIM-software alsnog te maken door middel van plug-ins als Geo- metryGym en Speckle. Met de ontwikkeling van RhinoInside Revit is het zelfs mogelijk om Rhino, en daarmee ook Grasshopper, te gebruiken in de Revit-omgeving. Grasshopper-gebruikersforums vind je op www.grasshopper3d.com/forum en https://discourse.mcneel.com. Meerdere basistutorials voor Rhino en Grashopper staan op http://digitaltoolbox.info/. Veel plug-ins zijn te vinden op www.food4rhino.com. Hieronder een selectie van veelgebruikte plug-ins: - Karamba3D: eindige-elementpakket voor constructies in Grasshopper, https://www.karamba3d.com/tutorials/; - GeometryGym of Speckle: interoperabiliteit tussen verschillende software (reken en/of tekenprogramma's), https://geometrygym.wordpress.com/ en https://technical.geometrygym.com/learn/example-files; - HumanUI: voor het creëren van je eigen Userinterface (UI), https://www.food4rhino.com/app/human-ui; - Ladybug en Honeybee: tools voor bouwfysische analyses in Grasshopper, https://www.food4rhino.com/app/ladybug-tools; - Octopus: plug-in-optimalisatiealgoritme met een betere capabi- liteit voor multi-objective optimalisaties dan de standaard optima- lisatietool binnen Grasshopper (Galapagos), https://www.food4rhino.com/app/octopus. 3 3 Verschillende niveaus waar parametrisch ontwerpen toegepast kan worden 40? CEMENT 5 2021 4 Bij visueel programmeren in bijvoorbeeld Grasshoper is een grote verza - meling functies al tekstueel voor- geprogrammeerd in 'componenten', die je via 'wires' visueel eenvoudig aan elkaar kunt verbinden was om hoger te bouwen. De torentools maakten het mogelijk om de geometrie van de toren tijdens een meeting interactief aan te passen. Door de automatische berekening werd directe feedback verkregen op con - structieve haalbaarheid en milieu-impact. Daarop is een informatief dashboard ge- bouwd waarbij de resultaten in real-time aan het team konden worden gepresenteerd (fig. 4). Een andere manier om een ontwerp te onderzoeken is de hele design space door te rekenen en vervolgens uit een grote ver- zameling oplossingen, op de gewenste KPI's (Key Performance Indicators) te filteren. Arup ontwikkelde hiervoor 'Parameter- space' (fig. 5). De resultaten worden opge- slagen in een database en via een browser in een 'parallel coordinate plot' wordt de oplossingsruimte gepresenteerd. De assen representeren zowel de verschillende input- variabelen als de resultaten van de analyses. Elke berekende optie is gerepresenteerd door een zigzaggende lijn, die voor elk ont- werp de verschillende 'scores' verbindt. De grafiek fungeert als filtersysteem; door het bereik van de variabelen te veranderen, worden resultaten gefilterd. Zo kunnen op- ties worden onderzocht die aan een speci - fieke set criteria voldoen. Automatische constructiebere- kening In de beginfase van een project is het ont- werp aan veel veranderingen onderhevig. Als een rekenmodel parametrisch is opge- zet, kan snel een nieuwe constructieve con - figuratie worden gegeneerd. Wanneer de architect een wijziging doorvoert of wanneer er randvoorwaarden veranderen, wordt de constructeur veel extra werk bespaard. Bij Arup worden voor veel projecten dit soort digitale workflows opgezet. Een voorbeeld hiervan is een een grootschalige woontoren van 200 m hoog in een aardbe- vingsgebied in Europa, dichtbij de zee. In dit project zaten veel verschillende complexe omstandigheden en randvoorwaarden die mee moesten worden genomen in het ont- werpproces. In de ontwerpfase moest in nauwe samenwerking met de architect de vorm van de toren nog worden bedacht. Na een iteratief proces van verschillende vormen, waarbij de eerder genoemde torentools goed van pas kwamen, werd de vorm uitgekristal - liseerd. Echter, binnen het uiteindelijke 4 Interactief dashboard voor ontwerp van een toren CEMENT 5 2021 ?41 5 6 7 5 Voorbeeld van output van 'Parameterspace' voor het ontwerp van een toren 6 Constructief principe, automatisch gegenereerd met Grasshopper, gebaseerd op input van de architect 7 Parametrische workflow voor constructieve berekeningen in ontwerpfase 42? CEMENT 5 2021 concept werd nog gevarieerd met de vloerlij- nen en verdiepingshoogten, om te voldoen aan de wens van de klant en architect. Het uiteindelijke concept is te zien in figuur 6. Om deze varianten ook constructief te beschouwen, werd een parametrisch model opgezet van de constructie. De input werd geleverd door de architecten, waaronder de vorm en de vloerlijnen. De constructieve in - put werd gegenereerd door de constructeur. Vervolgens kon automatisch een analytisch model worden gegenereerd, dat met een klik op de knop gelijk werd geanalyseerd in Oasys GSA (een tool voor statische, dynamische en seismische, response factor analyse). Tege- lijkertijd werden de resultaten teruggestuurd naar Grasshopper, om vervolgens een aan - tal rationalisatie- en optimalisatieloops te draaien. De uiteindelijke output was een visualisatie voor het ontwerpteam en een 3D-model van de constructie voor de archi - tect. Deze workflow is samengevat in figuur 7. De resultaten waren onder andere de eigen frequenties van de toren en de berekende dimensies voor de constructieve elementen volgens de Eurocodes. Elke iteratie kon nu makkelijk worden teruggekoppeld aan het ontwerpteam (fig. 8). De toekomst van parametrisch ontwerpen begint vandaag Parametrisch ontwerpen helpt ons betere gebouwen te ontwerpen in een kortere tijd, en geïnformeerde beslissingen te nemen. Door dit proces toe te passen op projecten kunnen constructeurs een groot aantal variaties onderzoeken die met behulp van algoritmes razendsnel worden gegenereerd. Tegelijkertijd kunnen de opties worden ge- analyseerd en vergeleken op verschillende aspecten die belangrijk zijn voor het ont- werp. De toekomst van parametrisch ont- werp begint vandaag. We zijn samen verant- woordelijk voor de duurzaamheid van de gebouwde omgeving en het is daarmee de hoogste tijd dat constructeurs meer grip krijgen op de impact van constructies. Naarmate het ontwerp convergeert, verschuift de potentie van parametrisch ontwerp naar automatisering 7 8 Resultaten uit analyses CEMENT 5 2021 ?43