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Zigurat Global Institute of Technology
Blog / BIM & Construction Management
Explorando a forma através da arquitetura computacional
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Neste artigo, Andreas Kopřiva Lernis, engenheiro arquiteto e alumni do Postgraduate Program in Parametric Design With Visual Programming in BIM, apresenta as suas experiências e processos de pensamento relacionados com metodologias de design e arquitetura computacional. Além disso, descreve também como utilizou o design generativo e paramétrico para desenvolver as suas capacidades para encontrar e desenhar formas, mostrando três exemplos ilustrativos deste processo.
Nos últimos 15 anos, o meu percurso pelo design tem sido complicado e sinuoso. Comecei como modelador 3D, depois passei para a escultura digital e mais recentemente saltei para a arquitetura computacional. No âmbito da arquitetura computacional, implemento métodos de design paramétricos, generativos e emergentes para encontrar e otimizar formas. De toda esta multiplicidade de experiências que tive, optei por selecionar três exemplos que considero serem os mais marcantes nesta minha jornada em curso e que vou apresentar de seguida.
O desenvolvimento destes projetos me permitiu fomentar minha compreensão do uso de ferramentas digitais para a exploração arquitetónica. Graças a eles, desenvolvi uma mentalidade mais estruturada e programática quando se trata de resolver questões relacionadas com o design e a forma.
Uma das primeiras experiências que tive neste campo ocorreu quando usava o software Mandelbulb (a representação 3D do conjunto Mandelbrot desenvolvido em 2009) para gerar formas fractais a partir da combinação de fórmulas. Esta experiência fez-me começar a valorizar a imprevisibilidade e a complexidade que uma abordagem algorítmica do design poderia oferecer, uma vez que muitas das formas que foram geradas teriam sido praticamente impossíveis de esboçar de maneira convencional. As coisas tornaram-se infinitamente mais interessantes quando os modelos 3D gerados foram exportados a partir do software, ficando assim disponíveis para processamento e manipulação adicionais. Após exportar essas formas, utilizei canais de modelação convencionais/esculturais para as manipular e, assim, começar a criar construções arquitectônicas intencionais. Uma das primeiras estruturas criadas foi um pavilhão fractal que consistia num módulo gerado que, subsequentemente, foi segmentado e ordenado de maneira a dar origem a um espaço funcional.
Fig 1 – À esquerda: o módulo tal como foi exportado pelo Mandelbulb – e a manipulação e segmentação que lhe foram aplicadas.
Fig 2 – Visualizações do pavilhão fractal
Nesta fase inicial, a minha atenção debruçava-se principalmente sobre as estruturas monolíticas, sem ter em conta a construção de estruturas a partir de partes mais pequenas. Poderia, de certa forma, ser considerada uma abordagem mais orgânica e biomimética, referindo-se a estruturas que se desenvolvem holisticamente como uma única entidade, em vez de serem constituídas por componentes modulares. O exemplo seguinte tentou criar agregações a partir de blocos gerados.
Para esta série de projetos, optei por segmentar o processo de produção em duas partes distintas. A primeira parte serviria como uma continuação da metodologia anterior de geração de formas utilizando paradigmas de design emergentes e fluxos de trabalho de arquitetura computacional geral. Isto envolveria criar um ambiente virtual e experimental que estaria focado na geração de formas. A segunda parte se centraria numa abordagem mais prática de montagem e manipulação dessas formas para criar estruturas agregadas. Em termos sucintos, se tratava de uma abordagem híbrida que utilizava métodos puramente computacionais e generativos para uma parte do processo, mas que permitia a manipulação manual dos dados gerados para o resultado final.
Fig 3 – Vista do algoritmo para a floculação de BOIDS e exemplo gerado
A imagem acima ilustra a configuração utilizada e mostra como este sistema de recorrência foi implementado para facilitar "a animação" (ou, neste caso, iterando rapidamente laços auto-referenciais) das interações sequenciais entre pontos (agentes de floculação) e um ponto de atração central (neste caso, uma forma de dodecaedro). Ao ajustar estes comportamentos, os componentes foram atraídos, repelidos e inseridos de uma forma determinada. Isto deu origem a múltiplas formas e iterações, uma vez que quase cada etapa poderia gerar uma forma potencial.
Fig 4 – Vista do algoritmo para o crescimento estelado e exemplos
Mais uma vez, foi utilizado um componente em laço recursivo para permitir interações sucessivas. O 'crescimento' foi facilitado pela seleção aleatória de uma série de pontos sobre uma superfície que se expandiria e subdividiria para o exterior. Os algoritmos acima referidos geraram uma grande quantidade de formas que teriam sido praticamente impossíveis de criar através de métodos não computacionais. Além disso, qualquer enviesamento ou intencionalidade foram também removidos, o que levou à geração de formas para além do âmbito da minha própria compreensão e capacidade.
Fig 5 – Exemplo de manipulação e deformação de módulos
Numa fase inicial, para simplificar, os artefatos gerados consistiam em módulos únicos que construíam expressões e estruturas maiores.
Fig 6 – Artefatos de módulo único – Scorpion & the Hull
As formas acima são exemplos desta abordagem e, de certa forma, serviram como estudos de 'viabilidade'. Neles eu estava tentando entender até onde poderia forçar um determinado tipo de elemento. Depois de produzir algumas das vinhetas morfológicas acima referidas, passei à segunda fase do projeto que envolvia a criação de uma construção arquitetónica em grande escala, levada a cabo mediante a combinação de diferentes conjuntos de ferramentas e técnicas.
Fig 7 – Estrutura do Multimódulo - o Artefato
O esquema acima mostra como essa forma arquitetónica fundamental foi criada através da utilização de uma série de partes geradas, partes primitivas agrupadas e componentes escultóricos. Ao combinar uma abordagem manual com uma metodologia parametricamente orientada, consegui criar uma estrutura que não podia sequer imaginar sem utilizar métodos de arquitetura computacional, já que esta estrutura tinha um grau de complexidade morfológica tal que teria sido difícil de construir manualmente.
Fig 8 – Algoritmo, Curvas e Revit mod gerado
Fig 9 – Estrutura final submetida
O modelo final, tal como apresentado na renderização acima, acabou por ser conduzido por 4 camadas curvas com diferentes restrições de nível aplicadas a elas (ou seja, a curva 4 geraria lajes e paredes do piso 4 ao piso 10). Os componentes da fachada de vidro foram gerados subdividindo separadamente essas curvas e ligando as extensões isoladas e paramétricas a um tipo diferente de componente do edifício.
Exemplo 1 – Estrutura fractal
Uma das primeiras experiências que tive neste campo ocorreu quando usava o software Mandelbulb (a representação 3D do conjunto Mandelbrot desenvolvido em 2009) para gerar formas fractais a partir da combinação de fórmulas. Esta experiência fez-me começar a valorizar a imprevisibilidade e a complexidade que uma abordagem algorítmica do design poderia oferecer, uma vez que muitas das formas que foram geradas teriam sido praticamente impossíveis de esboçar de maneira convencional. As coisas tornaram-se infinitamente mais interessantes quando os modelos 3D gerados foram exportados a partir do software, ficando assim disponíveis para processamento e manipulação adicionais. Após exportar essas formas, utilizei canais de modelação convencionais/esculturais para as manipular e, assim, começar a criar construções arquitectônicas intencionais. Uma das primeiras estruturas criadas foi um pavilhão fractal que consistia num módulo gerado que, subsequentemente, foi segmentado e ordenado de maneira a dar origem a um espaço funcional.
Fig 1 – À esquerda: o módulo tal como foi exportado pelo Mandelbulb – e a manipulação e segmentação que lhe foram aplicadas.
Fig 2 – Visualizações do pavilhão fractal
Nesta fase inicial, a minha atenção debruçava-se principalmente sobre as estruturas monolíticas, sem ter em conta a construção de estruturas a partir de partes mais pequenas. Poderia, de certa forma, ser considerada uma abordagem mais orgânica e biomimética, referindo-se a estruturas que se desenvolvem holisticamente como uma única entidade, em vez de serem constituídas por componentes modulares. O exemplo seguinte tentou criar agregações a partir de blocos gerados.
Exemplo 2 – Construindo formas orgânicas
Para esta série de projetos, optei por segmentar o processo de produção em duas partes distintas. A primeira parte serviria como uma continuação da metodologia anterior de geração de formas utilizando paradigmas de design emergentes e fluxos de trabalho de arquitetura computacional geral. Isto envolveria criar um ambiente virtual e experimental que estaria focado na geração de formas. A segunda parte se centraria numa abordagem mais prática de montagem e manipulação dessas formas para criar estruturas agregadas. Em termos sucintos, se tratava de uma abordagem híbrida que utilizava métodos puramente computacionais e generativos para uma parte do processo, mas que permitia a manipulação manual dos dados gerados para o resultado final.
Parte 1 – Exploração do Desenho Emergente
Nesta fase, experimentei principalmente com simulações de floculação BOIDS e algoritmos de crescimento baseados em estelações. Esta fase, que englobou uma série de acrescentos de blocos recursivos ao ambiente paramétrico Grasshopper, permitiu a criação de uma espécie de recinto emergente. Fig 3 – Vista do algoritmo para a floculação de BOIDS e exemplo gerado
A imagem acima ilustra a configuração utilizada e mostra como este sistema de recorrência foi implementado para facilitar "a animação" (ou, neste caso, iterando rapidamente laços auto-referenciais) das interações sequenciais entre pontos (agentes de floculação) e um ponto de atração central (neste caso, uma forma de dodecaedro). Ao ajustar estes comportamentos, os componentes foram atraídos, repelidos e inseridos de uma forma determinada. Isto deu origem a múltiplas formas e iterações, uma vez que quase cada etapa poderia gerar uma forma potencial.
O crescimento foi impulsionado de acordo com a seguinte imagem:
Fig 4 – Vista do algoritmo para o crescimento estelado e exemplos
Mais uma vez, foi utilizado um componente em laço recursivo para permitir interações sucessivas. O 'crescimento' foi facilitado pela seleção aleatória de uma série de pontos sobre uma superfície que se expandiria e subdividiria para o exterior. Os algoritmos acima referidos geraram uma grande quantidade de formas que teriam sido praticamente impossíveis de criar através de métodos não computacionais. Além disso, qualquer enviesamento ou intencionalidade foram também removidos, o que levou à geração de formas para além do âmbito da minha própria compreensão e capacidade.
Parte 2 – Escultura Paramétrica Emergente
Os módulos criados na etapa anterior foram desenvolvidos em malhas e importados para o Zbrush, um poderoso software de escultura de malhas. Através da utilização do seu conjunto integrado de deformadores e de ferramentas, estes módulos iniciais foram dispostos e manipulados em estruturas maiores e mais complicadas. Fig 5 – Exemplo de manipulação e deformação de módulos
Numa fase inicial, para simplificar, os artefatos gerados consistiam em módulos únicos que construíam expressões e estruturas maiores.
Fig 6 – Artefatos de módulo único – Scorpion & the Hull
As formas acima são exemplos desta abordagem e, de certa forma, serviram como estudos de 'viabilidade'. Neles eu estava tentando entender até onde poderia forçar um determinado tipo de elemento. Depois de produzir algumas das vinhetas morfológicas acima referidas, passei à segunda fase do projeto que envolvia a criação de uma construção arquitetónica em grande escala, levada a cabo mediante a combinação de diferentes conjuntos de ferramentas e técnicas.
Fig 7 – Estrutura do Multimódulo - o Artefato
O esquema acima mostra como essa forma arquitetónica fundamental foi criada através da utilização de uma série de partes geradas, partes primitivas agrupadas e componentes escultóricos. Ao combinar uma abordagem manual com uma metodologia parametricamente orientada, consegui criar uma estrutura que não podia sequer imaginar sem utilizar métodos de arquitetura computacional, já que esta estrutura tinha um grau de complexidade morfológica tal que teria sido difícil de construir manualmente.
Exemplo 3 – Construções escritas
O exemplo final que vou partilhar neste artigo é parte do trabalho que submeti para o Postgraduate Program in Parametric Design With Visual Programming in BIM. O seu objetivo era desenvolver a compreensão dos participantes sobre o pensamento algorítmico e sobre os dados como algo que pode comunicar e gerar forma através das aplicações.
Seguindo com temas semelhantes aos apresentados, nos foi fornecido um IFC de um terreno juntamente com a informação dos requisitos do edifício e nos pediram que concebêssemos um algoritmo para estruturar esse edifício.
Uma vez que, nesta etapa, se utilizou a extensão recém-lançada Rhino.inside do Revit, foi possível executar uma instância de Rhino (e Grasshopper) dentro do Revit API, o que acabou por facilitar um nível interessante de abstração e tradução de dados. Tendo em conta a minha preferência por um fluxo de trabalho híbrido, liguei as camadas de curvas dentro do Rhino com os nós que iriam gerar componentes estruturais dentro do Revit.
Todo este trabalho serviu como exemplo de uma estrutura de dados e fluxo de informação. Através do algoritmo, uma simples forma vetorial desenhada num software conduziu à criação de uma estrutura robusta e rica em informação num software diferente, podendo então ser representada num software de visualização em tempo real com iluminação e detalhes ambientais precisos.
Através desta configuração, a oportunidade de experimentar diferentes formas e de ver estas formas num contexto 3D foi facilitada e acelerada, o que me permitiu trabalhar em um período de tempo muito mais curto, dado que a colocação manual de componentes foi descarregada para o algoritmo.
Fig 8 – Algoritmo, Curvas e Revit mod gerado
Fig 9 – Estrutura final submetida
O modelo final, tal como apresentado na renderização acima, acabou por ser conduzido por 4 camadas curvas com diferentes restrições de nível aplicadas a elas (ou seja, a curva 4 geraria lajes e paredes do piso 4 ao piso 10). Os componentes da fachada de vidro foram gerados subdividindo separadamente essas curvas e ligando as extensões isoladas e paramétricas a um tipo diferente de componente do edifício.
Conclusões e reflexões
Todos estes exemplos me ajudaram a desenvolver a minha compreensão não só das metodologias da arquitetura computacional, mas também da lógica do design e da manipulação morfológica e causalidade em geral. Além disso, também me ajudaram a expandir a minha biblioteca de linguagem de formas e a adquirir uma melhor compreensão dos métodos de apoio estrutural, especialmente quando procedia à impressão em 3D dos modelos gerados.
É interessante ver que, em contraste com o caos do meu trajeto neste campo, os exemplos fornecidos seguem uma certa progressão linear. O primero permitiu-me ver as possibilidades e as oportunidades que os métodos de arquitetura computacional nos davam. Permitiu-me ainda explorar e compreender formas que teriam sido praticamente impossíveis de gerar com meios não computacionais. O segundo permitiu-me refinar ainda mais este resultado, expandindo o meu vocabulário digital para incluir metodologias emergentes e experimentais de procura de formas e começar a considerar agregações e complexidade adicional através da combinação destes métodos. Por último, o terceiro permitiu-me explorar mais aplicações práticas de tais fluxos de trabalho. Além disso, também me ensinou a automatizar e otimizar canais através da criação de sistemas de restrições e dependências e como acelerar as fases iniciais de concepção através de uma interação rápida e relativamente sem esforço.
Dos exemplos acima descritos, o último exemplo envolveu o método que teve as aplicações mais significativas no mundo real, pois podia ser aplicado a uma vasta gama de projetos, desde arranha-céus a residências individuais, enquanto os outros métodos funcionam melhor em termos de uma exploração mais pura das formas idealizadas. Globalmente, espero que esta coleção de exemplos tenha sido útil e tenha servido como um bom motivador para considerar a adição de conjuntos de ferramentas paramétricas e generativas.
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Autor: Andreas Kopřiva Lernis, Engenheiro Arquiteto e Alumni do Postgraduate Program in Parametric Design with Visual Programming in BIM. Dynamo, Grasshopper and Python.
