18 thema Parametrisch denken in het ontwerp 1 Parametrisch ontwerpen van invloed op ontwerpworkflow, -methode en -optimalisatie De digitalisering in het algemeen en de introductie van parametrisch ontwerpen in het bijzonder hebben veel invloed op het ontwerpproces in de bouw. Zo is er meer mogelijk geworden op het gebied van ontwerpintegratie en -optimalisatie. Diverse projectvoorbeelden laten zien wat de waarde van parametrisch ontwerpen is.   thema Parametrisch denken in het ontwerp 7 2018 19 Parametrisch ontwerpen biedt vooral mogelijkheden voor het verbeteren van ontwerpworkflow, ontwerpmethode en multi - disciplinaire optimalisatie. Wat die invloed precies is, wordt inzichtelijk gemaakt aan de hand van enkele voorbeelden.     Invloed op ontwerpworkflow Een traditioneel ontwerpproces is in de meeste gevallen lineair. Het programma van eisen definieert de input voor het ontwerp. Vervolgens worden er geometrische restricties aan het ontwerp gekoppeld aan de hand waarvan de constructie wordt vormge - geven. Als de constructieve opzet is bepaald, wordt het materi - aalgebruik vastgesteld en wordt vervolgens nagedacht over de uitvoering. Deze workflow omvat meestal een aantal iteraties, waarbij de relatie tussen architect en ingenieur een grote rol speelt. Hoe beter de interactie tussen vorm en constructie is, hoe meer invloed die iteraties hebben. Dat betekent wel dat kennis en ervaring kunnen leiden tot beperkingen bij het ontwikkelen van complexe geometrieën. Door gebruik te maken van parametrische ontwerpmetho - dieken kan het ontwerp rationeler worden benaderd en ontstaat een betere integratie in de workflow tussen vorm en constructie.   Voorbeeld: Camp Adventure Park in Denemarken In Denemarken wordt gebouwd aan een uitkijktoren in het Camp Adventure Park (architect: EFFEKT). De uitkijktoren is een 45 m hoge hyperboloïde rasterconstructie met een spiraal - vormige loopbrug die de afsluiting vormt van een 600 m lang verhoogd vlonderpad en bezoekers tot boven de boomtoppen brengt (fig. 1). Daar hebben ze een panoramisch uitzicht over de omliggende bossen. Dit project wordt momenteel gebouwd en is vanaf eind 2018 geopend voor publiek.   Het conceptontwerp kwam tot stand door middel van een volledig parametrische workflow (fig. 2) die het mogelijk maakte gemakkelijk en snel diverse ontwerpvarianten te testen. Daarbij lag de focus op het vinden van een optie die voldeed aan de visie van de architect en aan de budgeteisen van de klant. Samenwerking en afstemming tussen architect en ingeni - eur werden hoofdzakelijk gecodeerd uitgevoerd. Door de geometrie te definiëren met parameters konden data snel worden aangepast in het ontwerp. En door een link met alle analyseprogramma's ? er was sprake van een sterke integratie van de statische berekeningen en de architectonische uitgangs - punten ? was er een efficiënte workflow. De integratie van de statische berekeningen en de architectoni - sche uitgangspunten gebeurde op basis van geometrische logica, statische analyse en trillingsanalyse van de constructie, belastingsdefinities, toetsing van het ontwerp aan Eurocodes, form-finding en optimalisatie van de torentopologie, tot uitvoering van BIM. Het proces bevorderde de samenwerking tussen ingenieur en architect gedurende het gehele traject, omdat het uitvoeren van de berekeningen, met verificatie, auto - matisch verliep en direct werd aangepast naar aanleiding van genomen ontwerpbeslissingen. Hierdoor was het team in staat talloze alternatieve ontwerpoplossingen te testen en kreeg het direct inzicht in hoe deze oplossingen het budget van de klant beïnvloedden.     Invloed op ontwerpmethode Het is duidelijk dat een traditionele ontwerp- en rekenmethode zoals de eindige-elementenmethode (EEM) van enorme waarde is voor het evalueren en verfijnen van goed ontwik - kelde ontwerpvoorstellen. Wat het ontwerpen zelf betreft, moeten echter vraagtekens worden gezet bij het nut van EEM in de vroege besluitvormingsfase van het ontwerpproces. Met dergelijke berekeningen is het bijvoorbeeld mogelijk een nauw - keurige prognose te geven van de belastingspaden binnen twee verschillende ontwerpvoorstellen (fig. 3). Maar het is niet mogelijk eenvoudig te optimaliseren. Door het toepassen van een parametrische en door computermodellen gedreven methode, die de berekeningen integreert in de iteraties van het ontwerp, kunnen er veel meer mogelijkheden worden bekeken.   Shibo Ren Arup 1 Uitkijktoren in Camp Adventure Park in Denemarkenbron: EFFEKT2 Parametrische workflow tussen architect en ingenieur gedurende alle ontwerpfasen 2 Parametrisch denken in het ontwerp 7 2018 20 3 EEM-analyse voor een oorspronkelijke vorm (a) en een optimale vorm (b); beide ontworpen voor dezelfde belastingsgevallen en randvoorwaarden4 Parametrische en computationele ontwerpmethode voor het project Yinji Snow World ? topologie-optimalisatie (zie onder kop 'Topologie-optimali - satie') van de boomachtige constructie voor het bepalen van de optimale vorm van de kolommen die het dak ondersteu - nen; ? digitale form-finding van de boomtakken ter verbetering van de efficiëntie van de constructie, vergelijkbaar met wat archi - tect Frei Otto vorige eeuw deed met fysieke draadmodellen; ? automatische optimalisatie van de afmetingen van alle 10.000 dakelementen binnen de 60 belastingscombinaties bij uiterste grenstoestand (UGT) (inclusief seismische belastingen).   Dit alles resulteerde in een lichte dakconstructie met een gewicht van slechts 63 kg/m 2.   Topologie-optimalisatie De boomvormige kolom dankt de karakteristieke optimale vorm van de takken aan topologie-optimalisatie. Door een ontwerpdomein te onderwerpen aan een set randvoorwaarden, waarin de posities van de steunpunten voor het dak en alle overgedragen belastingen worden meegenomen, kan voor elke kolom de optimale vorm worden voorspeld door middel van iteratieve computerberekeningen met inachtneming van de voorgeschreven prestaties. In dit geval was dat het minimalise - ren van het gewicht van de totale constructie (fig. 5). In dit proces worden de berekeningen verwerkt in elke iteratie om de resultaten te evalueren, en dat levert feedback op voor de nieuwe richting waarin de vorm van het ontwerp zich moet ontwikkelen.   Voorbeeld: Snow World in China Yinji Snow World in China is een groot indoorsneeuwpark met een oppervlakte van 40.000 m 2 en meer dan 10.000 stalen dake - lementen. Verder omvat het ontwerp boomvormige kolommen en twee complexe betonconstructies voor de ski- en sleehellin - gen, plus een verwarmd betonnen gebouw. Voor het project zijn een brede reeks parametrische en compu - tergestuurde technieken onderzocht. Deze werden toegepast in geavanceerde methoden voor het ontwerpen van een dak met grote overspanning en de topologisch geoptimaliseerde kolom - men. Binnen een zeer kort tijdsbestek is een aantal digitale en opti - malisatietechnieken ontwikkeld. Zo konden de ontwerpruimte worden verkend en de uiterste grens van het ontwerp worden bepaald door: ? parametrische modellering van het complete ontwerp om de geometrische parameters en randvoorwaarden te definiëren en te controleren; 3 4 thema Parametrisch denken in het ontwerp 7 2018 21 5 Topologie-optimalisatie genereert de boomachtige kolommen die de dakconstructie ondersteunen6 Geometrische variaties in de casestudie van een sportgebouw met grote overspanning In dit iteratieve proces maakt topologie-optimalisatie een geïn - tegreerde ontwerpmethode mogelijk, waarmee een optimale ontwerpoplossing met organische en complexe geometrie kan worden ontwikkeld.     Invloed op multidisciplinaire optimalisatie In feite houdt elk ontwerp een optimalisatieopgave in. Omdat parametrische optimalisatie een veel krachtigere methode is dan handmatige optimalisatie of een trial-and-errorbenade - ring, wordt dit steeds vaker toegepast. Bijvoorbeeld om de constructie en de schil van een gebouw te optimaliseren. De meeste bestaande optimalisatietoepassingen zijn echter een vorm van single-objective optimalisatie en verlopen sequentieel. Daarbij wordt elk subsysteem of elke discipline afzonderlijk geoptimaliseerd in een vooraf bepaalde volgorde, waarbij ervan wordt uitgegaan dat de ontwerpen van de andere subsystemen ongewijzigd blijven. Dat wil zeggen dat de optimalisatie van elk volgend subsysteem wordt uitgevoerd in een later stadium van het ontwerp op basis van één enkele oplossing, die tot stand komt door de eerdere optimalisatie van het vorige subsysteem. 5 6 Parametrisch denken in het ontwerp 7 2018 22   Casestudie: ontwerpoptimalisatie sportgebouw Een voorbeeld van multi-objective -optimalisatie zijn sportgebou - wen. Deze gebouwen bieden ontwerpers geweldige mogelijkhe - den, maar stellen ze ook voor uitdagingen: overspanningen moeten groot zijn en er gelden specifieke prestatie-eisen wat betreft het gebruik van daglicht en energie-efficiëntie. In samen - werking met TU Delft en Sun Yimin Studio van SCUT heeft Arup onderzoek gedaan naar multi-objective , multidisciplinaire ontwerpoptimalisatie voor sportgebouwen. Een lopend project voor een indoorsportfaciliteit van 30.000 m 2 naar een ontwerp van Sun Yimin Studio werd geselecteerd als casestudie om de optimalisatiemethode tegen het licht te houden. Het uitgangs - punt bij dit project was het creëren van een lichte en energie- efficiënte ruimte door gebruik te maken van lichtkoepels en   Deze aanpak kent minimaal twee belangrijke beperkingen. Ten eerste neemt de ontwerpcyclus veel tijd in beslag omdat het niet mogelijk is gelijktijdige optimalisaties door te voeren. Ten tweede zijn de resultaten suboptimaal als gevolg van een geringe ontwerpvrijheid in de latere stadia van het ontwerp - proces. Om deze beperkingen te ondervangen, wordt steeds meer gestimuleerd multi-objective -optimalisatie toe te passen samen met een verbeterd multidisciplinair optimalisatieproces. Daarmee krijgt deze aanpak een veelbelovende en actieve rol bij het ontwerpen van gebouwen. Multi-objective -optimalisatie biedt een methode voor het nemen van trade-off-beslissingen tussen twee of meer (en soms conflicterende) ontwerpdoelstel - lingen in de vroege ontwerpstadia. 7 thema Parametrisch denken in het ontwerp 7 2018 23 7 Resultaten van het optimalisatieprobleem8 Vergelijking van een willekeurig geselecteerde Pareto-oplossing (a) en de originele oplossing (b)     Koppeling geometrie en constructie De eerder beschreven projecten laten zien welke bouwtechni - sche nieuwe mogelijkheden er ontstaan wanneer parametrisch denken wordt geïmplementeerd in het ontwerpproces van een constructie. De nauwe correlatie tussen architectuur en constructie onderstreept het geïntegreerde ontwerpproces en biedt nieuwe methoden voor en vrijheid in het ontwerpen die de traditionele benaderingen overstijgen. Dit is echter geen oproep om uitsluitend te vertrouwen op geautomatiseerde besluitvormingstools. De parametrische en digitale rekenkracht zijn geen poging het proces van ontwerpdenken ? het funda - mentele vermogen van een ontwerper ? te vervangen, maar is eerder een nieuw en doeltreffende manier om geometrie en constructie bij elkaar te brengen. ?     ? BRONNEN 1 Ren, S. en Galjaard, S. (2015). Topology Optimisation for Steel Structural Design with Additive Manufacturing . Kopenhagen: Design Modelling Symposium (DMS). 2 Yang, D., Ren, S., Turrin, M., Sariyildiz, S. en Sun, Y. (2018). Multi-disciplinary and Multi-objective Optimization Problem Re-formulation in Computational Design Exploration: A Case of Conceptual Sports Building Design, Automation. In: Construction , Issue 92 (2018), pp. 242-269. 3 Ren, S., Tiliakos, M.A. en Ureta, P.V. (2011). Fibre Morphologies . London : Architectural Association.   bovenlichten, in combinatie met een lichtgewichtconstructie voor het dak met een grote overspanning.   De hoofddraagconstructie van het dak overspant 91,6 m tussen de buitenste steunpunten. De constructie omvat een stalen frame met liggers in één richting, die in twee lagen diamantpa - tronen vormen. Met behulp van kabels in laterale richting ontstaat op meerdere punten laterale stabiliteit. Een stalen vakwerk wordt gebruikt waar de twee dakoppervlakken verspringen.   Allereerst werd de set ontwerpvariabelen bepaald in het geïnte - greerde parametrische model. Deze werden verdeeld in negen groepen die de parameters definieerden voor verschillende disciplines, zoals de geometrie van de tribune, de gebouwschil, de externe zonwering en de dakconstructie. Daarnaast werden de prestatiecriteria toegevoegd voor de diverse disciplines (architecturaal, daglicht, energie en constructie): het daglicht maximaliseren (Modified Useful Daylight Illuminance (UDImod)), het energieverbruik minimaliseren (Energy Use Intensity (EUI)) en het constructiegewicht minimaliseren. Ook werden de ontwerpeisen van de diverse disciplines overgeno - men, waaronder het aantal zitplaatsen, de vrije hoogte en de eisen wat betreft sterkte en stijfheid van de constructie. Nadat het volledige kader was uitgezet, werden een proces van ontwerpverkenning en een optimaliseringsstrategie toegepast, en konden de optimale Pareto-oplossingen (waarin (tegenstrij - dige) doelstellingen tegen elkaar worden afgewogen) worden gerealiseerd binnen de gegeven ontwerpruimte en randvoor - waarden. Zoals blijkt uit de resultaten bieden de Pareto-oplos - singen ondanks de geometrische gelijkheid nog voldoende geometrische diversiteit. Hierdoor kunnen de ontwerpers in hun uiteindelijke besluitvorming een evenwicht realiseren tussen kwantitatieve en kwalitatieve doelstellingen. 8 Parametrisch denken in het ontwerp 7 2018