4 thema Parametrisch ontwerpen betekent eigenlijk dat je in het ontwerp parameters (ofwel variabelen) gebruikt als input voor een berekening of, meer in het algemeen, een algoritme (een serie bewerkingen). Hiervoor worden specifieke applicaties ofwel 'parametrische software' gebruikt. Figuur 2 laat de rol van een applicatie zien zoals die geldt in de klassieke informatica: software heeft inputs en bewerking(en) die leiden tot output. In feite is elke applicatie parametrisch, want elke software heeft inputs. Maar wat maakt parametrische software dan zo bijzon- der? Dat komt doordat bij parametrische software het voor de gebruiker mogelijk is zelf expliciet de parameters te definiëren. Je geeft als invoer dus niet alleen de waarde op maar kunt ook bepalen welke invoer wordt ingegeven. Bij een balk definieer je Parametrisch ontwerp? Wat is dat? 1 Definitie en geschiedenis parametrisch ontwerpen Parametrisch ontwerpen is een proces waarbij op basis van data of relaties tussen onderdelen een ontwerp kan worden gegenereerd. Ook voor de bouw biedt dit talloze mogelijkheden. Het concept is niet nieuw, maar neemt in de bouw de laatste jaren een enorme vlucht. Dit artikel gaat dieper in op de definitie van para­ metrisch ontwerpen en de herkomst.   thema Parametrisch ontwerp? Wat is dat? 6 2018 5 halve alleen de term 'parametrisch ontwerpen' gebruikt. Asso- ciatief betekent dat er associaties ofwel relaties tussen de parameters bestaan. Op zichzelf is ook dat niet bijzonder, want elke software die een nuttige taak uitvoert, gebruikt in principe associaties; dit zijn namelijk de bewerkingen uit het bewer- kingsdeel van de software (fig. 2). Wat parametrische software bijzonder maakt, is dat de gebruiker niet alleen de parameters maar ook deze bewerkingslogica expliciet mag definiëren (modelleren). Dit betekent feitelijk dat de software dus precies gaat doen wat de gebruiker wil en zoals de gebruiker dit wil, want je hebt het zelf gedefinieerd. Software is dus geen 'black box' meer die zijn interne werking verbergt; de gebruiker kan precies zien wat er gebeurt in de software en als hij niet tevre- den is, past hij het aan. dr.ir. Jeroen Coenders White Lioness technologies 1 De Canton Tower in Guangzhou (China), ontworpen met door Arup geschreven parametrische ontwerpsoftware foto: Arup 2 Eenvoudig model uit de informatica van een softwareapplicatie: applica- tie heeft invoer (inputs) waarop bewerkingen worden gedaan om tot een uitvoer (output) te komen Jeroen Coenders Jeroen Coenders is een van de twee oprichters van White Lioness technologies, een bedrijf dat zich richt op een nieuwe generatie van parametrische ontwerpsystemen voor Digital Twins. Deze software genaamd Packhunt.io wordt toegepast in vele indus- trieën, zoals de eyewear, sportswear, medische producten, 3D-printing en de bouw. Jeroen Coenders kwam zestien jaar geleden al in aanraking met parametrisch ontwerpen, eerst door eigen ontwikkelde software en later door zijn bijdragen aan de SmartGeometry-workshops en conferenties als senior tutor voor constructief parametrisch modelleren. Coenders en zijn teams bij voormalig werkgever Arup hebben parametrische ontwerpsoft - ware en modellen ontwikkeld en toegepast voor grote projecten zoals de hoogste tv-toren ter wereld in Guangzhou en het station van Arnhem van UNStudio. Ook is Coenders gedurende dertien jaar verbonden geweest aan de TU Delft. Veel van zijn voorma- lige studenten zijn nu in het binnen- en buitenland actief als 'computational designers' bij ingenieursbureaus en aannemers. Nu is zijn missie bedrijven helpen digitaal te transformeren en geavanceerde automatisering voor iedereen toegankelijk te maken via parametrisch modelleren en no-code. bijvoorbeeld de lengte van de balk als een parameter en het type profiel. Bij een vloer kunnen de parameters de overspan- ningen in twee richtingen en de dikte van de vloer zijn. De gebruiker mag dit zelf verzinnen en de computer 'begrijpt' dat deze parameters invoer is voor het model. input bewerking output Mogelijkheden Met parametrisch ontwerpen kun je dezelfde voordelen berei- ken als waar je vroeger voor moest programmeren: automatise- ren, genereren en optimaliseren. En dit allemaal zonder de pijn van programmeertalen, zoals de welbekende 'syntax errors' en eindeloze zoektochten naar bugs en denkfoutjes. Ook voor het engineeringsproces biedt parametrisch ontwerpen talloze mogelijkheden: modellen of ontwerpen kunnen automatisch worden gegenereerd op basis van parameters als maten, materi- aaldikte of geometrie. Op deze manier kunnen haast eindeloos veel alternatieven voor complexe geometrie en constructies worden afgewogen. Hierdoor is optimalisatie nauwkeurig en relatief eenvoudig mogelijk, ook voor complexe constructies. Bovendien kunnen de consequenties van wijzigingen laat in het ontwerpproces automatisch worden doorgevoerd. Ook kunnen flinke stappen in efficiency worden gezet, als modellen worden gekoppeld aan productie. Hoewel het nog lang niet heel breed wordt toegepast, zijn er al behoorlijk wat praktijkvoorbeelden die de potentie van de tech- niek laten zien. "Met parametrisch ontwerpen kun je dezelfde voordelen bereiken als met het ouderwetse programmeren maar dan zonder de pijn van programmeertalen, zoals 'syntax errors' en eindeloze zoektochten naar bugs"     Associatief Het parametrisch ontwerpen wat in dit artikel wordt beschre- ven, kan misschien beter worden aangeduid als 'parametrisch en associatief ontwerpen'. In dit artikel wordt verder gemaks- 2 Parametrisch ontwerp? Wat is dat?6 2018 63 Een graaf met drie parameters (10, 2 en 5) en twee operaties (+ en ?). De pijltjes zijn de 'edges'/'zijden'. De graaf drukt een berekening uit: 10 + 2 ? 5 = 7 4 Graaf voor een reeks getallen. Het resultaat: 7, 17, 27 Hierdoor pakken de meeste mensen het vrij snel op en kunnen zij automatiseringen bouwen die vroeger alleen voor program- meurs waren weggelegd. Parametrisch ontwerpen is daarom een soort 'high-level- programmeertaal' geworden voor ontwerpers en ingenieurs. Net zoals moderne programmeurs geen machinetaal in nullen en enen hoeven te schrijven of assembler hoeven te gebruiken, omdat ze beschikking hebben over operating systems en high- level-programmeertalen als Javascript en Python, hoeft ook de ontwerper deze programmeertalen met al hun complexiteit niet meer te leren. Dit maakt dat de ontwerper of ingenieur zich kan richten op zijn vak, maar toch zelf krachtige automatise- ring kan bouwen en gebruiken.   "Parametrisch ontwerpen is een soort 'high-level-programmeer - taal' geworden voor ontwerpers en ingenieurs"     Krachtige automatisering: replication Er zijn nog veel meer krachtige eigenschappen van parametrische software. Een laatst genoemde eigenschap, die een groot voordeel biedt ten opzichte van bijvoorbeeld spreadsheets of een program - meertaal, is 'replication'. Dit mechanisme zit in de meeste moderne parametrische applicaties. Het is de eigenschap dat als je een bepaalde logica voor een waarde van een parameter uitdrukt, je dezelfde logica kunt afspelen voor een lijst van waarden. Dit kan worden toegelicht aan de hand van het eerdere voor - beeld uit figuur 3. Daar wordt 2 bij 10 opgeteld, dat na de eerste knoop (plus) leidt tot 12. Daarna wordt er 5 vanaf getrokken en na de tweede knoop (min) leidt dat tot 7. Als in plaats van 10 een lijstje getallen wordt ingevoerd, bijvoorbeeld 10, 20 en 30, is het resultaat van deze graaf 7, 17 en 27. De software heeft voor elk van deze waarden dezelfde som afgespeeld.   L 2 5 + ? Herberekening voor elke verandering De extra eigenschap die parametrische software bijzonder maakt, is dat het een 'solver' gebruikt die voor elke verandering van een parameter via de associaties alle afhankelijke variabe- len herberekent via de operaties. Dit gebeurt via een zoge- noemde 'graph' ('graaf ' in het Nederlands). Hierin zijn de afhankelijkheden tussen de parameters en associaties vastge- legd. Wiskundig uitgelegd: de knopen (nodes) in de graaf zijn de operaties (bewerkingen) die uitgevoerd worden en de zijden (edges) de relaties (fig. 3). Elke keer dat er een verandering in het model plaatsvindt, wordt de graaf gevolgd van zijn parameters via de associaties. Passeert de software een knoop, wordt deze operatie (bewer - king) uitgevoerd. 10 2 5 + ?     In feite is ook dit weer niet zo bijzonder. Spreadsheets werken immers op dezelfde wijze. Alleen spreadsheets laten niet expli- ciet de graaf zien op de userinterface. Vergeleken met parametrische software zijn spreadsheets beperkt tot alleen numerieke invoer (parameters) en wiskun- dige formules als associaties. Bij parametrisch modelleren zijn veel meer vormen van invoer mogelijk, zoals geometrie (punten, lijnen, vlakken), afbeeldingen, sliders, grafieken, enzo- voort. En ook veel meer vormen van bewerkingen, zoals geometrische operaties, operaties op lijsten, koppelingen met constructieve pakketten, gescripte operaties en optimalisatie. Eigenlijk te veel om op te noemen. Omdat via parametrisch ontwerpen geometrische operaties goed zijn uit te drukken, ligt er een sterke link naar CAD-soft- ware die gebruikt wordt om de operaties uit te voeren.     Visueel programmeren Eigenlijk is parametrisch ontwerpen een vorm om eigen logica uit te drukken in software en deze naar eigen inzicht vorm te geven en uit te voeren. Het is een vorm van visueel program- meren. Het voordeel ten opzichte van tekstueel programmeren is dat de interactie met de software heel eenvoudig en speels is. invoer voor L uitkomst op de + operatieuitkomst op de - operatie 10 127 20 2217 30 3227 [10, 20, 30] [12, 22, 32][7, 17, 27] [5, 8, 16, 38] [7, 10, 18, 40][2, 5, 13, 35] 4 3 thema Parametrisch ontwerp? Wat is dat? 6 2018 7 5 Voorbeeld van een Grasshopper-model ontstaan van een organisatie genaamd SmartGeometry. Het is een non-profitorganisatie die zich bezighoudt met het gebruik van computers als intelligent ontwerphulpmiddel en die de samenwerking bevordert tussen professionals, wetenschappers en studenten die actief zijn met reken- en parametrische soft- ware. Hier komen elk jaar, ook nu nog, 'special modelling groups' van bedrijven als Foster+Partners, Arup, Buro Happold, SOM en KPF samen met wetenschappers en praktijkmensen van over de hele wereld om hun mooiste ontwikkelingen te tonen en in intensieve workshops te proberen een volgende stap te maken op dit gebied. In het begin ontstond tijdens deze workshops een behoefte aan het ontwikkelen van logica om ingewikkelde geometrische ontwerpen te modelleren en te beheersen. Robert Aish, die al de nodige ervaring had opgedaan in de scheepsbouw met het bouwen van software, is voor Bentley een systeem genaamd CustomComponents gaan ontwikkelen. Later is dit GenerativeComponents gaan heten. Deze software is vervolgens gedurende zo'n tien jaar steeds verder ontwikkeld en werd elk jaar verder uitgebreid op basis van alle nieuwe inzichten die de specialisten inbrachten tijdens de SmartGeometry-workshops. Softwarebedrijven keken graag over de schouders van deze architecten en ingenieurs mee om te leren wat er in de volgende generatie van de software moest komen.   De tweede doorbraak: Grasshopper In 2008 bezocht een Nederlandse student Bouwkunde David Rutten SmartGeometry. Rutten had zelf al vele jaren genera- tieve algoritmes in Rhinoceros (ook wel Rhino, een CAD- applicatie) ontwikkeld. Toen hij GenerativeComponents zag Dit is een enorm krachtig mechanisme. Het betekent bijvoor - beeld dat bij een berekening van een balk een paar verschil- lende balkhoogten kunnen worden uitgeprobeerd om de spanningsverdeling te bekijken. In plaats van één balkafmeting kunnen een aantal alternatieven afmetingen worden ingevoerd. Zonder enige inspanning leidt dat tot meerdere resultaten. Deze vorm van automatisering is met programmeertalen nog niet eens op zo'n eenvoudige wijze mogelijk.   Waar komt parametrisch ontwerpen vandaan? Bekende parametrische pakketten zijn Grasshopper, Dynamo en GenerativeComponents. Deze lijken in veel opzichten op elkaar. Ze hebben op een bepaalde manier een relatie met elkaar. Er is ook een bijzondere relatie met Nederland te ontdekken. In het navolgende een overzicht van de historische ontwikkelingen.   Het begin Parametrisch ontwerpen is verre van nieuw. Er zijn geruchten dat de eerste impliciete parametrische software al bij de opkomst van de eerste computers in de jaren vijftig beschikbaar was. Impliciet betekent hier dat de gebruiker niet expliciet de graaf kon bewerken, maar relaties modelleerde via geometri- sche operaties die vervolgens wel werden herberekend via een logica. Hier zijn films uit de oude doos van te vinden.   Eerste doorbraak: SmartGeometry en GenerativeComponents De grote technologische doorbraak dateert van 2001, met het 5 Parametrisch ontwerp? Wat is dat?6 2018 8 6 Voorbeeld van een Dynamo-model ontwerp plaatsvindt. Conferenties zoals Advances in Architec- tural Geometry, Design Modelling Symposium en de Internati- onal Association for Shell and Spatial Structures besteden ruim aandacht aan dit onderwerp. Recent is in Nederland een open community opgericht voor parametrisch ontwerpers genaamd Dutch Parametrics waar enthousiastelingen elkaar vragen kunnen stellen, elkaar helpen en nieuws op het gebied van parametrisch ontwerp delen. Er zijn ook verschillende aanbieders van beginnerscursussen om een start te maken met parametrisch ontwerpen, onder andere PA O T M .     En nu? Niemand heeft een glazen bol om in de toekomst te kijken, maar duidelijk is wel dat er verandering op komst is. Robert Aish is grotendeels met pensioen. David Rutten is nog steeds hard bezig bij McNeel om nieuwe versies van Grasshopper te maken en Ian Keough heeft een nieuwe startup opgezet om opensourcesoftware voor de bouw te maken. Maar er zijn ook vele nieuwe platforms in ontwikkeling, veelal geïnspireerd op de ideeën van SmartGeometry, maar met nieuwe invalshoe- ken. En parametrisch ontwerpen groeit enorm snel en 'is here to stay'. Dus wie weet wat er gaat gebeuren? De toekomst zal het uitwijzen ? draaien op Microstation (CAD-applicatie van Bentley), wilde hij graag ook een vergelijkbare applicatie voor Rhino ontwik- kelen. Bentley en McNeel (de maker van Rhino) konden het niet eens worden. Rutten is toen zelf een plug-in genaamd ExplicitHistory gaan ontwikkelen, geïnspireerd door Smart- Geometry. Later werd dit Grasshopper. De zeer actieve Rhino- community, waarvan enthousiastelingen uit vele verschillende industrieën deel uitmaken, werd bij deze ontwikkeling betrok- ken en ging parametrisch modelleren adopteren.   De derde doorbraak: Dynamo Onderdeel van de jaarlijkse SmartGeometry-workshops was een groep die zich richtte op constructies. Naast de auteur van dit artikel was een ingenieur van Buro Happold genaamd Ian Keough een van de tutors van deze groep. Keough begon aan een project om parametrisch ontwerpen te gebruiken met Autodesk-software. Na enkele jaren is hij naar Autodesk verhuisd om dit project voort te zetten. Op dat moment was de eerdergenoemde Robert Aish, die inmiddels Bentley had verla - ten, daar Research Director geworden. Hieruit is Dynamo voortgekomen: een parametrische applicatie, wederom geïnspi- reerd op de ideeën uit SmartGeometry, maar deze keer sterk gelinkt aan Autodesk-software zoals Revit. Autodesk heeft een sterke en brede gebruikersbasis in alle facetten van de bouw wereldwijd en de toevoeging van Dynamo heeft er nu definitief voor gezorgd dat parametrisch ontwerp op de radar staat bij veel architectenbureaus, bouwbe- drijven en ingenieursbureaus.   Andere plaatsen van ontwikkeling Naast SmartGeometry zijn ondertussen ook andere entiteiten ontstaan waar ontwikkeling en discussie rond parametrisch Dutch Parametrics Aanmelden voor de community Dutch Parame - trics kan via jeroencoenders@white-lioness.com. 6 thema Parametrisch ontwerp? Wat is dat? 6 2018