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.
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
Reacties