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 parametrisch ontwerpen en de herkomst.
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
Reacties