Final Thesis - Martino Margoni

ARCHITETTURA CONTEMPORANEA E STRUMENTI PER LA PROGETTAZIONE ARCHITETTONICA MARTINO MARGONI

POLITECNICO DI MILANO FacoltĂ di Architettura e SocietĂ Corso di laurea triennale in Architettura Ambientale

architettura contemporanea e strumenti per la progettazione architettonica

_________________________________________ differenti approcci alla modellazione

Relatore: Prof. Arch. Ingrid Paoletti Studente: Martino Margoni Matricola: 819870 Anno accademico: 2016/17

Indice dei contenuti 0 1

introduzione Evoluzione degli strumenti

1 3

2

Architettura parametrica

15

3

gli strumenti attuali

29

4

Architetture realizzate

66

5

caso studio

91

6 7

conclusioni

104 106

1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 3.1 3.1.2 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.1.6 3.2 3.2.1 3.2.2 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 5.1 5.2 5.3

I PRIMI CAD/CAM B-SPLINE, CURVA DI BÉZIER E NURBS MODELLAZIONE SOLIDA - CSG E BREP MODELLAZIONE PARAMETRICA BUILDING DESCRIPTION SYSTEM E LE ORIGINI DEL BIM DEFINIZIONE E ORIGINE DEL TERMINE LE PRIME ARCHITETTURE PARAMETRICHE: GAUDI E OTTO MORETTI E MUSMECI SVILUPPI TECNOLOGICI E RICHIAMO ALLA NATURA COMPUTATIONAL DESIGN E ALGORITMI GENERATIVI BUILDING INFORMATION MODELLING LE DIFFERENZE TRA CAD E BIM LIVELLI DI SVILUPPO DEL BIM LE DIMENSIONI DEL BIM L’INTEROPERABILITA’ PRINCIPALI SOFTWARE BIM SOFTWARE PARAMETRICO-GENERATIVI UTILIZZI ALL’INTERNO DEL PROCESSO PROGETTUALE PRINCIPALI SOFTWARE PARAMETRICI FORM-FINDING GEOMETRIC OPTIMIZATION ENERGY OPTIMIZATION STRUCTURAL OPTIMIZATION NEW TECHNOLOGY COMPUTATIONAL DESIGN

MODELLAZIONE CON REVIT MODELLAZIONE CON RHINO-GRASSHOPPER CONSIDERAZIONI FINALI

+

ESEMPI ARCHETETTONICI BIBLIOGRAFIA CREDITI RINGRAZIAMENTI

3 5 7 9 11

15 16 18 22 24

29 31 35 37 43 45 55 59 60 66 70 74 78 82 86

94 98 102

106 116 118 121

introduzione In quest’elaborato vengono presentati i principali strumenti computazionali utilizzati nel campo della progettazione architettonica, tramite l’analisi della loro evoluzione e le principali caratteristiche che li contraddistinguono.

La scelta di approfondire quest’argomento è nata in seguito ad alcuni corsi che ho seguito durante il terzo anno sui principali software BIM (Revit e ArchiCad), da cui ho potuto apprezzare le potenzialità che offrono questi strumenti in termini di gestione completa delle informazioni di progetto e controllo delle varie fasi progettuali.

Inoltre è presente un interesse personale verso i software di modellazione tridimensionale e la geometria computazionale, che mi ha portato ad approfondire l’argomento riguardante i software parametrico-computazionali, in particolare l’applicativo Grasshopper.

Prendendo quindi in esame queste due tipologie di software, le principali utilizzate in campo architettonico/ingegneristico, si è svolta una ricerca riguardo al loro sviluppo, a partire dal primo CAD, sviluppato al MIT negli anni ‘60, fino ad arrivare agli attuali BIM. L’obiettivo è stato quello di comprendere meglio gli aspetti che hanno influenzato l’evoluzione metodologica e progettuale dell’architettura contemporanea; un’architettura basata su parametri e relazioni, che ha preso il nome di architettura parametrica, i cui principali esponenti sono o sono stati: Frank Gehry, Zaha Hadid, Peter Eisenman, Rem Koolhas e Patrick Schumacher. Analizzando le loro architetture si scopre infatti che questi innovativi strumenti vengono costantemente utilizzati all’interno del processo progettuale, che sia per scopi di ottimizzazione, di form-finding oppure di gestione del progetto.

Essendo entrambi software che permettono la modellazione parametrica, si è deciso di inserire una parte conclusiva che ha consistito nella creazione del modello parametrizzato di un elemento di facciata, allo scopo di comprendere i vantaggi e le criticità che comporta l’utilizzo dell’uno o dell’altro.

Da questa ricerca è risultato evidente che l’utilizzo congiunto di questi strumenti é il modo migliore per sfruttarne a pieno le loro potenzialità e che in futuro la loro diffusione non potrà che aumentare.

1

“Everything - design and technology and materials - has changed since the World Trade Center was built. A lot of it has to do with computers, which allow us to be far more efficient as well as structurally sound.�

Frank Gehry 1

Evoluzione degli strumenti i primi cad/cam

1.1

Il termine Computer Aided Design, detto anche CAD, cioè progettazione assistita dal calcolatore, si riferisce a software sviluppati appositamente per assistere gli ingegneri e i progettisti in una vasta gamma di settori, che vanno dalla progettazione alla realizzazione di edifici, aerei, automobili, macchine fotografiche, smartphone e computer. Il primo programma di questo tipo ad essere sviluppato fu lo "Sketchpad", sviluppato da Ivan Sutherland come parte della propria tesi di dottorato al MIT nei primi anni 60. L'innovativo sistema permetteva all'utente di interagire direttamente con l'elaboratore, grazie all'utilizzo di una penna ottica ed un monitor speciale che consentiva di tracciare linee e punti.

Spesso il termine CAD viene associato anche al CAM (Computer Aided Machining); per questo motivo Patrick J. Hanratty viene ritenuto "il padre del CAD CAM". Alcuni anni prima di Sutherland infatti egli sviluppò il primo CAM, uno strumento di programmazione per macchine a controllo numerico, chiamato PRONTO, che serviva a generare le istruzioni da trasmettere ai macchinari per la produzione in serie. Il programma iniziò ad essere distribuito a partire dal 1957 e venne largamente utilizzate nelle fabbriche di automobili ed aerei.

Negli anni successivi iniziarono a comparire molte aziende informatiche, le quali concentrarono le proprie forze principalmente nello sviluppo di software per il disegno bidimensionale, appura-

1

Citazione ripresa da un intervista a Frank Gehry, 2011 Il software Sketchpad eseguito su un Lincoln TX-2 al MIT

3

re le potenzialità in termini di riduzione degli errori nella rappresentazione grafica e di riutilizzo dei disegni prodotti.

Fu solo a partire dalla metà degli anni 60 che all'università di Cambridge, di Rochester e a Stanford si iniziarono a fare ricerche approfondite sulla modellazione di curve e superfici tridimensionali, ma i risultati che si ottennero non ebbero alcuna diffusione al di fuori dell'ambito accademico prima degli anni 70, anche a causa della scarsa richiesta da parte del mercato manifatturiero e l'incapacità di comprendere le potenzialità di tali software. La maggior parte dei progetti per lo sviluppo di questi software, che presero il via con l'avvento del computer, furono finanziati dalle case automobilistiche ed ognuna di esse creò il proprio software proprietario: la Ford sviluppò PDGS, la General Motors invece CADANCE, la Mercedes-Benz il software SYRCO, la Nissan CAD-I e Toyota TINCA e CADETT. Anche in campo aereospaziale alcune società si interessarono a queste ricerche: la compagnia McDonnell-Douglas produsse il CADD, la Northrop l'NCAD, la Lockheed scrisse il codice del CADAM. Tra i vari software che vennero sviluppati, il CADAM (Computer Augmented Drafting and Manufacturing) fu quello che ebbe una notevole importanza per quanto riguarda lo sviluppo della modellazione 3D, dato che nel 1975 la compagnia aerea francese Avions Marcel Dassault ne acquistò i codici sorgente e da quelli iniziò a sviluppare un programma CAD 3D che verrà in seguito chiamato CATIA (Computer Aided Three Dimensional Interactive Application) e che negli anni acquisirà parecchia fama nel mondo della progettazione 3D.

4

B-Spline, Curva di Bézier e NURBS

1.2

Verso la fine degli anni 60, Pierre Bézier, un ricercatore francese che lavorava presso il laboratorio di ricerca della Renault, si occupò dello sviluppo di strumenti per l’elaborazione di curve tridimensionali complesse e arrivò a formulare la curva di Bézier.

Si trattava di un metodo per realizzare curve partendo da 2 punti e una linea vettoriale, basato sull’algoritmo di Paul de Casteljau, un ricercatore della Citroen, e permetteva di realizzare curve estremamente precise, essendo molto utile per la produzione delle carrozzerie delle automobili. Nel 1960 Bézier iniziò ad interessarsi allo sviluppo del sistema UNISURF, un CAD CAM per la produzione di stampi, che alcuni anni più tardi venne completato ed iniziò ad essere utilizzato in tutte le industrie Renault.

Nello 1975 K. Vesprille presentò la sua tesi di dottorato, sulle basi delle ricerche precedentemente conseguite da De Boor, Casteljau e Bézier, nella quale evidenziò i possibili impieghi delle B-Spline nei CAD, ponendo cosi le basi per un ulteriore sviluppo dello studio di superfici e curve tridimensionali complesse. Infatti alcuni anni più tardi la Boeing Company, nata dalla fusione di McDonnell-Douglas e Boeing, riunì un gruppo di matematici allo scopo di ottenere un modello geometrico onnicomprensivo per la rappresentazione di 11 tipi di curve, da linee e cerchi a curve di Bézier e B-Splines. Il team individuò nelle ricerche di Vesprille delle buone basi da cui partire e, nel 1983, idearono un nuovo modello matematico con il nome di Non-Uniform Rational Basis Splines, NURBS. Contemporaneamente, in quel periodo, E. Catmull e J.Clark formularono un algoritmo per la suddivisione di una superficie curva, largamente utilizzato dalla Pixar ed altri studi cinematografici, che tuttora è uno dei metodi più utilizzati nel mondo della computer grafica per suddividere superfici curve.

La storia delle spline computazionali è una successione di generalizzazioni matematiche, effettivamente ogni nuova generalizzazione include e ambia le possibili rappresentazioni geometriche.

Ad esempio, le NURBS possono rappresentare coniche, curve di Bézier, B-spline, così come cerchi, archi e linee. Il prossimo passo logico è un ponte tra superfici NURBS e di suddivisione, in quanto condividono un antenato comune, le B-spline.

Questo importante passo di riconciliazione sembra essersi di 5

recente verificato grazie alla formulazione delleT-Splines; anche se ancora non è una perfetta generalizzazione delle NURBS in termini puramente matematici, sembra essere sul punto di una diffusa applicazione commerciale per tutta una serie di settori. E’ interessante notare che questo nuovo metodo è compatibile con le NURBS e può essere integrato all’interno dei flussi di lavoro dei CAD/CAM esistenti. Le T -Splines assicurano ai progettisti un set di strumenti 3D superiore fondendo la precisione e il controllo della NURBS con l’interfaccia intuitiva e topologicamente libera della modellazione poligonale.

Nascita e sviluppo delle Spline computazionali

6

Modellazione solida - CSG e BREP

1.3

Il primo programma di modellazione solida fu rilasciato il 1972, non come software CAD ma come programma per svolgere analisi sull’esposizione a radiazioni nucleari nello spazio tridimensionale. Creato dalla MAGI (Mathematic Application Group Inc.), il programma fu chiamato SynthaVision e i modelli che riusciva a rappresentare erano simili a quelli creati con il metodo di rappresentazione CSG (Costructive Solid Geometry) che fu largamente usato nei software 3D realizzati successivamente.

Una ricerca approfondita fu portata avanti da 2 team di studiosi, il gruppo di Herb Voelcker all’università di Rochester e quello di Charles Lang all’università di Cambridge, i quali si approcciarono all’argomento in maniera completamente diversa.

Il PAP (Production Automation Project), guidato da A. Requicha e H.Voelcker, fu il primo gruppo che si dedico allo studio della modellazione solida e grazie al loro lavoro vennero stabilite alcune basi teoriche nel campo della modellazione, come la validità delle rappresentazioni e la correttezza degli algoritmi. Nel 1978 venne rilasciato il modellatore solido PADL-1 (Part and Assembly Description Language), il primo programma in grado di gestire correttamente gli operatori booleani negli oggetti a contorni sovrapposti. Alcuni anni più tardi il programma venne migliorato e nacque il PADL-2, che ebbe una notevole diffusione, soprattutto in ambito universitario, e divenne la base di diversi software commerciali nati successivamente.

Il gruppo di Cambridge, guidato da Charles Lang, diede invece fondamentali contributi nella modellazione solida sotto l’aspetto pratico, interessandosi principalmente allo sviluppo di componenti di sistema per la computer grafica e la geometria computazionale. I primi esperimenti sulla modellazione solida iniziarono nel 1969; grazie al lavoro di Ian Braid nacque il programma BUILD, uno dei sistemi più avanzati a quel tempo e primo modellatore a rappresentazione per contorni (BREP); gli altri sistemi utilizzavano tecniche di sfaccettatura per evitare i problemi di calcolo delle intersezioni tra superfici non planari, mentre il gruppo che progettò il BUILD riuscì ad affrontare il problema brillantemente.

Alan Grayer, unitosi al gruppo nel 1971, fu di fondamentale importanza per il proseguimento del progetto grazie allo sviluppo di alcuni algoritmi per l’elaborazione di oggetti prismatici all’interno 7

del programma ed assieme a Charles Lang, Ian Braid e un altro membro del gruppo fondarono la Shape Data Ltd. Una volta fondata la società essi realizzarono nel 1978 il primo software commerciale basato sull’idea del BUILD, denominato ROMULUS, che fu acquisito successivamente dalla Evans and Sutherland per sviluppare il suo successore Parasolid, uno dei kernel di modellazione geometrica più utilizzati al giorno d’oggi.

Alla fine del 1985 i 3 informatici, dopo aver ceduto la Shape Data, decisero di formare una nuova società e svilupparono ACIS, un nuovo modellatore solido con alcune nuove funzionalità rispetto al precedentemente Parasolid; ad esempio la gestione di oggetti manifold e non-manifold, le tecniche di blending, la tolleranza nei modelli e la precisione nei calcoli numerici.

Grazie alla ricerca e all’impegno che questi due gruppi posero nei confronti della modellazione solida, anche se con approcci diversi, si è arrivati a sviluppare la maggior parte degli attuali software CAD 3D.

Esempio di operazioni booleane eseguite su modelli CSG

8

Modellazione parametrica

1.4

I software CAD, pensati inizialmente come temi di ricerca, divennero durante gli anni 80 prodotti commerciali altamente richiesti e soggetti ad uno sviluppo ed una competizione sfrenata da parte delle software-house, grazie ai progressi senza precedenti delle tecnologie hardware e software nel mondo informatico. Alla fine di quel decennio, le grandi compagnie aerospaziali e automobilistiche che si interessarono allo sviluppo dei primi software CAD, iniziarono i propri progetti per la creazione di un software che potesse comprendere e riunire le funzioni per la progettazione offerte dai software presenti sul mercato; la Boeing avviò lo sviluppo di TIGER 3D, la General Motors si concentrò sullo sviluppo del programma C4 (per combinare assieme CAD, CAM, CAE e CIM)e analogamente la McDonnell-Douglas avvio il programma C3 (CAD, CAM e CALS).

Nel 1987 la Parametric Technology Corp. lanciò il proprio software Pro/Engineer. I principali venditori di software CAD non se ne preoccuparono, ritenendolo immaturo ed instabile, ma nel giro di 18 mesi si dovettero ricredere, dato il grande successo che ottenne. Questo grande interesse fu dovuto al ripensamento delle interfaccia utente, che venne resa molto più intuitiva e comportò una notevole riduzione dei tempi di modellazione. Altro aspetto fondamentale fu l'introduzione dei concetti pensati 20 anni prima da Sutherland nella costruzione dello Sketchpad, cioè la creazione di software CAD 3D interamente basato su modelli solidi e con funzioni di modellazione parametrica basata su vincoli. Infatti Sam Geisberg, ex professore di matematica che fondò la società, riferendosi a Pro/Engineer disse: “The goal is to create a system that would be flexible enough to encourage the engineer to easily consider a variety of designs.

And the cost of making design changes ought to be as close to zero as possible.”2

2

J. Teresko, Industry Week, 20 dicembre, 1993

Obiettivo riassumibile in due punti fondamentali: Il primo è quello per cui la modellazione parametrica dove permettere ai progettisti di esplorare una molteciplità di forme. Il secondo punto riguarda i modelli parametrici, essi devono permettere di prendere delle scelte e applicare delle modifiche anche in fase di progettazione avanzata, senza la necessità di dover ricostruire il modello.

9

Pro/Engineer diede inizio alla rivoluzione parametrica nell'industria dei CAD, introducendo il concetto di vincolo geometrico e vincolo dimensionale. Questo tipo di approccio alla modellazione venne ripreso ed implementato nei prodotti di quasi tutte le aziende del settore negli anni successivi e fu importantissimo per lo sviluppo degli attuali software BIM. Alla fine del decennio c'erano tre campi di sviluppo, su cui le principali aziende di ogni settore si fronteggiavano: sul fronte dei modellatori kernel si scontravano ACIS, Parasolid e il nascente DesignBase; sul campo del hardware i principali produttori erano IBM, HP, DEC, Sun Microsystems e SGI; mentre nell'ambito dei software CAD le aziende che dominavano il mercato erano Dassault, Parametric Technology, MDC e SDRC.

10

building Description System e le origini del BIM

1.5

I fondamenti del BIM sono rintracciabili fin dagli albori dei sistemi computazionali, infatti, già nel 1962, Douglas C.Englebart diede una sua sconcertante visione sul futuro degli architetti nel suo scritto “Augmenting Human Intellect”: “The architect next begins to enter a series of specifications and data-a-six-inch slab floor, twelve-inch concrete walls, eight feet high within the excavation. A structure is taking shape. He examines it, adjusts it...These lists grow into a evermore-detailed, interlinked structure, which represents the maturing thought behind the actual design.”3 La sua ipotesi non fu affatto errata, appurato che potrebbe essere una definizione valida tuttora per esplicare i concetti basilari del BIM come oggetto parametrico, manipolazione parametrica e database integrativo.

Nel 1974 venne pubblicata una ricerca intitolata “An outline of the Building Description System”, scritta da Charles Eastman presso l’università di Carnagie-Mellon, in cui veniva presentato un resoconto sullo stato attuale del Building Description System e sui progressi nello sviluppo del sistema, delineando cosi gli obiettivi da perseguire. I punti su cui Eastman pose la sua attenzione furono principalmente 4: un metodo semplice per inserire degli elementi a forma complessa, un linguaggio grafico interattivo per modificare e comporre insiemi di elementi(ad es. solai e pareti multistrato), la capacità di produrre elaborati grafici (disegni bidimensionali ortogonali e prospettici) di alta qualità e la possibilità di gestire gli attributi di ogni elemento, ordinandoli in un database(ad es. tipo di materiale, caratteristiche tecniche, venditore, prezzo). Dopo la pubblicazione di questa ricerca fu chiesto a Eastman di scrivere un articolo da pubblicare sul A.I.A. Journal, nel quale coniò il termine “Building Information Modelling” e presentò i principi su cui si fondava il concetto di BIM.

3

D C. Engelbart, Augmenting human intellect: A conceptual framework, ottobre, 1962

Eastman definì fin da subito il BIM come un processo gestionale orientato al coordinamento di attività convergenti nella realizzazione delle costruzioni e non come un semplice modello virtuale dell’edificio. Il semplice CAD 2D/3D non fu più considerato sufficiente per gestire tutte le informazioni che vertevano intorno ad un progetto, sentendo il bisogno di qualcosa di innovativo e maggiormente rispondente alle esigenze del professionista. Venne così teorizzato il BIM e il concetto di modellazione integrata.

11

Un altro aspetto interessante che venne sviluppato negli anni 80 fu il concetto di gestione temporale del processo costruttivo, inserito per la prima volta nel software RUCAPS (Really Universal Computer Aided Production System) e commercializzato a partire dal 1986. Due anni più tardi, all’università di Stanford, venne definito il “ four-dimensional building modeling”, dove il parametro temporale interviene nel processo costruttivo, definendo una successione ordinata delle lavorazioni.

Alla fine degli anni 80 erano ormai presenti sul mercato tutti gli strumenti necessari per la gestione completa del progetto, ma non esisteva ancora nessun software che li comprendesse e li integrasse tutti. I primi passi verso questa rivoluzione progettuale si ebbero con la commercializzazione di RUCAPS (Really Universal Computer Aided Production System), primo sistema ad integrare il controllo temporale delle fasi progettuali, e di Pro/ Engineer, che attraverso una modellazione parametrica permetteva la modifica dei parametri di un oggetto già creato.

Nel 1985, in Ungheria, Gabor Bojar iniziò a sviluppare un programma, denominato inizialmente Radar CH, che prese il nome di ArchiCAD: si trattava del primo software sviluppato per funzionare su personal computer (il primo sistema su cui lavorava era quello dell’ Apple Lisa) e dedicato all’ambito architettonico, con una gestione parametrica del modello e dei dati collegati ad esso. Contemporaneamente, negli USA, nasce la Bentley Systems e inizia lo sviluppo di MicroStation, quello che diventerà l’odierno Bentley Architecture. Alcuni anni dopo a Cambridge, Massachusetts, due ex impiegati della Parametric Technology Corp. iniziarono a sviluppare un software che permettesse una migliore gestione dei complessi progetti architettonici, rispetto ai nascenti ArchiCAD e Microstation. Fu cosi che vennero alla luce le prime versioni di Revit (nome inventato che sottointende revisione e velocità) e venne fondata la Charles River Software, successivamente rinominata Revit Technology Corporation nel 2000 e venduta al colosso Autodesk nel 2003.

Agli inizi del nuovo millennio i software nati per concretizzare i concetti di Eastman erano principalmente 5: ArchiCAD, MicroStation, Vectorworks, Allplan e Revit.

12

Particolare della superficie di rivestimento e vista d’insieme del Walt Disney Concert Hall a Los Angeles, progetto di Frank Gehry, 2003

13

“Quando il risultato guida il processo andremo sempre e solo dove siamo giĂ stati.

Se, invece, il processo guida il risultato, potremmo non sapere dove stiamo andando ma sapremo di essere nella direzione giusta.�

Bruce Mau 4

Architettura parametrica Definizione ed origine del termine

2.1

paramètrico agg. [der. di parametro] Relativo a uno o più parametri. a. In matematica, sono dette equazioni parametriche le equazioni che definiscono un luogo (curva, superficie, ecc.), non assegnando legami diretti tra le coordinate dei suoi punti, bensì esprimendo tali coordinate in funzione di una o più variabili indipendenti (parametri), l’eliminazione dei quali porta a una o più relazioni dirette tra le coordinate dei punti del luogo (per es., alla sua equazione cartesiana, se si usano coordinate cartesiane).5 Questa definizione stabilisce due criteri fondamentali: • Un equazione parametrica è definita da un’insieme di variabili indipendenti, detti parametri.

• I risultati che l’equazione può assumere sono correlati ai parametri mediante “funzioni esplicite”.

Un esempio di equazione parametrica può essere la seguente equazione cartesiana utilizzata per definire una catenaria:

Queste due formule riscontrano i criteri di un’equazione parametrica. Innanzitutto esprimono un insieme di variabili (a,t) e in secondo luogo i risultati (x,y) sono relazionati ai parametri (a,t) attraverso delle funzioni esplicite.

4

B. Mau, Incomplete Manifesto for Growth,1988 5

Parametrico, in Treccani. it – Vocabolario Treccani on line, 13 febbraio 2017 6

J. Dana, The system of mineralogy , Wiley, 1892

Il primo esempio della dizione “parametrico”, utilizzato in ambito matematico per descrivere modelli tridimensionali, è rintracciabile negli libro scritto da James Dana, intitolato “The system of mineralogy” (1837)6, nel quale vengono descritti i punti da seguire per disegnare dei cristalli e i parametri/rapporti che possono essere introdotti per definirne la forma. A tale termine, però, Dana non da un significato speciale e non descrive nemmeno i suoi disegni come “parametrici”.

15

Le prime architetture parametriche: Gaudi e Otto

2.2

Gaudì fu il famoso architetto spagnolo che progettò architettura eccezionali come Casa Battlò, Casa Milà, Parc Guell e la magnifica, e tuttora incompiuta, Sagrada Familia. Le sue opere apparentemente irregolari e fantasiose sembrano dettate dal caso e potrebbero apparire assemblate con forme naturali senza alcuna logica, ma in realtà vennero costruite con grande scientificità e rigore. Le sue costruzioni infatti rivelano formalizzazioni matematiche e geometriche evidenti e riscontrabili, per esempio, negli archi parabolici del Collegio di Santa Teresa e di casa Milà oppure nelle parabole e nelle catenarie degli archi e delle coperture di quasi tutte le opere di Gaudì. L’architetto utilizza fondamentalmente due curve matematiche, la parabola e la catenaria e ogni possibile combinazione tra queste, per costruire superfici complesse come il paraboloide iperbolico, l’iperboloide, il conoide e l’elicoide.

La grande innovazione che Gaudì introduce è quella della costruzione di modelli statici, attraverso l’uso combinato di curve catenarie infatti riusciva a controllare la forma e verificare che il progetto fosse statitamente corretto. L’architetto costruiva quindi dei modelli capovolti, composti da corde alle quali venivano appesi sacchetti di sabbia. A seconda della disposizione degli stessi, le corde assumevano la configurazione di una parabola (se i sacchetti vengono distribuiti uniformemente lungo la direttrice, cioè se i sacchetti presentano la stessa distanza da un piano orizzontale) oppure di una catenaria (se i sacchetti vengono distribuiti uniformemente lungo la curva stessa). L’aspetto innovativo nell’utilizzo di questi modelli era quello di riuscire ad ottenere automaticamente, grazie alla forza di gravità, le curve necessarie a costruire una struttura costantemente in compressione in ogni suo punto.

Questo metodo di “computazione analogica” fu esteso quando, negli anni ‘60, Frei Otto iniziò a creare modelli composti da film di sapone per studiare le superfici minime e le tenso-strutture, successivamente soprannominò questo metodo di ricerca formale form-finding, un termine che mette in primo piano la natura esplorativa della modellazione parametrica, in cui la forma è l’incognita. Magnifici esempi di tenso-strutture realizzate dall’architetto tedesco sono il Padiglione tedesco a Montreal (1967), il parco olimpico di Monaco (1972) e il Padiglione del Giappone ad Hannover(2000).

16

Modello della Sagrada Familia, creato con corde e pesi

Modello di studio delle superfici minime con film di sapone

Padiglione della Musica, Kassel, Frei Otto, 1955

17

Moretti e Musmeci

2.3

Sul termine “parametrico”, nato nell’ambito matematico, si dibatte tuttora sul quando si sia iniziato ad utilizzarlo in campo architettonico. David Gerber, nella sua tesi di dottorato “Parametric Practice”7 , ritiene che il primo ad averlo utilizzato sia stato Maurice Ruiter nel saggio intitolato “Parametric Design” e pubblicato nello stesso anno, il 1988, in cui venne rilasciato il primo software parametrico, denominato Pro/Engineer e sviluppato dalla Parametric Technology Corp.

Robert Stiles invece sostiene che il primato vada a Luigi Moretti (1906-1973)8, il quale già negli anni ‘40 iniziò a parlare di Architettura Parametrica, intesa come un’architettura che sappia assegnare alle funzioni precisi valori matematici, ponendoli in relazione in quanto parametri: «I “parametri” e le loro interrelazioni divengono così l’espressione, il codice, del nuovo linguaggio architettonico, la “struttura”, nel senso originario e rigoroso del vocabolo, deficiente le forme che quelle funzioni esaudiscono. Alla determinazione dei “parametri” e loro interapporti, debbono chiamarsi a coadiuvare le tecniche e le strumentazioni del pensiero scientifico più attuali; particolarmente la logica-matematica, la ricerca operativa e i computers, specie questi per la possibilità che danno di esprimere in serie cicliche autocorrettive le soluzioni probabili dei valori dei parametri e delle loro relazioni.»9 Sulle basi di queste teorie egli presentò il prototipo di progetto di uno stadio di calcio per chiarire come la forma possa dipendere da determinati parametri ed espose il modello dello stadio parametrico alla XII mostra della Triennale di Milano nel 1960. Negli anni successivi Moretti progettò il “ Watergate Complex”, a Washington D.C., che si ritiene essere stato il primo grande progetto a fare un uso significativo dei computer in fase progettuale.

Un altro architetto italiano, che negli stessi anni perseguì l’idea della “forma come incognita”, fu l’ingegnere Sergio Musmeci con il progetto per il ponte sul Basento a Potenza (1967-69). Musmeci portò avanti una personale ricerca sul problema strutturale ribaltando la vecchia concezione basata sostanzialmente sui metodi di dimensionamento e verifica di elementi predefiniti (piloni, travi, archi), invertendo così il tradizionale processo progettuale. Ovvero la forma divenne l’incognita e le tensioni la base da cui partire.

18

7

D. J. Gerber, Parametric practices: models for design exploration in architecture, 2007 8-9

F. Bucci , M. Mulazzani, Opere e scritti di Luigi Moretti, Electa, 2000

Modello in gesso di uno stadio basato su curve di “equiappetibilità visiva”, XII Mostra della Triennale di Milano, 1960

Piante con delineate le curve di “equiappetibilità visiva”

19

Agendo in questo modo Musmeci studiò il regime delle forze che agivano sulla struttura e attraverso dei prototipi (film saponati e membrane tese) giunse alla forma.

Le ricerche di Moretti e Musmeci riflettono la tendenza che iniziò a svilupparsi negli anni’60 all’interno dell’avanguardia architettonica e che si può sintetizzare nella nuova centralità del concetto di diagramma (processo): il tipo non definisce più l’idea di partenza di un’opera, ma è sostituito dal diagramma che diviene il mezzo col quale indagare il complesso sistema di relazioni delle sue parti.

Ponte sul Basento, Potenza Sergio Musmeci, 1979

Modello in scala del ponte sul Basento

20

A partire da questi primi studi, l’architettura parametrica ha pian piano trovato la propria completa manifestazione nelle forme e nei processi generativi messi a punto dai maggiori architetti come Frank Gehry, Peter Eisenman, Greg Lynn, Zaha Hadid, Rem Koolhaas che proprio su un sistema, fondato su “parametri” e “relazioni”, hanno concentrato i loro studi e le loro energie.

Transformation House I, Eisenman, 1999 Rotation House IV, Eisenman, 1999

Diagramma della biblioteca pubblica di Seattle, OMA

21

sviluppi tecnologici e richiamo alla natura

2.4

La realizzazione di nuovi progetti avanguardistici che necessitavano per il loro sviluppo di strumenti digitali all’avanguardia, come il Museo Guggenheim di Bilbao di Frank Gehry, portarono al cosiddetto “trasferimento tecnologico” e l’utilizzo della modellazione 3D in architettura fu definitivamente accettato. Successivamente, agli inizi degli anni duemila, grazie alle funzioni di scripting e visual-scripting implementate in vari software di modellazione, è divenuto possibile creare algoritmi complessi da utilizzare nella progettazione parametrica. L’utilizzo di tali algoritmi ha finalmente permesso di applicare i principi da anni teorizzati, ma difficilmente sviluppabili tramite gli strumenti a disposizione predentemente.

Zaha Hadid ad esempio riprese degli studi effettuati quarant’anni prima da Frei Otto sui percorsi minimi per dare vita al progetto del

Wool Thread model, studio dei percorsi minimi utilizzando fili di lana, Frei Otto

Progetto urbanistico per la città di Istanbul, Zaha Hadid Architects

22

masterplan di Istanbul, in cui l’intento primario era proprio quello di minimizzare i percorsi stradali.

Il design parametrico/computazionale ha portato inevitabilmente a cercare nuovi percorsi per legare in modo nuovo tecnologia, cultura e pratica progettuale. In architettura tali tecnologie parametriche sono state utilizzare: • nella ricerca di nuove forme (form-finding), per esplorare configurazioni spaziali differenti ed inusuali • nell’ingegnerizzazione ed ottimizzazione di una forma per semplificarne la realizzazione (come nel caso del Metropol Parasol a Siviglia); • nell’analisi ambientale del sito, per adattare l’edificio all’ambiente in cui verrò realizzato • nelle simulazioni dinamiche, tramite l’utilizzo di sistemi ad agenti multipli (multi agent-based), per verificare le scelte fatte Senza alcun dubbio è grazie a tali strumenti che si è arrivati a concepire in modo differente sia l’uso dei materiali che l’architettura stessa. Se un tempo si pensava in termini di utilizzo di moduli statici ripetibili con una composizione (il mattone per esempio) ora si può concepire come “mattone” uno script. Il mattone della nuova architettura è la teoria che sta alla base. Per cui il progettista si trova nella posizione di definire quelle regole che genereranno l’edificio e sarà poi il materiale ad adattarsi alle regole. E’ tale libertà che ha permesso di superare la rigidità nell’utilizzo dei materiali, innescando nuove sperimentazioni su essi.

Dal punto di vista formale la ricerca sul Parametricismo, termine coniato da Patrick Schumacher, si è concentrata nello studio di algoritmi che generino l’architettura, esattamente come la natura genera le sue forme: le foglie di un albero non sono disposte a caso, ma secondo uno studio sono posizionate con la parte superiore orientata in modo da ricevere luce con la massima efficienza. La natura diventa quindi esempio a cui ispirarsi e dalla quale comprendere i meccanismi generativi delle proprie forme. Così che le nuove forme dell’architettura si adattino alla complessità, al contesto ed allo scopo, seguendo regole matematiche. Su questi binari l’architettura parametrica mira a trovare un compromesso tra i propri bisogni e le condizioni ambientali, crescendo in accordo con esse.

23

Computational design e algoritmi generativi

2.5

Negli ultimi anni sono nati alcuni termini che sembra abbiano molto poco in comune con la progettazione architettonica, ma che in realtà sintetizzano molto bene il nuovo modo di progettare dell’architetto.

Innanzitutto bisogna comprendere l’evoluzione tecnologica che c’è stata, partendo dal semplice supporto alla progettazione (CAD) ed arrivando ai complessi software odierni. Il passaggio che c’è stato da rappresentazione a simulazione e da progettazione del singolo oggetto a gestione di un complesso sistema integrato (BIM) ha apportato delle modifiche sostanziali al modo di relazionarsi al progetto. Mentre fino a poco tempo fa l’architetto si affidava principalmente all’intuizione e alla conoscenza per sviluppare un progetto e superare i problemi che gli si ponevano davanti, ora può contare su nuovi metodi per risolvere tali problemi, ad esempio utilizzando linguaggi di programmazione visuale. Se si considerano le ricerche condotte da Moretti, sul concetto di parametro e relazione, e il concetto di rappresentazione diagrammatica, frutto delle teorie sull’architettura parametrica, è lecito supporre che il passaggio successivo sia la progettazione computazionale (Computational Design).

Il diagramma si trasforma in algoritmo che a sua volta genera la forma. Questa trasformazione è resa possibile proprio dai linguaggi di programmazione visuale, come possono essere Grasshopper o Dynamo. Il design computazionale, grazie alla possiblità offerta dai linguaggi di programmazione, è quindi un termine che comprende varie attività; dalla gestione dei Big Data alla generazione di forme complesse. A differenza del BIM, il computational design si interessa principalmente alla generazione di forme, affidando la gestione delle informazioni riguardanti l’intero ciclo di vita al BIM. L’utilizzo di questi nuovi strumenti presuppone da parte dell’architetto dei nuovi requisiti, diversi rispetto a quelli che caratterizzavano la progettazione tradizionale basata sul disegno. Il progettista infatti dovrà apprendere un vero e proprio nuovo linguaggio per comunicare con il software, il quale lascia poco spazio alla interpretazione tipica, e fraintendibile, del linguaggio umano. Il tradizionale processo progettuale, che prevedeva 24

Diagramma metodo di progettazione tradizionale

Diagramma metodo di progettazione parametrica

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un’evoluzione dell’idea da inizialmente vaga a definita, diviene infruttuoso ed inefficace in un contesto computazionale. I codici di programmazione non prevedono una conformazione “vaga” dell’idea ed è per questo l’architetto dovrà essere di in grado di progettare un processo algoritmico che tenga in considerazione gli intenti progettuali e generi un preciso risultato.

Nel libro “The death of drawing”10, l’autore individua 3 categorie di processi di generazione della forma: La prima è quella tradizionale che segue un processo “topdown” in cui il progettista inizia il progetto immaginando una determinata forma e successivamente la modella all’interno di un software. Tale processo risulta alquanto dispendioso in termini di tempo speso per apportare modifiche e il lavoro è totalmente manuale (come se si stesse modellando un pezzo di creta).

progettazione arbitraria

La seconda, invece, è l’applicazione pratica delle teorie parametriche di Sutherland e di Moretti. Attraverso l’inserimento di un insieme di parametri e l’esecuzioni di un determinato algoritmo si ottiene una forma non immaginata preventivamente, ma che soddisfa tutti i criteri imposti dall’architetto. Questo processo è definito “bottom-up” appunto perchè è possibile partire dal semplice elemento ed arrivare alla complessa forma finale.

progettazione parametrica

Infine la progettazione algoritmica è paragonabile ad un sistema autonomo, che esegue costantemente un determinato algoritmo. Tale tipo di progettazione introduce il population-thinking come fase di progetto. Invece di focalizzarsi su un unico processo generativo, che genererebbe una sola soluzione, la progettazione algoritmica opera su una serie di parametri; variandone i valori e reiterando l’esecuzione dello stesso algoritmo genera un elevato numero di soluzioni possibili. Questo tipo di progettazione viene anche chiamata Generative Design, appunto per la sua capacità di generare continuamente forme differenti. In sostanza la progettazione per algoritmi generativi è una processo che imita e applica l’approccio evolutivo della natura al design. Si inizia con degli obiettivi specifici di progettazione e poi si esplorano tutte le possibili combinazioni per trovare la soluzione migliore.

progettazione algoritmica

10

D. R. Sheer, The Death of Drawing: Architecture in the Age of Simulation, 2014

26

Particolare della copertura e vista dall’alto del parco olimpico di Monaco, Frei Otto, 1972

27

Il termine Building Information Modeling (BIM), reso popolare da Jerry Laiserin, si riferisce alla capacità di utilizzo, riutilizzo e scambio di informazioni. BIM è molto più di render 3D o il trasferimento di versioni elettroniche di documenti cartacei. Implementando le informazioni contenute in un documento BIM “il rischio viene ridotto, l’intento di progettazione viene mantenuto, il controllo della qualità viene snellito, la comunicazione è più chiara e migliori strumenti analitici sono più accessibili“ AIA 2005 11

“Un modello BIM è una rappresentazione digitale delle caratteristiche fisiche e funzionali di una struttura. In quanto serve da risorsa di conoscenza condivisa per le informazioni sulla struttura, formando una base affidabile su cui prendere decisioni durante l’intero ciclo di vita dalla nascita in poi” National BIM Standard 12

“Il Building Information Modelling consiste nello sviluppo e nell’utilizzo di un modello compterizzato che ha lo scopo di simulare la costruzione e il funzionamento di una struttura. Il modello risultante, un Building Information Model, è una rappresentazione digitale ricca di dati, intelligente, parametrica e ad oggetti orientati (object-oriented) di una struttura, dalla quale è possibile estrarre viste ed informazioni necessarie ai bisogni dei vari utenti ed analizzarle per generare informazioni che possano essere utilizzate per prendere decisioni e migliorare cosi il processo costruttivo della struttura.”

AGC - Guide to BIM 13

Gli strumenti ATTUALI Building Information Modelling

3.1

L’acronimo BIM, inteso come Building Information Modelling, viene utilizzato per descrivere l’insieme delle attività e dei processi applicati per realizzare, gestire, ricavare e comunicare informazioni tra soggetti a livelli differenti, utilizzando modelli creati da tutti i partecipanti al processo edilizio, allo scopo di garantire qualità ed efficienza attraverso l’intero ciclo di vita di un manufatto; se invece si vuole descrivere una rappresentazione digitale delle caratteristiche fisiche e funzionali di un manufatto, il termine BIM deve essere inteso come Building Information Model.

Tale modello sarà formato dall’ aggregazione di oggetti virtuali equivalenti ad oggetti reali, grazie alle informazioni geometriche ed alle caratteristiche associate all’oggetto stesso (materiale, costo, dimensioni, produttore, ecc.).

Le parole che compongono l’acronimo BIM lasciano comunque un certo grado di libertà di interpretazione e la definizione si è rivelata riduttiva per tutti i significati che dovrebbe comprendere; per questi motivi negli anni accanto a tale sigla sono stati affiancati alcuni nuovi termini, più adatti a descrivere il concetto generale di “gestione del ciclo di vita di un edificio”: • Project Information Management (PIM)

• Project Life-cylce Information Management (PLIM) • Facilities Information Management (FIM) • Total Quality Assurance (TQA)

11

Conferenza dell’ American Institute of Architects, 2005 12

National BIM Standard - United States of America, www.nationalbimstandard. org 13

Associated General Contractors (AGC) of America, The Contractors’ Guide to BIM, 2006

Il BIM, quindi, non si pone come un semplice modello 3D, ma come una estesa metodologia per migliorare il processo, ottimizzare il progetto, riutilizzare i dati e rendere più efficiente la collaborazione del gruppo di lavoro. Le sfide che comporta questo nuovo approccio metodologico sono principalmente 2: • Portare tutti i membri del gruppo a pensare in termini di ciclo di vita del manufatto, cioè aver ben chiaro che il proprio lavoro verrà utilizzato, modificato e migliorato da altri professionisti anche dopo aver completato il proprio incarico.

• Adottare un modello BIM come base per la progettazione e 29

per lo scambio dei dati, caratterizzato da una rappresentazione tridimensionale dell’edificio basata su oggetti, contenenti oltre a informazioni geometriche dell’elemento, anche tutte le proprietà che lo caratterizzano.

Sul primo punto è possibile agire spiegando e approfondendo i concetti alla base del BIM a tutti i membri del team e concordando preventivamente il processo di sviluppo del progetto. Sul secondo, vista la quantità di informazioni che il modello dovrà contenere, si sono dovuti sviluppare nuovi standard e nuovi formati di scambio dei dati per rendere l’interoperabilità tra i vari software concreta ed efficiente. Dato che il metodo con cui vengono organizzate e salvate le informazioni nei comuni formati di scambio (.dxf, .dwg, .dwf) non adatti a contenere e gestire tale complessità, sono nate, negli ultimi anni, alcune organizzazioni che hanno lo scopo di creare standard e formati in grado di farlo, come ad esempio la buildingSMART che ha sviluppato lo standard IFC oppure la USAGE con lo standard COBie.

30

Le differenze tra CAD e BIM

3.1.1

Il CAD, inteso come Computer Aided Drafting, ha principalmente modificato e rinnovato le tecniche di rappresentazione, mentre il BIM, che sta ormai prendendo piede nel mondo dell’AEC, sta cambiando non solo il disegno, che da bidimensionale diventa tridimensionale, ma sta cambiando fondamentalmente anche il modo di progettare. Infatti, inizialmente, il CAD fu pensato come uno strumento utile a semplificare ed automatizzare il lavoro di disegno e, come descritto nel primo capitolo, si focalizzava sulla rappresentazione bidimensionale delle geometrie utilizzando linee, archi e curve. Successivamente fu introdotto il concetto di organizzazione del disegno su livelli differenti e la possibilità di raggruppare elementi affini sotto lo stesso layer per una migliore gestione dell’intero disegno. Un passo avanti venne fatto con lo sviluppo del CAD 3D, che introdusse una visualizzazione spaziale delle geometrie e più recentemente con l’introduzione dei sistemi Object-oriented CAD (OOCAD) si è riusciti a creare oggetti con proprietà geometriche variabili e vincoli parametrici, consentendo la creazione di complesse relazioni tra diversi elementi.

Il BIM, che può essere visto come un ulteriore sviluppo dei sistemi OOCAD, integra, amplia e migliora le proprietà contenute negli oggetti e crea un database implementabile e ben organizzato del progetto, in cui vengono memorizzate tutte le informazioni necessarie a creare un vero e proprio edificio virtuale. Il punto di forza del BIM sta nell’utilizzo degli smart object (oggetti intelligenti), cioè di oggetti a cui sono associati dati geometrici, attributi, vincoli e regole, che, messi in relazione tra loro, creano un sistema unificato e ben definito.

Building Information Model è il termine con cui viene definito tale sistema e descrive un modello contenente tutte le informazioni, relative ad un edificio, organizzate e gerarchizzate all’interno di un singolo file. La difficoltà di condividere questo tipo di modelli, sta proprio nella complessità dei dati che compongono il modello stesso e nell’eterogeneità delle informazioni contenute nei vari elementi che lo compongono. Alcuni risultati apprezzabili sono stati raggiunti, ma tuttora molti sforzi devono essere fatti dalla comunità internazionale per migliorare l’interoperabilità tra i vari software utilizzati dall’industria delle costruzioni e per minimizzare la perdita di dati nello scambio di file.

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Un altro discorso può essere fatto sui livelli di maturità del BIM nei processi edilizi (progettazione, costruzione, gestione), i quali possono essere suddivisi in 3 stadi: Al primo livello, il processo è molto simile alle pratiche tradizionali e l’interscambio delle informazioni avviene maniera lineare; una volta completata la fase di progettazione si passa alla fase di costruzione e successivamente a quella di gestione.

La collaborazione tra le parti è minima e i dati condivisi sono principalmente documenti 2D e modelli 3D semplificati, contenenti solo le informazioni geometriche. All’interno del processo si utilizzano software BIM, ma solo per organizzare il lavoro all’interno della singola disciplina e i modelli 3D creati vengono utilizzati per automatizzare la generazione della documentazione da condividere con i vari soggetti coinvolti.

BIM1.0 (object-based)

Una migliore integrazione si ha con il passaggio ad una collaborazione basata sul modello (model-based), cioè quando avviene un interscambio di modelli complessi che contengono tutte le informazioni prodotte nelle varie discipline. La cooperazione può avvenire all’interno della stessa fase, ad esempio tra architetto e strutturista, oppure tra le varie fasi. A questo livello ruoli e discipline iniziano a mischiarsi e le fasi a sovrapporsi, è quindi necessario stabilire il livello di dettaglio (LOD) a cui ogni fase dovrà arrivare. Grazie a questa integrazione è possibile cominciare a fare analisi tempistiche (4D) ed estimative (5D) ancora prima di terminare la fase progettuale.

BIM 2.0 (model-based)

Il miglior grado di integrazione si ha quando i vari processi edilizi si sovrappongono e la condivisione dei dati avviene trasversalmente tra tutti i soggetti. I modelli BIM creati a questo livello sono altamente ricchi di informazioni, diventano modelli multidisciplinari e possono essere condivisi ed integrati attraverso tutte le fasi, grazie allo creazione di un server e di una rete attraverso la quale poter accedere a tutte le informazioni del progetto. Questo tipo di collaborazione viene anche denominata Integrated Project Delivery (IPD), concetto che sottintende un attività integrata volta alla conclusione del progetto in modo complessivo.

BIM 3.0 (network-based)

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I vantaggi che questo livello di integrazione porta, sono quindi molteplici e possono essere riassunti in: riduzione degli sprechi, identificazione dei problemi prima della fase di costruzione, migliore gestione dell’intero progetto, analisi dettagliata di tempi e costi.

Livelli di integrazione del BIM

33

Livelli di sviluppo del BIM

3.1.2

I modelli digitali creati attraverso un processo BIM, come scritto precedentemente, sono il risultato dell’aggregazione di molti componenti edilizi, i quali contengono dati che ne caratterizzano forma, costo, prestazioni, modalità di posa e tutte quelle informazioni che arricchiscono l’oggetto e sono utili per lo sviluppo del progetto; per gestire e definire quali di queste informazioni siano necessarie alle varie fasi di elaborazione sono stati introdotti i livelli di sviluppo (LOD, dall’inglese Levels of Development).

I livelli di sviluppo, da non confondere con i livelli di dettaglio, non si riferiscono esclusivamente alla qualità della rappresentazione grafica ma piuttosto al contenuto informativo dell’elemento. Ad esempio le informazioni necessarie per fare un rendering saranno prevalentemente geometriche e cromatiche, mentre quelle per un’analisi termica saranno di tutt’altro genere (volumetrie, prestazioni termiche e fisiche). I vari livelli, che partono da LOD 100 e arrivano a LOD 500, sono stati definiti dall’AIA (American Institute of Architects) per definire la rappresentazione e l’accuratezza minimi ad ogni grado di complessità.

LOD 100

elemento rappresentabile con un simbolo generico che consente analisi concettuali. Ad esempio per studi di fattibilità oppure fasi di concept.

LOD 200

elemento approssimato per quantità, dimensioni, forma e posizione e possono contenere informazioni non esclusivamente geometriche. Si possono creare delle stime di costo semplificate e programmi che mostrano le fasi di costruzione dei volumi principali.

LOD 300

elemento rappresentato graficamente nel modello, possiede dimensioni, forma, orientamento, posizione ed informazioni generiche non grafiche. A questo livello si possono fare stime dei costi dettagliate e analisi energetiche.

LOD 350

questo livello è stato aggiunto successivamente per sopperire all’esigenza di un maggiore dettaglio nel momento in cui i progettisti collaborano coi costruttori, adatto alla fase di costruzione il grado informazioni contenute nell’elemento è paragonabile a quello delle schede tecniche fornite dai subcontractor.

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questo livello è usato per modelli che presentano una complessità ancora maggiore e in cui sono presenti informazioni sul montaggio e l’installazione.

LOD 400

l’elemento, dopo la sua effettiva costruzione fisica, viene verificato in termini di geometria e caratteristiche prestazionali per riflettere le condizioni as built. Può contenere attributi e informazioni utili alla gestione e alla manutenzione della struttura. Utile in fase di collaudo e in fase di gestione.

LOD 500

I LOD servono quindi per monitorare la progressione di un elemento dalla fase concettuale all’as built. Tali livelli richiedono dei requisiti minimi di informazioni, che i singoli componenti devono contenere, e per ogni livello successivo i requisiti necessari vanno a sommarsi a quelli precedenti. Un elemento, per appartenere ad un determinato livello, deve quindi soddisfare tutti i requisiti richiesti anche dai livelli inferiori.

Differenza inforamativa tra i vari livelli di sviluppo

36

Le dimensioni del BIM

3.1.3

La progressione delle fasi di progetto e del livello di sviluppo nel processo BIM, genera un modello che gradualmente si arricchisce di informazioni, le quali vanno oltre la rappresentazione grafica e permettono di effettuare analisi e simulazioni. La creazione di questi modelli, sempre più pieni di informazioni, ha esteso il campo di applicazione dimensionale del BIM, andando ben oltre la visualizzazione tridimensionale del progetto. Introducendo i concetti di modellazione 4D (la gestione temporale della fase di costruzione) e modellazione 5D (la gestione e la stima dei costi del progetto) BIM 2D

Il disegno bidimensionale fa tuttora parte dei processi BIM “ibridi”, cioè BIM 1.0 e 2.0 (livelli di integrazione del BIM), in cui il flusso di lavoro si basa sull’utilizzo parallelo di un modello 3D intelligente e di elaborati cartacei 2D. Nei casi in cui ci si trova in un processo di transizione da CAD a BIM, gli errori e i conflitti tra le parti, dovuti al rapporto duale tra 2D cartaceo e modello 3D, possono essere numerosi ed è quindi necessario seguire delle linee guida capaci di minimizzare il rischio di conflitti tra modello digitale e documentazione cartacea.

BIM 3D

Il BIM viene comunemente associato alla modellazione 3D e alla progettazione virtuale, le cui funzionalità di base possono essere ricondotte alla visualizzazione tridimensionale del progetto, produzione di render e le verifiche di interferenza tra gli elementi (clash detection). Le possibilità di utilizzo di un modello 3D dipende principalmente dal livello di definizione del modello e dalle informazioni contenute in ogni elemento. Ad esempio, le informazioni necessarie per uno studio degli ombreggiamenti sono esclusivamente le masse concettuali del edificio, la localizzazione, l’orientamento e il contesto del sito. Al contrario, un’analisi energetica richiederà un livello di dettaglio del modello 3D molto più elevato, inoltre il modello dovrà contenere informazioni riguardanti le caratteristiche termiche e prestazionali dell’involucro, il sistema di riscaldamento/raffrescamento (HVAC), la zonizzazione interna, i flussi di persone, gli orari occupazionali, etc.

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Il modello 3D rimane comunque la base su cui eseguire tutte le analisi, dal prime fasi di concept al facility management. Solitamente, per una migliore organizzazione del progetto, vengono creati dei sotto-modelli per le singole discipline (architettonico, strutturale, impiantistico, etc.) sui quali si possono eseguire le analisi volute, senza dover necessariamente eseguire analisi/simulazioni con modelli contenti informazioni superflue che rallentano il conseguimento dei risultati.

Lo sviluppo di un modello 3D necessità generalmente più tempo per produrre gli elaborati grafici, rispetto al tempo impiegato per ottenerli in modo tradizionale attraverso software CAD. Tuttavia la modellazione 3D presenta dei vantaggi per quanto riguarda l’apporto di modifiche, le quali vengono aggiornate automaticamente in tutte le viste (piante, sezioni, prospetti, viste assonometriche) ; oppure nel caso di edifici complessi, in cui il disegno manuale delle sezioni può risultare problematico, le sezioni possono essere generate in pochi secondi tracciando un semplice piano di sezione. Ulteriori vantaggi sono la visualizzazione globale dell’edificio e di ogni suo elemento utile per le revisioni in fase di progettazione e le presentazioni ai committenti.

Un’altra funzionalità molto utile è il clash detection, o anche verifica delle interferenze, che consente di individuare i conflitti e gli errori generati dalla sovrapposizione di elementi all’interno del modello, questa funzione è di grande aiuto in fase di verifica dove i conflitti più frequenti si verificano tra impianti e parte architettonica/strutturale. Si stima che l’individuazione di questi problemi già in fase di progettazione possa favorire un risparmio del 10% sui costi di costruzione e la riduzione di modifiche in corso d’opera.

Un altro strumento di verifica del progetto è il code checking che introduce la possibilità della convalida di progetto in riferimento alle norme edilizie. Aspetto molto importante, per poter sfruttare a pieno questa funzione, è il controllo della qualità del modello/progetto (Quality Assurance - QA) che determina il valore potenziale del code checking. Se utilizzato fin dalle fasi iniziali di progetto, la possibilità di incorrere in errori, omissioni o dimenticanze, che causerebbero un dispendio maggiore di tempo e di costi, viene ridotta, potendo, in ogni momento, verificare il rispetto degli standard e delle normative.

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Uno dei software più conosciuti per quanto riguarda il code checking è Solibri Model Checker, che oltre alla verifica di conformità offre anche funzioni di clash detection. AutoCodes, invece, è un progetto ancora in fase di sviluppo, che si pone l’obiettivo di fornire un sistema di controllo automatico ed efficace lungo tutto il processo di progettazione, costruzione e gestione.

Modello 3D completi di progetto architettonico, strutturale e impiantistico

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La quarta dimensione, rappresenta la scansione temporale all’interno del progetto e viene utilizzata per creare animazioni oppure per gestire e simulare la sequenza dei lavori in fase di costruzione.

Le animazioni possono essere utili per analizzare luci e ombre nei vari momenti del giorno/mese/anno, per simulare il movimento delle persone all’interno dell’edificio oppure per creare video di presentazione del progetto.

La gestione temporale del progetto, grazie alle informazioni contenute nel modello BIM, risulta essere la parte più interessante nel processo BIM; se si considera che i dati del modello possono essere importati in un software di project management, con il quale è possibile programmare le sequenze costruttive, realizzare uno scheduling preciso e dettagliato, pianificare le operazioni di logistica e organizzare il cantiere in modo da ridurre i tempi morti e da prevedere le misure di salute e sicurezza necessarie sul sito, durante l’avanzamento del progetto.

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BIM 4D

BIM 5D

Il modello BIM, data la sua natura di database informativo, si presta molto bene a quantificare dimensioni e numero di elementi e ad agevolare le procedure di cost estimating. Infatti quando si tratta di stimare i costi e le quantità di materiali e componenti, si inizia a parla di quinta dimensione.

Questa predisposizione del BIM torna molto utile a progettisti e contractor, rendendo le operazioni di stima molto più precise e rapide rispetto ai metodi tradizionali. Grazie ai collegamenti automatici che si generano tra modello e stima, è possibile analizzare le variazioni dei costi in relazione a materiali e componenti utilizzati all’interno del progetto (real-time cost estimating).

Attraverso l’utilizzo di software specifici è possibile stimare i costi per l’intero ciclo di vita dell’edificio (life-cycle cost), che comprendono i costi complessivi di materiali, componenti architettonici, strutturali e impiantistici di tutte le fasi. Esiste anche la definizione whole-life cost che riguarda altre tipologie di costo, come ad esempio il rapporto con il valore fondiario, i proventi derivanti dai farbbricati e i guadagni provenienti dalle attività svolte all’interno dell’edificio.

Esempio di interfaccia per computi estimativiti integrati a modelli BIM

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La sesta dimensione consiste nell’analisi della sostenibilità ambientale del progetto, la quale fornisce una valutazione accurata e completa del fabbisogno energetico dell’edificio. Il BIM 6D permette quindi una semplificazione delle procedure di ottenimento delle certificazioni energetiche (LEED, BREEAM, ITACA, CasaClima).

BIM 6D

L’obiettivo di quest’ultima dimensione consiste nella gestione dei servizi e della manutenzione del costruito (Facility and Maintenance Management). Se si considera infatti il modello BIM come una rappresentazione virtuale dell’edificio, piena di informazioni e basata su oggetti intelligenti, il suo utilizzo per la creazione di liste di apparecchiature e componenti, in relazione alle zone che occupano, risulta alquanto semplificato. Tali liste divengono molto utili per i sistemi di Facility Management oppure per i sistemi computerizzati di gestione della manutenzione (CMMS).

BIM 7D

Dimensioni del BIM

42

L’interoperabilità

3.1.4

In campo edilizio le attività vengono svolte da più figure professionali che collaborano tra loro e, dato che non esistono applicazioni software in grado di gestire tutti i lavori svolti da esse, si è resa necessaria la nascita di strumenti che consentano lo scambio di dati tra applicazione e applicazione e tra professionista e professionista; insomma si è cercato di trovare una soluzione al problema dell’interoperabilità tra i vari software utilizzati nell’industria AEC. L’interoperabilità è dunque un requisito fondamentale affinche i progetti sviluppati con una metodologia BIM aumentino e il Building Information Model venga utilizzato non solo in fase di progettazione, ma anche nelle fasi successive di costruzione e gestione dell’edificio. Questa esigenza è diventata, oggi, uno dei principali cambiamenti richiesti al mondo dell’industria delle costruzioni per ottenere una completa integrazione e collaborazione tra le parti interessate al processo edilizio.

Per definire in maniera inequivocabile le condizioni di scambio delle informazioni, sono necessari dettagliati e complessi standard tecnici, dato che i dati vengono trasferiti tra tipi di software diversi e le informazioni prodotte da essi sono spesso specifiche e differenti per i vari campi di studio.

I tradizionali formati di scambio dei file (.dxf, .dwg, .dwf e .pdf) sono divenuti inadeguati per gestire questa complessità e con la comparsa di nuovi standard sono nati anche nuovi formati per lo scambio dei dati. Al momento questo scambio avviene tipicamente in uno dei seguenti modi: diretto; con collegamenti interni al software BIM stesso; tramite formati di scambio proprietari; tramite formati di scambio aperti come IFC e XML. Quest’ultima possibilità si presenta come la migliore per ottenere una completa condivisione del progetto tra le diverse applicazioni e in tale direzione si stanno facendo molti sforzi per arrivare alla definizione degli standard e dei protocolli che riguardano l’intero settore delle costruzioni. Chiaramente è necessario ancora molto lavoro di ricerca e di sviluppo per arrivare ad uno standard maturo e completo, ma grandi passi avanti sono stati fatti negli ultimi anni, trend che non sembra arrestarsi.

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Principali software BIM

3.1.5

REVIT Revit è un programma BIM per sistemi operativi Windows, creato dalla Revit Technologies Inc. e comprato nel 2002 dalla Autodesk. Attualmente è il software BIM più conosciuto e utilizzato nel mondo della progettazione architettonica, che si separa totalmetne piattaforma AutoCAD. All’interno della piattaforma Revit sono presenti una famiglia di prodotti che attualmente sono Revit Architecture, Revit Structure, Revit MEP. Il programma funziona solo su sistemi operativi Windows, anche se è possibile utilizzarlo su Mac con un plug-in dedicato.

Revit presenta un interfaccia poco intuitiva, ma grazie agli aiuti disponibili per ogni operazione e i menu ben organizzati, risulta di facile utilizzo dopo poco tempo. Il supporto alla generazione dei disegni (piante, sezioni, viste) è molto buona e la gestione dei documenti (abachi, testi, tavole) è ben organizzata.

come strumento

La modifica avviene in maniera bidirezionale tra modello, disegni e quote. Lo sviluppo di nuovi oggetti parametrici e la personalizzazione degli oggetti predefiniti è supportato e grazie alla presenza di un ottimo API (Application Programming Interface) lo sviluppo di applicazioni di terze parti risulta semplice.

Il programma presenta delle vaste librerie di oggetti, quella predefinita di Autodesk contiene più di 10 000 oggetti differenti; tali oggetti sono definiti tramite vari tipi di file : RVA, DWG, DWF, DGN, SKP, IES e TXT. Oltre alla libreria standard esistono poi svariati siti che commercializzano e condividono librerie di oggetti creati appositamente per Revit.

Revit ha un’ampia serie di applicazioni associate, alcune collegate direttamente attraverso l’API e altre attraverso protocolli di comunicazione aperti, ad esempio il formato IFC. E’ possibile importare modelli da SketchUp, Form Z, Rhinoceros ed altri sistemi che supportano l’esportazione di file in formato DXF. Prima della versione uscita nel 2011 i file importati erano esclusivamente visibili e non era possibile selezionare dei punti di riferimento sugli oggetti importati, successivamente è stata im44

come piattaforma

plementata questa funzionalità permettendo cosi un inserimento dell’oggetto molto più preciso. Revit si presenta quindi come una piattaforma molto potente, specialmente per il gran numero di applicazioni supportate e per l’ampia gamma di software Autodesk che si integrano molto bene tra loro.

I formati supportati sono: DWG, DXF, DGN, SAT, DWF/DWFx, ADSK, html, FBX, gbXML, IFC e ODBC (Open DataBase Connectivity). come ambiente

Revit supporta l’identificazione degli oggetti e sembra che li gestisca bene, però le informazioni di identificazione non vengono salvate nell’oggetto stesso, ma all’interno del file di progetto.

Questo limita la sincronizzazione degli oggetti nel caso di project team che lavorano simultaneamente. Revit è quindi una piattaforma, ma non fa parte di un ambiente propriamente BIM, come ad esempio ArchiCAD.

PRO :

CONTRO :

Come strumento di disegno è molto potente, di facile utilizzo e con un interfaccia ben organizzata. Grazie alla sua posizione dominante nel mercato e al grande ecosistema Autodesk, è la piattaforma migliore per i collegamenti diretti ad altri strumenti BIM.

Revit è un sistema in-memory (in-memory system) che rallenta significativamente in caso di progetti più grandi qualche centinaia di Megabyte. Presenta alcune limitazioni sulle regole parametriche che possono vincolare il lavoro in alcune situazioni.

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BENTLEY ARCHITECTURE La Bentley Systems offre un’ampia gamma di prodotti specifici per architettura, ingegneria, infrastuttura e costruzione. Il loro software dedicato all’ambito architettonico, Bentley Architecture, è l’evoluzione di Triforma e del famoso MicroStation. Nel mercato dei software per l’ingegneria civile ed infrastrutturale è il più utilizzato.

Come strumento di modellazione e stesura di disegni tecnici, Bentley presenta una serie di oggetti parametrici predefiniti.

Questi oggetti possono essere estesi tramite MicroStation Development Language (MDL), il linguaggio di programmazione della piattaforma MicroStation. Bentley supporta anche gli oggetti parametrici personalizzati grazie ai moduli Parametric Cell Studio e Generative Components. Il software gestisce molto bene le superfici NURBS e ha delle ottime capacità di modellazione solida. Il motore di render integrato, Luxology, è veloce e fornisce dei render e animazioni di alta qualità. Aggiungere proprietà alle classi dell’oggetto è facile e l’interfaccia ha delle buone funzionalità, simili a quelle presenti in Revit.

come strumento

Le applicazioni della piattaforma Microstation sono tutti sistemi file-based, significa che ogni azione viene immediatamente scritta nel file, ciò influisce negativamente in termini di caricamento e prestazioni. In aggiunta agli strumenti di modellazione base, Bentley ha un varietà di sistemi supplementari specifici per i vari ambiti della progettazione.

come piattaforma

I formati supportati dal software sono: DWG, DXF, PDF, U3D, Rhino 3DM, IGES, Parasolid, ACIS SAT, CGM, STEP, STL, OBJ, VRML, Google Heart KML, SketchUp, Collada, ESRI SHP e altri vari standard pubblici (IFC, SDNF).

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come ambiente

Specificatamente progettato per le informazioni create, visualizzate e utilizzate nei flussi di lavoro AEC, esiste l’applicazione Bentley ProjectWise che consente di gestire in modo efficiente le complesse relazioni esistenti tra file di disegno condivisi, le informazioni in essi registrate e gli eventuali contenuti associati.

Grazie a Bentley ProjectWise è possibile gestire in modo ottimale le modifiche durante la fase di progettazione e nell’ambito delle operazioni che ogni utente ha a disposizione. E’ un sistema file-based e supporta l’identificazione degli oggetti a differenza della piattaforma Revit.

PRO :

CONTRO :

Bentley offre una grande varietà di strumenti per la modellazione architettonica e supporta molto bene la modellazione di superfici e curve NURBS. Sono disponibili vari strumenti per lo sviluppo di oggetti parametrici personalizzati, tra i quali Generative Components, il quale permette la definizione di insiemi di funzioni parametriche complesse, chiamati algoritmi. Bentley fornisce la possibilità di lavorare in un ambiente multipiattaforma, grazie al sistema ProjectWise.

I vari strumenti offerti da Bentley purtroppo non sempre sono ben intergrati tra loro e presentano spesso differenti interfacce che rendono l’apprendimento più lento e difficoltoso. Le carenze in fatto di integrazione con le altre applicazioni riducono il valore e l’importanza che viene data a questo software.

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ARCHICAD ArchiCAD è stato il primo software BIM per la progettazione architettonica ad essere sviluppato. Iniziò ad essere commercializzato a partire dagli anni ‘80 dall’azienda Graphisoft ed era disponibile solamente per i sistemi Mac. A partire dal 1994 iniziarono ad uscire le versioni per entrambi i sistemi operativi, Windows e Mac. Nel 2007 è stato acquisito dalla Nemetschek, una compagnia tedesca che possiede varie applicazioni per l’ingegneria civile.

L’interfaccia di ArchiCAD è molto intuitiva e di facile utilizzo fin dalle prime volte. La generazione dei disegni viene gestita automaticamente dal software e le varie piante, sezioni e viste si possono posizionare velocemente sulle tavole. A differenza di Revit non è possibile modificare il modello agendo sulle quote, dato che il sistema non presenta funzioni di modifica bidirezionali. Come strumento di modellazione parametrica, ArchiCAD incorpora una vasta serie di oggetti parametrici predefiniti e la libreria interna possiede un’estesa varietà di oggetti, organizzati per sistemi. In aggiunta esistono parecchi siti web da cui è possibile scaricare oggetti di qualsiasi tipo, parametrici e non. Il supporto alla generazione di oggetti parametrici è incluso grazie alla presenza del GDL (Geometric Description Language), un linguaggio di programmazione con cui creare oggetti parametrizzati molto utilizzato dai professionisti.

come strumento

ArchiCAD gestisce molto bene lo scambio di file con altri software, principalmente attraverso i formati GDL e IFC. Sulla pagina Web di ArchiCAD sono presenti tutorial sul come esportare correttamente il modello in formato IFC in funzione dell’uso che bisognerà farne. Uno strumento fornito assieme al software è BIMx, un strumento di visualizzazione del modello molto potente e stabile che permette di navigare all’interno del modello renderizzato in real-time.

come piattaforma

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come ambiente

ArchiCAD permette i gruppi di lavoro simultaneto tramite il servizio di BIM cloud, che grazie alla tecnologia brevettata DELTA server , permette l’accesso simultaneo a progetti provenienti da localizzazioni diverse.

Questi server, progettati appositamente per gestire gli accessi degli utenti a parti del progetto a loro destinati, riescono a tenere traccia delle aggiunte e delle modifiche applicate ad ogni singolo oggetto, dato che le informazioni sono salvate nell’oggetto (object-based). Dovendo quindi aggiornare esclusivamente gli oggetti modificati all’interno del modello, è possibile minimizzare i tempi di aggiornamento e di caricamento sul server. Grazie a questa funzionalità è anche possibile visualizzare la storia dell’oggetto durante tutta la durata del progetto.

PRO :

CONTRO :

ArchiCAD ha un’interfaccia intuitiva e di semplice utilizzo.

Ha una libreria di oggetti molto ampia e la possibilità di interagire con varie applicazioni esterne risulta decisamente utile. Grazie alle funzionalità cloud ben integrate, la collaborazione nei progetti è notevolmente facilitata.

Presenta alcune limitazioni per quanto riguarda la modellazione parametrica, anche se nell’ultima versione è stata implementata la funzione di modellazione NURBS, che però deve essere ancora sviluppata a pieno. Dato che ArchiCAD è un sistema in-memory, si possono riscontrare alcuni problemi nel caso di progetti molto estesi, ma sono tranquillamente superabili con l’utilizzo del servizio di BIM cloud offerto da Graphisoft.

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DIGITAL PROJECT Sviluppato dalla Gehry Technologies, Digital Project deriva dal famoso software della Dassault, CATIA (la migliore piattaforma per la modellazione parametrica nell’industria aerospaziale ed automobilistica). Servono computer potenti per farlo funzionare bene e si può installare solo su sistemi Windows.

Digital Project è uno strumento molto complesso che necessita di molto tempo per imparare ad utilizzarlo a pieno, anche se è disponibile una buona documentazione online. Le possibilità di modellazione parametrica sono superiori rispetto a tutte le altre piattaforme analizzate. E’ uno strumento eccellente per lo sviluppo di complessi algoritmi e la modellazione di superfici curve.

Le funzioni di importazione ed esportazione di fogli di calcolo e XML sono ottime e le capacità di esportazione IFC vengono continuamente migliorate ed implementate. Le quote non sono collegate in modo bidirezionale al modello e le modifiche devono essere fatte sul modello, attraverso la modifica dei parametri degli oggetti. Sono supportate nativamente le funzioni di clash detenction.

come strumento

Digital Project è un sistema file-based con cui è possibile modellare qualsiasi parte di un edificio, a tutte le scale. La struttura del programma è composta da moduli (workbenchs), ognuno dei quali serve a svolgere un determinato compito. Ad esempio:

come piattaforma

• Imagine & Shape è un modulo che serve in fase di concept per disegnare schizzi; • Project Engineering Optimization permette una facile ottimizzazione di progetti sviluppati in modo parametrico; • Project Manager per la gestione di tutto il progetto.

Molti altri workbenchs sono disponibili e possono essere integrati all’interno del software. Purtroppo sono tutti strumenti sofisticati che possono dare ottimi benefici in fase progettuale, ma che richiedono una buona conoscenza tecnica per poterli sfrutta50

re totalmente. Oltre ai workbenchs è possibile interfacciarsi con vari software esterni, come Ecotect (per analisi energetiche), 3DVia Composer (per la stesura della documentazione), 3DXML (per la visualizzazione del modello). Digital Project è stato costruito in modo da poter definire facilmente nuove classi di famiglie e di oggetti, tramite l’utilizzo di linguaggi come Visual BASIC e .NET per lo sviluppo di componenti aggiuntivi.

I formati di scambio supportati sono: CIS/2, IFC, SDNF, STEP, DWG, DXF, VRML, TP, STL, CGR, 3DMAP, SAT,3DXML, IGES, HCG. come ambiente

Digital Project è stato progettato come una piattaforma, che permette, attraverso strumenti specifici, sia la progettazione ingegneristica che manifatturiera. Supporta il lavoro simultaneo di più utenti, grazie all’applicativo SVN che controlla la gestione del progetto.

PRO :

CONTRO :

Digital Project possiede capacità di modellazione parametrica avanzate. E’ in grado di gestire complesse funzioni parametriche per il controllo di superfici e può essere utilizzato come strumento per la fabbricazione e la prototipazione. A livello di piattaforma è il software più completo, grazie ai vari workbenchs disponibili ed integrabili direttamente all’interno del software.

L’apprendimento nell’utilizzo del software è molto lento, per colpa dell’interfaccia complessa e del numero di workbenchs che bisogna imparare ad utilizzare. Ha un costo molto elevato e la libreria di oggetti architettonici predefinita è limitata. Nato come strumento per la modellazione di aerei e automobili, non si presta tuttora ad un uso puramente architettonico, a causa delle difficoltà che si possono incontrare nell’elaborazione di tavole e disegni e dall’assenza di una vasta libreria di oggetti.

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VECTORWORKS Vectorworks, inizialmente chiamato MiniCad, venne sviluppato dalla Diehl Graphsoft nel 1985 e funzionava esclusivamente su sistemi operativi Mac. Nel 1996 esce la versione per Windows e nel 2000 l’azienda viene acquisita da Graphisoft che per evitare confusione ne cambia il nome, rinominandola Vectorworks Inc. Nel 2009 è stato cambiato il modellatore kernel adottando Parasolid. Le funzioni di parametrizzazione presenti nel software sono simili a quelle di altre piattaforme BIM, anche se è stato spesso elogiato per la facilità di utilizzo rispetto ad altri programmi.Il software è disponibile sia per Mac che per Windows.

Vectorworks fornisce un gran numero di strumenti, organizzati e raggruppati in diversi pacchetti, che sono:

come strumento

• Architect: per fini architettonici e BIM • Designer: per design del prodotto

• Landmark: per la progettazione paesaggistica

• Spotlight: per le simulazioni illuminotecniche di eventi e palchi • Machine design: per la progettazione di macchinari • Renderworks: per il rendering

Le librerie predefinite sono buone e dispongono di un numero adeguato di oggetti specifici per i vari pacchetti. La modellazione di superfici NURBS è molto buona e le classi dell’oggetto possono essere modificate e create grazie all’API oppure utilizzando il linguaggio proprietario Vectorscript.

Vectorworks è un sistema in-memory e come altre piattaforme, si possono utilizzare i gruppi di lavoro (workgroups) per suddividere il modello in sottogruppi ed evitare così problemi nel caso di progetti estesi. Grazie a tale funzione è infatti possibile lavorare simultaneamente a differenti parti del progetto. Il principale 52

come piattaforma

formato con cui comunica con altre applicazioni è il formato IFC. Per la parte strutturale si può interfacciare a Revit structure, Scia Engineer, Tekla e Allplan. Altre applicazioni interessanti possono essere: MagiCAD (per la progettazione impiantistica), Artlantis (per la visualizzazione e il rendering), TouchCad (per la modellazione di forme complesse) e Virtual Building Explorer 3D ( per la visualizzazione e la navigazione del modello).

I formati di scambio supportati sono: DWG, DXF, IFC, IGS, SAT, STL, X_T, 3DS. Il formato IFC rimane comunque quello più utilizzato. come ambiente

Vectorworks si è concentrata su alcuni campi progettuali ed è entrato a far parte di un ambiente BIM solo nelle ultime versioni, abbracciando a pieno la filosofia dell’open BIM e l’utilizzo del formato IFC 2x3 come metodo comune di interazione con le altre applicazioni. L’ambiente BIM di Vectorworks è uguale a quello di ArchiCAD, dato che i due software fanno ormai parte della stessa azienda, la Nemetschek (ha acquistato Graphisoft nel 2006), ed entrambi utilizzano come formato comune di scambio l’IFC.

PRO :

CONTRO :

Vectorworks offre degli ottimi strumenti di modellazione NURBS. La possibilità di scegliere tra i vari pacchetti è interessante e permette di ridurre i costi per l’acquisto delle licenze. L’interazione possibile con le applicazioni esterne è notevole e praticamente allo stesso livello di quelle di ArchiCAD.

Le funzionalità di gestione del progetto presenta alcune limitazioni rispetto ad altri software che gestiscono il progetto attraverso server cloud.

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“I software parametrici – protagonisti di un’ampia e trasversale diffusione in virtù di un utilizzo intuitivo che non richiede conoscenze di programmazione – consentono di organizzare i progetti in sistemi associativi basati su logiche di relazione tra parti, offrendo la possibilità di alterare la configurazione complessiva di un sistema, agendo sui parametri posti alla base del processo progettuale, secondo una logica di propagazione delle modifiche. L’innovazione assoluta introdotta recentemente da tools come Dynamo, Xpresso, Generative Components e, in particolare, Grasshopper, – plug-in di Rhinoceros – consiste nell’aver tradotto la sintassi della programmazione in un’interfaccia visuale, introducendo un’esperienza inedita di interazione con il software.

Con Grasshopper, per la prima volta, il sistema dei legami parametrici che organizza le differenziazioni di un modello tridimensionale può essere configurato e manipolato esclusivamente attraverso un diagramma. La forma non è più ottenuta secondo la logica additiva tipica dei CAD o la manipolazione – seppur virtuale – dei modellatori 3D, ma è generata attraverso una sequenza ordinata di istruzioni: l’algoritmo.”

Arturo Tedeschi 14

Software parametrico-generativi

3.2

I software parametrico-generativi sono degli applicativi che si integrano alle tradizionali funzioni di modellazione bi- e tridimensionale offerte da ambienti di modellazione come Microstation, Rhinoceros o Revit, per citare i più famosi.

In alcuni casi è possibile che questi applicativi siano dei software stand-alone, cioè che presentino un’interfaccia di visualizzazione tridimensionale autonoma e non siano quindi solo estensioni di altri software, Dynamo ad esempio permette di lavorare sia in maniera autonoma (Dynamo Studio) sia in relazione con il software BIM Revit.

L’interfaccia su cui viene assemblato l’algoritmo rimane tuttora un elemento distaccato dal software principale, proprio a causa della metodologia di generazione delle forme totalmente differente. Nel metodo tradizionale le funzioni vengono eseguite una alla volta e le relazioni che si creano sono isolate (non è possibile riutilizzare lo stesso parametro utilizzato precedentemente nell’esecuzione di un’altra funzione). Al contrario utilizzando un metodo parametrico, le interazioni possibili tra parametri e funzioni sono pressoché illimitate. Grazie alla logica associativa e all’impiego di un diagramma a nodi per visualizzare tali associazioni, è possibile creare relazioni tra elementi tipologicamente e dimensionalmente differenti. Risulta estremamente semplice, ad esempio, creare una relazione tra la distanza di un elemento chiave da un gruppo di elementi ed il fattore di scala da applicare ad ogni elemento appartenente a quel determinato gruppo.

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Arturo Tedeschi, www. arturotedeschi.com Esempio di curva attratrice che regola la dimensione dei cerchi, in funzione della distanza tra il punto e la curva

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Questo differente metodologia obbliga ad un ripensamento dell’interfaccia classica dei software di modellazione per riuscire ad integrare in un unico ambiente modellazione tradizionale e parametrica. Al giorno d’oggi questa unione sia ancora ad un livello definibile primordiale, anche se sembra che le principali software-house stiano puntando proprio in questa direzione e con le prossime versioni probabilmente questa integrazione verrà notevolmente migliorata; bastì vedere a questo proposito, le grandi innovazioni che vengono portate avanti tuttora nello sviluppo di Rhino 6.0.

I principali elementi utilizzati in questi software sono i “componenti”, i quali non sono altro che funzioni con degli ingressi (input) da cui ricevono le informazioni da elaborare e delle uscite (output) per restituire i risultati dell’elaborazione.

La capacità di questi componenti di avere un ingresso ed uscita da cui ricevere o restituire dei dati è il fondamento su cui si basa il software stesso e la logica relazionale di questo genere di metodo progettuale. Le connessioni tra questi componenti offre quindi la possibilità di creare un sistema di legami essenzialmente illimitato, il cui limite è dato dalle capacità computazionali dell’hardware.

3

1

2

4

5 Esempio di frattale, in cui una determinata funzione viene reiterata 5 volte

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Il diagramma che si crea, formato da parametri, componenti e connessioni, ha un andamento lineare e temporalmente sequenziale, cioè le funzioni che lo compongono vengono eseguite secondo un determinato ordine deciso dall’architetto durante la progettazione. Ci sono alcuni casi in cui questa linearità viene interrotta, nel caso dei “loop” infatti vengono ripetute parti dell’algoritmo per un determinato numero di volte prima che venga ristabilita la normale linearità del sistema. I “loop” vengono utilizzati spesso per creare frattali, definiti come entità geometriche dotate di omotetia interna, eseguendo in maniera ripetitiva una determinata funzione i cui risultati divengono nuovamente ingressi da utilizzare per la reiterazione successiva.

Quest’ordine sequenziale è una diretta conseguenza del fatto che l’algoritmo è essenzialmente uno script, il quale anzichè mostrarsi sotto forma di righe di codice viene rappresentato attraverso l’uso di un linguaggio di programmazione visuale: il diagramma a nodi.

Nei diagrammi a nodi a differenza degli script testuali viene offerta la possibilità di creare sequenze logico-matematiche di complessità superiore, grazie ad una logica associativa più efficace, in cui risulta facilitato il controllo dell’intero sistema e la localizzazione delle problematiche che si possono riscontrare nell’esecuzione dell’algoritmo.

Infine è interessante la definizione che viene data da Pierandrea Angius, nella sua tesi di dottorato sulla progettazione di involucri architettonici atipici (2012): “I software parametrico-generativi si presentano, allo stato attuale, come strumenti a supporto della modellazione tridimensionale e come strumenti per la verifica e la stima di determinate caratteristiche. Questi sopracitati sono infatti la caratteristiche maggiori di una tipologia di strumento che tuttavia rappresenta una molteplicità di possibilità utilizzative che si manifestano con determinate specificita’ in relazione all’utilizzatore. L’utilizzo che infatti ne può fare l’architetto può essere sicuramente diverso dall’utilizzo che ne potrebbe fare un ingegnere o un consulente specialista.”

Da questa definizione è infatti possibile comprendere un altro tratto distintivo di questi software, cioè il concetto di prestazione.

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Questo concetto serve a riassumere tutte quelle operazioni che possono servire ad analizzare le prestazioni di un modello, che diviene il soggetto dell’analisi. Le tipologie di analisi che possono essere fatte su quest’oggetto sono varie e si differenziano essenzialmente per scopo, scala e la complessità del calcolo.

Nelle varie fasi progettuali questo strumento diviene quindi un supporto indispensabile per verificare che l’avanzamento del progetto segua determinate condizioni imposte nelle fasi precedenti, oppure che vengano rispettati i requisiti richiesti. Tali requisiti possono essere di varia natura, a partire dalla verifica strutturale fino ad arrivare alla verifica della planarità di tutti gli elementi che compongono una facciata, oppure requisiti prestazionali di ambito energetico/illuminotecnico per esaminare i livelli di isolamento e illuminamento all’interno del progetto.

Questi software parametrici sono ormai entrati a far parte degli strumenti che l’architetto adopera durante lo sviluppo del progetto, non solo come strumento per una verifica puntuale del progetto, ma proprio come mezzo per avere un controllo completo e costante sul progetto in tutta la sua complessità. L’utilizzo di questi software infatti permette di apportare modifiche locali al progetto, le quali innescano automaticamente una revisione di tutti gli elementi dipendenti da quella modifica. Il modello non è più un semplice raggruppamento di elementi differenti, ma assume la configurazione di un complesso sistema fatto di elementi interdipendenti che mutano e si adattano in risposta ai cambiamenti imposti a livello locale e globale.

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utilizzi all’interno del processo progettuale

3.2.1

Come si è detto precedentemente questi strumenti sono ormai entrati nel mondo della progettazione architettonica, alterandone la tradizionale metodologia e liberando in un certo senso la creatività dell’architetto. Tale libertà acquisita è frutto della capacità di controllo e gestione della complessità offerta da questi nuovi strumenti computazionali.

Al giorno d’oggi questi software si accostano costantemente alle varie fasi di progettazione, a partire dalla fase di concept fino ad arrivare alla fase di controllo e verifica del costruito.

Nella fasi di concept tali strumenti tornano utili per sperimentare ed esplorare forme diverse, generate automaticamente una volta definito l’algoritmo e i parametri da variare. Questo metodo generativo si rivela in grado di offrire risultati imprevedibili e spesso sorprendenti anche per lo stesso utilizzatore/progettista, un esempio può essere l’Opera House realizzata dai MAD Architects in Cina (cap 4.1).

Nelle fasi centrali di progettazione invece possono tornare utili le funzioni di razionalizzazioe e discretizzazione della forma, offerte da questi strumenti, allo scopo di rendere la forma creata costruibile. Un esempio possono essere le operazioni necessarie a creare la pannellizzazione di una superficie complessa, come nel caso della copertura del padiglione cinese ad EXpo 2015 (cap.

4.2).

L’utilizzo di questi software per l’ottimizzazione del modello, specialmente quella energetica e quella strutturale, risulta molto utile durante le fasi di definizione del progetto. Le possibilità offerte dalle proprietà reiterative della computazione permette infatti di trovare la soluzione migliore ad un determinato problema, sia che esso sia di natura energetica (cap 4.3) oppure di natura strutturale (cap 4.4) Nelle fasi conclusive del progetto l’integrazione offerta dai nuovi sistemi tecnologicamente avanzati per la fabbricazione rende questi software il tramite ideale per comunicare tra il mondo virutale del modello e il mondo reale. Grazie all’utilizzo di stampanti 3D, bracci robotizzati a 5/6/7 assi e macchine per taglio a controllo numerico è possibile infatti creare elementi non standardizzati all’interno di un ciclo produttivo automatizzato. Ne sono un esempio gli ultimi due casi studio presentati nel capitolo successivo (cap 4.5 - 4.6).

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Principali software parametrici

3.2.3

Grasshopper Grasshopper è lo strumento più popolare ed utilizzato per la modellazione algoritmica e viene rilasciato gratuitamente come plug-in di Rhinoceros 3D. Sviluppato dalla Robert McNeel & Associates e chiamato inizialmente Explicit History. Nel 2008 viene rinominato Grasshopper e nel giro di 8 anni diventa un must della progettazione parametrica. Al momento la versione per sistemi operativi Windows è stabile e viene distribuita come plug-in completo, la versione per MacOS invece è ancora in fase di sviluppo e non presenta tutte le funzionalità di quella per Windows.

Nella prossima versione di Rhinoceros (6.0), Grasshopper verrà inserito come strumento standard all’interno del software.

Il plug-in consiste in un linguaggio di programmazione visuale che utilizza la visualizzazione di Rhinoceros per rappresentare le geometrie create. Funzioni avanzate permettono di eseguire analisi strutturali per il dimensionamento degli elementi, studi illuminotecnici per il controllo degli ombreggiamenti oppure simulazioni ambientali per il risparmio energetico.

L’interfaccia è composta da una barra dei menu a tendina, un pannello contenente tutti i componenti, una barra per il salvatag-

Interfaccia di Grasshopper

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gio e per le impostazioni di visualizzazione e una “canvas” che rappresenta l’area di lavoro in cui verranno inseriti i componenti necessari a comporre l’algoritmo.

I componenti sono raggruppati per gruppi di funzioni e vengono organizzati per schede in base alla tipo di funzione che svolgono.

I principali sono: Params, Math, Sets, Vector, Curve, Surface, Mesh, Intersect, Transforms e Display. Si possono distinguere due grandi classi: i parametri, che contengono un informazione (numeri, vettori, geometrie, etc), e i componenti che eseguono un operazione (traslazione, copia, suddivisione, scala, etc).

Grasshopper risulta molto utile per l’ottimizzazione, grazie alla presenza del solutore genetico galapagos, che permette di minimizzare o massimizzare il risultato di un algoritmo automaticamente, modificando i valori di alcuni parametri. Altra funzione interessante è la possibilità di raggruppare parti dell’algoritmo all’interno di cluster, utile per migliorare la visualizzazione e l’organizzazione dell’algoritmo.

I componenti presenti inizialmente sono quelli di base ed eseguono operazioni non eccessivamente complesse, ma è presente un sito web, da cui è possibile scegliere e scaricare i vari set di componenti aggiuntivi.

Esempio di modellazione algoritmica con Grassghopper

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Esistono plug-in che permettono di interagire con diversi software BIM, come Revit e ArchiCAD, e di esportare le geometrie create nei formati piu conosciuti.

La community di grasshopper è molto attiva e vengono rilasciate nuove applicazioni continuamente. Il supporto sul web è molto utile per confrontarsi e risolvere i problemi che si possono incontrare durante la definizione di un algoritmo.

Esempio di un progetto realizzato con l’ausilio di Grasshopper e ArchiCAD

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Dynamo Dynamo è un’applicazione per la programmazione visuale creata da Autodesk. A differenza di Grasshopper, è un software open-source che viene aggiornato ed implementato costantemente grazie al lavoro di molti programmatori presenti sui vari forum, che ne migliorano il funzionamente, sviluppano nuove funzioni e le condividono con gli altri utenti grazie alla piattaforma Autodesk.

Interfaccia di Dynamo

Esempio di utilizzo di Dynamo all’interno di Revit

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L’applicazione funziona anche autonomamente, ma viene principalmente utilizzata come plug-in di Revit. Molto apprezzata per la sua ottima interoperabilità con Revit, sta diventando un mezzo indispensabile e largamente usato per la modellazione parametrica all’interno del famoso software BIM. La grande potenzialità di questo programma sta proprio nella possibilità di interagire direttamente con il software BIM. Presenta ancora delle limitazioni in ambito di form-finding, data l’assenza di un solutore genetico e le restrizioni dovute alla piattaforma su cui è stato sviluppato.

L’interfaccia è composta da una barra dei menu, un colonna laterale, contenente la lista dei componenti organizzati per gruppi ed una barra di ricerca, e l’area di lavoro in cui vengono inseriti mano a mano i compontenti. Le forme create vengono visualizzate come sfondo direttamente nell’area di lavoro in cui si sta componendo l’algoritmo ed è possibile ruotare attorno all’oggetto attivando uno switch presente in alto, a destra dell’interfaccia.

I componenti disponibili nella versione standard sono già molti, ma è possibile aggiungerne, cercandoli direttamente nella libreria online.

Esempio di schermatura creata con Dynamo e importata in Revit

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Generative components Generative Components, generalmente chiamato anche GC, è un software CAD parametrico sviluppato dalla Bentley Systems e rilasciato per la prima volta nel 2007. Permette di interagire con il modello modificando direttamente la geometria, oppure cambiando le regole e le relazioni tra gli elementi del modello.

Presenta un ottima integrazione con alcuni software per l’analisi e la progettazione di edifici. Può essere usato in associazione a Bentley Architecture per il controllo delle geometrie.

Il software supporta vari tipi di file sia per l’importazione che per l’esportazione, incluso DGN, DWG, STL e 3DM. L’interfaccia è molto complessa e le funzioni sono difficili da gestire e relazionare tra loro, bisogna lavorare con varie finestre aperte contemporaneamente. Nelle prime versioni era presente una finestra in cui veniva visualizzato un diagramma rappresentante le relazioni tra le varie parti dell’algoritmo, che successivamente è stata rimpiazzatta da un editor a nodi come quello presente in grasshopper, anche se non risul, è utile invece un pannello di controllo per gestire i parametri dell’oggetto che si sta creando.

Interfaccia di Generative Components

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architetture realizzate Form finding

4.1

Harbin Opera House L’Opera House di Harbin rappresenta un ottimo esempio di ricerca formale, in cui lo studio dei rapporti con l’ambiente circostante, la distribuzione delle funzioni e la scelta dei materiali sono stati di fondamentale importanza per creare un architettura affascinante, che sappia far apprezzare l’arte in qualsiasi sua forma.

Architetti MAD Architects Luogo Harbin,Heilongjiang, China Area 79’000 m2 Anno 2015

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Il Teatro dell’Opera della città cinese di Harbin, progettato dagli architetti dello studio MAD, con la forma ondulata che avvolge due sale da concerto e un enorme piazza pubblica, è il più grande edificio che MAD abbia mai progettato.

Il programma, oltre alla realizzazione del teatro, ha previsto la creazione di un centro culturale e la progettazione paesaggistica del circostante terreno acquitrinoso lungo il fiume Songhua. Il sinuoso complesso teatrale è il punto focale dell’isola, occupa un’area edificabile di circa 78 mila mq all’interno di un sito complessivo di 444 acri. Al suo interno ospita un palco principale con 1.600 posti a sedere e uno secondario, dall’atmosfera più raccolta, che accoglie 400 spettatori.

L’edificio è stato progettato per rispecchiare le morbide linee del paesaggio acquitrinoso, grazie all’utilizzo di pannelli di alluminio bianchi curvilinei. In pieno contrasto con questa superficie liscia, si presenta la copertura vetrata che sormonta l’ingresso delle due sale. Questa copertura, formata da pannelli di vetro triangolari uniti in una struttura piramidale, da vita a una vivace alternanza tra angoli acuti e le superfici piane.

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Lo studio MAD ha progettato numerosi edifici culturali, tra cui un’isola artificiale su cui è situato un museo, un museo di sculture in legno a forma di ghiacciolo anch’esso ad Harbin e la proposto per il George Lucas Museum di Chicago. Le superfici curve sono un tema ricorrente in tutte le loro opere, infatti ricorrono a queste forme per cercare di creare un continuum tra architettura e paesaggi.

“Trattiamo l’architettura come un paesaggio”, ha affermato l’architetto Ma Yansong in un’intervista.

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“Abbiamo pensato l’Opera di Harbin come un centro culturale del futuro, un luogo di grandi performance e un grande spazio pubblico importante, che incarna l’integrazione delle risorse umane, l’arte e l’identità urbana, mescolandosi sinergicamente con la natura circostante” MA YANSONG

69

GEOMETRIC OPTIMIZATION

4.2

china pavilion - expo 2015 La parte più interessante di questo padiglione è la copertura, dalla forma increspata, che crea un movimento sulla facciata alquanto singolare. La progettazione di questa copertura, portata avanti dallo studio Link-Arc e con la partecipazione dell’università di Tsinghua, è particolarmente interessante in quanto si è operata un’ottimizzazione delle geometrie dei pannelli, con lo scopo di ridurre i numero di pannelli unici ed abbassarne cosi i costi di costruzione.

Architetti Studio Link-Arc, Tsinghua University Luogo EXpo, Milano, Italy Area 4’590 m2 Anno 2015

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Il padiglione, denominato “Land of Hope”, è stato progettato dallo studio Link-Arc e da un team della Tsinghua University di Pechino. Lo scopo era quello di creare un edificio che combinasse le tradizioni cinesi con le moderne tecnologie.

La caratteristica predominante dell’edificio è la forma complessa della sua copertura. Tale forma è generata dall’unione del profilo dello skyline di Pechino, nella parte posteriore, ed il profilo di un paesaggio montano sulla facciata d’ingresso. Facendo riferimento alle strutture con travi in rilievo che si ritrovano nella tradizione architettonica cinese, il tetto comprende è sostenuto da serie di profili in legno lamellare ciascuna leggermente diversa, che generano una morbida giunzione tra le due forme della copertura.

L’uso di elementi in acciaio e di cavi di rinforzo ha permesso di creare un ampio spazio espositivo centrale libero da qualsiasi sostegno verticale. La superficie del tetto, una volta montata la struttura, è stato rivestita con 1.052 pannelli di bambù intrecciato, che sono stati prodotti in più di 300 varianti.

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Inizialmente i pannelli di rivestimento della copertura dovevano essere di vetro, successivamente si è optato per dei pannelli in policarbonato, ma infine per ridurre i tempi di costruzione è stato deciso di utilizzare una membrana impermeabile semitrasparente e dei pannelli in bamboo come schermatura superiore.

La scelta di utilizzare il bamboo come materiale per i pannelli è dovuta alll’intenzione di mantenere una continuità tra innovazione e tradizione, dato che il bamboo è un tipico materiale utilizzato nel tradizionale metodo costruttivo cinese.

L’ottimizzazione della copertura, ottenuta grazie alla collaborazione con Satoru Sugihara ( professore di computational design all’università della California), è stata di fondamentale importanza per la riduzione dei costi di produzione e per la razionalizzazione della forma. La forma iniziale è stata rimodellata in modo da creare un sistema coerente fatto di linee parallele e superfici piane; le modifiche alla forma iniziale rimangono comunque minime e la differenza tra il progetto presentato e il progetto realizzato è impercettibile. La curvatura finale - leggeremente maggiore rispetto a quella iniziale - permette ai pannelli di svilupparsi in modo regolare lungo una curva generatrice.

Nonostante i timori che molti padiglioni dell’Expo non sarebbero stati completati in tempo per l’inaugurazione della mostra, il padiglione cinese è stato terminato nei tempi previsti. Adesso è stato smontato e riportato in cina per diventare un centro culturale a Quibao

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“Abbiamo utilizzato la tecnologia lamellare per esprimere in chiave contemporanea la cultura architettonica tradizionale cinese�

YICHEN LU

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energy optimization

4.3

SAHMRI South Australian Health and Medical Research Institute Un chiaro esempio di ottimizzazione energetica è rappresentato dal nuovo edificio di ricerca costruito nel sud dell’Australia dallo studio Wood Bagot.

Durante la progettazione, orientata al risparmio energetico, si è fatto uso di vari strumenti (Rhino, Grasshopper, Revit, Ecotect, etc.) per riuscire a razionalizzare la forma del guscio esterno, analizzare le performance energetiche ed ottimizzarle lavorando sulla forma dei 4172 pannelli trinagolari che formano l’involucro del’edifcio. Questa grande attenzione al risparmio energetico è attestata dalla certifizione LEED Gold che l’edifcio ha ottenuto.

Architetti Woods Bagot Global Studio Luogo Adelaide SA, Australia Area 25’000 m2 Anno 2013

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Woods Bagot Global Studio è lo studio di progettazione che si è occupato della progettazione del nuovo Istituto di Ricerca Medica e Salute dell’Australia del Sud (SAHMRI). I nove settori di ricerca ospiteranno fino a 700 ricercatori, che si occuperanno di innovazione e miglioramento dei servizi sanitari.

Durante la progettazione degli spazi urbani, lo studio ha mirato a rafforzare le connessione dell’edifcio con il tessuto urbano della zona ovest della città. Diventando una risorsa per il pubblico e gli utenti che ne fruiscono. L’edificio si inserisce perfettamente all’interno della fascia verde dei parchi di Adelaide, il fatto che sia sollevato permette ai parchi di estendersi al di sotto di esso creando una sorta di “edificio nel Parco”. Il design dell’edificio ha lo scopo di attrarre, ispirare e promuovere la fruzione degli spazi pubblici. Il rialzo serve infatti per liberare il piano terra e favorire l’interazione del pubblico, mentre la facciata trasparente mette in mostra i 2 atri all’interno.

Sull’atrio ovest si affacciano i collegamenti tra i laboratori, mentre l’atrio est viene utilizzato come grande ambiente di lavoro usufruibile da tutti i ricercatori.

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La prima operazione fatta durante lo studio della facciata è stata quella di analizzare quale strategia per il controllo ambientale fosse ottimale. Attraverso alcune simulazioni si è constatato che a livello di carico termico, illuminamento e abbagliamento la solzione migliore era quella di utilizzare una schermatura solare esterna.

Una volta scelta la strategia, si è proseguito scegliendo le tipologie di schermatura per ogni facciata: solo schermatura e senza vetro, schermatura leggera, schermatura totale e schermatura normale. Per evitare che ci fosse uno stacco netto tra una tipologia e l’altra sono stati creati degli elementi di dimensioni intermedie per mitigare il passaggio da una facciata all’altra.

Infine una volta ottenuta una lista di tutti i pannelli, identificati per tipologia e numero, le informazioni sono state trasferite all’interno di un BIM con il quale successivamente si è completata la progettazione.

Il grande impegno messo nello studio dell’involucro ha permesso di creare una struttura flessibile, adattabile e sostenibile, ottenendo per questo una certificazione LEED Gold.

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sTRUCTURAL OPTIMIZATION

4.4

King’s Cross Station Western Concourse La struttura creata dallo studio di John McAslan and Partners è un ottimo esempio di ottimizzazione di una struttura portante.

Una copertura fatta di acciaio e vetro, dal raggio di 74 metri, che la rende la struttura coperta a campata unica più grande d’Europa.

Architetti John McAslan + Partners & ARUP Luogo London, UK Area 7’500 m2 Anno 2012

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Il numero di passeggeri a King’s Cross è tale da collocarla tra le stazioni più trafficate del mondo, i passeggeri in futuro sono destinati ad aumentare da 47 a 57 milioni a causa dell’inserimento del nuovo treno ad alta velocità e della condivisione dell’uscita con la stazione metropolitana di St. Pancras. stata triplicata diventando di 7.500 metri quadrati. Il nuovo atrio infatti si colloca sul lato occidentale della stazione, in una posizione baricentrica tale da smistare i flussi di passeggeri non solo verso i treni di King’s Cross, ma anche verso la stazione di St. Pancras, il nuovo ampio accesso sotterraneo per la metropolitana e il nuovo quartiere a nord.

Lo studio John McAslan and Partners, collaborando con ARUP, ha progettato una copertura a guscio, realizzata in vetro, acciaio e alluminio che si eleva a 20 metri dal suolo nel suo punto più alto e che con i suoi 74 metri di raggio dal punto centrale diventa la struttura a campata unica più grande d’Europa.

La copertura, sostenuta da 16 pilastri di acciaio lungo il perimetro e di un supporto unico al centro, è composta da una struttura a guscio a doppia curvata e costituita da una maglia a triangoli (diagrid) omogea lungo tutta la superficie.

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Lungo il perimetro del Western Concourse si trovano i pilastri a forma di albero che resistono alle spinte provenienti dalla copertura. Le forze in gioco sono notevoli - fino a 600 tonnellate in direzione radiale - e generano notevoli momenti flssionali nella colonna pel pilatro.

Il “tronco” ha quindi una sezione ovoidale (140x60 cm alla base) costituita da profili e piastre curve di acciaio, saldati fra loro e connessi a una base di 180x100 cm. Per la connessione fra “rami” e “tronco” è stato necessario sviluppare una soluzione ad hoc: un giunto in fusione d’acciaio che garantisce una transizione fluida dal pilastro ai sostegni inclinati. Questo ha richiesto un processo specifico di modellazione 3D per definirne la geometria e lo spessore nei limiti dei vincoli di fabbricazione. Accanto all’edificio esistente si trovano due colonne diverse dalle altre, che si fronteggiano a 114,7 metri di distanza: queste devono fornire il vincolo laterale alla copertura e sono soggette a forze ancora maggiori rispetto agli altri pilastri. Per questo motivo, la loro sezione è più ampia e le piastre di base misurano ben 3,35 metri di lunghezza.

Sulla copertura inoltre sono stati montati 1400 pannelli fotovoltaici che fornisco energia elettrica alla stazione

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nEW TECHNOLOGY

4.5

Chi she In questo caso vengono presentate le possibilità offerte al giorno d’oggi dalle nuove tecnologie, in particolare grazie all’utilizzo di un braccio robotizzato si è riusciti a creare una facciata movimentata in grado di emozionare il visitataore.

Architetti Archi-Union Architects Luogo Xuhui, Shanghai, China Area 200 m2 Anno 2016

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Il nuovo spazio espositivo, progettato dallo studio Archi-Union Architects e commissionato dal collettivo artistico Chi She, si trova nel quartiere West Bund, nel cuore di Shangai. L’edificio è situato in un sito adiacente al West Bund Art Centre, dove anche altri vecchi edifici industriali sono stati convertiti in gallerie e spazi evento.

Gli architetti hanno deciso di mantenere e rinforzare la struttura dell’edificio esistente, il quale è composto da ampi spazi interni open-space che si adattano molto bene alle nuove funzioni espostitive. La parte dell’edificio più interessante è la facciata esterna, che consiste in una superficie incurvata, fatta di mattoni grigi recuperati da un vecchio edificio, la quale è stata addossata alla muratura esistente.

L’ingresso, leggermente curvato in avanti, viene messo in risalto da un rigonfiamento della faccaita al di sopra dell’apertura, ottenuto mediante l’utilizzo di un braccio robotico per il posizionamento di ogni mattone.

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La facciata inoltre presenta una superficie “forellata�, ottenuta sottraendo casulamente dalla tessitura della muratura alcuni mattoni.

La forma e l’aspetto finale sono stati ottenuti utilizzando un computer per la progettazione e la programmazione del braccio robotico, il quale ha accuratamente posizionato ogni mattoni nella corretta posizione.

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“Il degrado di questi vecchi mattoni, unito alla forma sinuosa del muro, racconta la connessione tra persone e mattoni, macchine e costruzioni, design e cultura�

ARCHI-UNION ARCHITECTS

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cOMPUTATIONAL design

4.6

LANDESGARTENSCHAU EXHIBITION HALL L’Exhibition Hall Landesgartenschau è il prototipo di un edificio che vuole rappresentare gli attuali sviluppi in ambito di design computazionale e fabbricazione robotizzata per le costruzioni in legno.

Finanziato in parte dal Fondo europeo per lo sviluppo regionale e lo stato del Baden-Württemberg, l’edificio è il primo ad avere una struttura portante interamente realizzata in lastre di compensato di faggio. La costruzione offre una panoramica sulle innovative possibilità architettoniche offerte al giorno d’oggi dalle nuove tecnologie.

Questo è reso possibile dal design computazionale, integrato alla simulazione, alla fabbricazione e ai metodi di ottimizzazione.

Architetti Facoltà di Computational Design (ICD), Building Structures and Structural Design (ITKE), Engineering Geodesy (IIGS) Luogo Università di Stoccarda, Stoccarda, Germania Area 125 m2 Anno 2014

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L’Exhibition Hall Landesgartenschau è stato concepita all’Università di Stoccarda, come parte del progetto di ricerca “Robotics in Timber Construction” ed è stato realizzato in collaborazione con l’azienda Müllerblaustein Holzbau GmbH. È situato all’interno del mostra biennale della Landesgartenschau.

I principali caratteri innovativi di questo progetto sono riassumibili in 5 punti:

La progettazione biomimetica della struttura, composta da 243 pannelli di compensato, che si ispira alla morfologia del riccio di mare. Il suo guscio infatti è simile ad un sistema modulare, costituito da elementi di carbonato di calcio uniti da microscopici incastri lungo i bordi.

La progettazione e la simulazione computazionale che ha permesso di generare, simulare ed ottimizzare i principi biomimetici ed applicarli all’architettura. Invece di disegnare ogni elemento manual-

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mente, lo spazio è stato incorporato in un processo di simulazione e ottimizzazione che disegna automaticamente le forme e crea una struttura che tiene conto sia delle caratteristiche del materiale sia dei parametri di fabbricazione (dimensioni massime del pannello).

La fabbricazione robotica che ha permesso di passare dalla generazione geometrica per l’analisi strutturale fino alla creazione vera e propria del pannello. Questo include la fabbricazione automatizzata di tutte le 243 lastre di multistrato di faggio geometricamente differenti, nonché la prefabbricazione digitale dell’isolamento, impermeabilizzazione e rivestimento. Una delle sfide e delle innovazioni più importanti è la fabbricazione robotizzata delle 7600 articolazioni presenti sui bordi di tutti i pannelli, che, attraverso la loro connessione ad incastro, sono la ragione principale della stabilità strutturale dell’edificio. Rispetto ai metodi convenzionali di prefabbricazione, la tecnica di fabbricazione sviluppata in questo caso consente una precisione molto maggiore.

I metodi di rilevamento avanzati necessari per verificare la correttezza di ogni singolo pannello. La garanzia di correttezza geometrica ha richiesto l’utilizzo di un laser tracking con una sensibilità inferiore al millimetro. Grazie a questi metodi di rilevamento avanzato si è riusciti ad ottenereuna deviazione standad campionaria di soli 0,86 millimetri - un valore eccezionalmente basso rispetto alle tolleranze nella costruzione in legno convenzionale - considerando che il pannello costituisce sia la parte strutturale che la superficie interna allo stesso tempo. Questa precisione è un requisito necessario per riuscire a creare delle connessioni cosi performanti in una costruzione in legno come questa.

L’innovativa costruzione in legno costituita di lastre in compensato di faggio, spesse 50 mm e fabbricate con l’ausilio di un braccio robotico e di macchine a controllo numerico, che permette ai carichi strutturali di essere trasferiti in modo efficace dalle articolazioni al terreno.

La sottile struttura portante, risultato di questo lavoro, ha permesso di creare uno spazio di 125 m2 con un volume lordo di 605 m utilizzando solo 12 m3 di materiale.Inoltre, quasi tutti il trucialato prodotto durante la fabbricazione è stato riutilizzato. La prefabbricazione di tutti gli elementi ha permesso di costruire l’edificio in sole quattro settimane.

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caso studio modellazione di un elemento di facciata

5

In questo capitolo vengono riportati brevementi i vari passaggi che hanno portato alla creazione del modello tridimensionale di un modulo di facciata.

La scelta di modellare un elemento di facciata, che a prima vista può sembrare banale, si è rivelata, in realtà, molto utile per comprendere le differenze riguardo alla modellazione nei due differenti ambienti. Il modello è stato realizzato utilizzando due software parametrici, che presentano una logica di funzionamento totalmente diversa. Nel primo caso è stato utilizzato il software Revit, grazie al quale è stato possibile creare una famiglia caricabile contente il modello parametrizzato del modulo di facciata. Nel secondo caso invece si è deciso di utilizzare il software Rhinoceros collegato a Grasshopper, un plug-in per la modellazione parametrica a nodi. Questo plug-in è servito per definire un algoritmo che permettesse di rendere parametrico, quindi modificabile attraverso la variazione di alcuni parametri, il modello.

Si è scelto di utilizzare questi due programmi per testare la sostanziale differenza tra una modellazione fatta con un software BIM, che si basa su una struttura rigidamente gerarchica basata sull’utilizzo di famiglie di sistema e di famiglie caricabili, ed un software studiato appositamente per la modellazione 3D, che grazie al plug-in Grasshopper riesce a creare modelli parametrizzati.

Dopo aver eseguito la modellazione, si è cercato di riassumere le principali differenze notate durante lo sviluppo del modello e i vantaggi che comporta l’utilizzo di uno o dell’altro software, tenendo in considerazione il fatto che i due mondi comunque coesistono e possono interagire tra loro, esportando il modello in formati supportati oppure utilizzando plug-in come ponti di collegamento tra le due piattaforme.

Nelle pagine seguenti sono state riportate le sezioni del modulo di facciata disegnate in CAD, che rappresentano il punto di partenza per lo sviluppo del modello.

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Sezione longitudinale e trasversale del elemento di facciata creato in CAD

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Sezioni dei profili che compongono l’elemento di facciata

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modellazione in revit

5.1

La modellazione all’interno di un software BIM, come Revit, è decisamente diversa rispetto al modellazione fatta con un tradizionale CAD, soprattutto per la natura associativa ed informativa per cui nasce questo software. Ogni elemento inserito all’interno del are di lavoro appartiene necessariamente ad una famiglia, cioè un contenitore che racchiude all’interno le informazioni riguaradnti un determinato oggetto. Le famiglie sono appunto componenti parametriche che possono contenere molte tipologie di informazioni, in base alla completezza della famiglia ad esempio è possibile ottenere informazioni sulla geometria, sui materiali, sul contesto, sul costo, etc.

Ogni elemento che viene modellato all’interno del software deve quindi necessariamente essere creato partendo da una famiglia.

Infatti la prima operazione fatta, per iniziare a modellare l’elemento di facciata, è stata la creazione di una nuova famiglia, partendo dal modello di famiglia “Pannello di facciata continua metrico”.

Successivamente si è dovuto creare una famiglia per ogni elemento che compone il modulo. Queste famiglie, create partendo dal modello “Profilo metrico”, sono servite per creare i perimetri dei profili di ogni elemento, che in seguito sono state importate all’interno della famiglia principale.

Le difficoltà incontrate nella definizione di queste famiglie di dettaglio, sono dovute principalmente alla complessità e alle ridotte dimensioni del profilo. Infatti una volta importato il CAD di ogni elemento, nelle varie famiglie, si è dovuto optare per un ridisegno completo del profilo. Tale scelta è scaturita dall’oggettiva impossibilità di creare curve e linee più corte di 0,8 mm. Vincolo imposto dal software stesso nato per la progettazione architettonica e che quindi ha una limitazione in termini di “risoluzione geometrica”. La presenza di questo vincolo ha comportato la creazione di profili semplificati, leggermente differenti rispetto ai dettagli disegnati in CAD. Dopo aver creato i diversi profili si è proseguito con la creazione vera e propria del modello tridimensionale, importando le famiglie “Profilo” all’interno di quella del pannello di facciata.

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Profilo basso in sezione

Profilo guarnizione 1

Profilo alto in sezione

Profilo guarnizione 2

Profilo sinistro in pianta

Profilo guarnizione 3

Profilo destro in pianta

Profilo guarnizione 4

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Una volta importati si è iniziato a predisporre dei piani di riferimento per definire i limiti del pannello e dei vari elementi che lo compongono.

In seguito sono state utilizzate le funzioni di estrusione lineare ed estrusione su percorso per creare i vari elementi tridimensionali. Gli elementi più semplici, come vetri e distanziale, sono stati disegnati direttamente all’interno della famiglia “Pannello”, mentre per quelli più complessi si è utilizzato il profilo creato precedentemente.

Per rendere l’oggetto parametrico, che quindi si adatti a qualsiasi dimensione del pannello, si è dovuto procedere inserendo dei vincoli geometrici. Questi vincoli, necessari per controllare che la posizione reciproca tra gli oggetti rimanga sempre la stessa, consistono in quote vincolate, inserite in una delle viste ortogonali (superiore, frontale, posteriore e laterali) e associate a determinate linee visualizzate nella vista.

In aggiunta a queste condizioni sono stati introdotti alcuni parametri per definire lo spessore del vetro, la dimensione del distanziatore, i materiali e la visibilità dei giunti tra pannello e pannello.

Una volta ultimata la modellazione del modulo di facciata, la famiglia è stata importata in un nuovo progetto per verificare che fosse correttamente parametrizzata.

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modellazione in rhino-grasshopper

5.2

Rhinoceros è un software CAD studiato appositamente per la modellazione free-form, nel quale tutte le entità geometriche sono definite mediante NURBS. Grazie a Grasshopper, un plugin per la programmazione visuale, diventa possibile creare oggetti parametrici anche all’interno di questo software che nativamente non supporta una progettazione parametrica. Utilizzando quindi questo plug-in per la modellazione si è riusciti a creare un pannello di facciata modificabile mediante parametri.

La modellazione, iniziata partendo da un punto per l’inserimento , si è sviluppata in modo lineare, procedendo dal elemento più esterno, il vetro, ed arrivando ai ganci di fissaggio laterale (elementi non inseriti nel modello creato in Revit a causa dell’impossibilità di definire un parametro, per la scelta del numero di elementi di fissaggio, e di distriuire gli elementi in modo uniforme lungo l’altezza del pannello).

La porzione di algoritmo, che è servita a modellare ogni singolo elemento, è stata raggruppata in un cluster , in modo da ottenere un diagramma pulito ed ordinato.

Durante lo sviluppo dell’algoritmo sono stati creati diversi parametri modificabili mediante uno slider, che possono variare entro un range di valori preimpostati.

Il primo elemento creato è stato il vetro esterno, il quale, differentemente da quanto fatto in Revit, presenta un parametro per modificare lo smusso sugli spigoli del vetro.

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Successivamente sono stati creati: la guarnizione applicata al vetro esterno, il distanziatore tra vetro interno ed esterno e i vetri interni. A questi elementi sono stati collegati dei parametri che permettono di modificarne la geometria (spessore e dimensioni).

Una volta definite le geometrie dei vetri interni, si è passati a modellare le guarnizioni. Questa fase ha causato molti problemi, in quanto l’estrusione (sweep) lungo una polilinea chiusa viene gestita male dal software e restituisce spesso una geometria errata. Per ovviare al problema si è trasformato il profilo in una superficie ed utilizzando la superficie come geometria da estrudere si è riusciti a risolvere il problema. Il tempo necessario ad eseguire lo sweep rimane comunque quello che incide di più sulla durata dell’esecuzione di tutto l’algoritmo. Per rimanre fedeli al CAD originale e non creare un sormonto di geometrie, si è deciso di creare due tipologie di pannello differenti, in cui l’aletta della guarnizione più esterna è leggermente diversa.

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In seguito sono stati creati i montanti verticali del pannello utilizzando la funzione di estrusione lineare ed associando la lunghezza di estrusione ad una linea estratta dalla geometria della guarnizione creata precedentemente. La stessa linea è stata utilizzata per trovare i punti di inserimento dei vari ganci lungo il montante laterale.

La scelta di creare due tipologie di pannello è nata in conseguenza al fatto che oltre al problema del sormonto delle guarnizioni, nel disegno originale erano presenti due soluzioni differenti di incastro verticale. Per creare i due modelli si è fatto uso del componente Merge , il quale è servito per unire in un’unica lista tutti le geometrie che componengono il pannello (vetri, guarnizioni, montanti e traverse). Successivamente si è utilizzato la funzione Dispatch per selezionare quale tipologia di pannello utilizzare.

Siccome la guarnizione esterna è differente nei vari pannelli e visto che segue uno schema a scacchiera, si è deciso di separare quest’ultima da tutti gli altri elementi, decidendo così di creare prima tutti i pannelli uguali e poi aggiungere gli elementi che si differenziano.

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Una volta che tutti gli elementi sono stati generati si suddividono a seconda del materiale di cui sono composti (vetro, gomma e alluminio) e successivamente vengono associati ad un Layer ed ad un materiale.

L’ultima fase della progettazione è il trasferimento dei dati delle geometrie dal modello virtuale di Grasshopper a quello di Rhinoceros mediante il comando Bake che consente la restituzione fisica del modello nello spazio tridimensionale.

La definizione dell’algoritmo completo per la creazione di una facciata continua piana

101

considerazioni finali

5.3

Una volta conclusa la modellazione è possibile fare alcune considerazioni su i differenti approcci che bisogna avere quando si esegue una modellazione parametrica con questi due software.

La prima grande differenza è sicuramente l’interfaccia con cui si presentano i due softwre. In Revit sono presenti schede, viste e finestre che aiutano a creare geometrie, inserire riferimenti, aggiungere parametri e collegare altre famiglie di oggetti. Mentre in grasshopper c’è solo un canvas in cui inserire i componenti per creare l’algoritmo e la visualizzazione delle geometrie avviene nelle viste di rhino. Ad essere diversa non è solo l’interfaccia, ma anche il metodo con cui i due software permettono di modellare, con pregi e digetti in entrambi i casi.

In Revit ci sono indubbiamente dei vantaggi per quanto concerne la gestione del modello, in quanto esso viene creato utilizzando vari tipi di famiglie che servono a definire le varie parti del modello.

Questo aspetto permette al programma di gestire interi progetti, anche molto complessi. Inoltre è possibile richiamare una famiglia all’interno del progetto in qualsiasi momento ed utilizzarlo per creare nuovi elementi del modello, come ad esempio il modulo creato per il caso studio, che è utilizzabile come pannello di una facciata continua. Il fatto di aver creato un modello parametrizzato permette di creare pannelli di qualsiasi dimensione. Questo aspetto può tornare molto utile durante la progettazione di una facciata composta da pannelli di dimensioni differenti, perchè non obbliga il progettista a creare più modelli/famiglie, ma permette di utilizzarne solo una in cui vengono variati i parametri di altezza e larghezza. Revit, anche se non presenta un interfaccia per la programmazione visuale, riesce a creare oggetti parametrici di ottima qualità, i quali si adattano bene alle necessità architettonico progettuali.

Gli aspetti negativi riscontrati nell’utilizzo di questo programma sono principalmente 2: il livello di dettaglio e la quantità di parametri definibili.

Il livello di dettaglio infatti non permette di creare elementi geometrici (linee, archi, curve) più piccole di 0,8mm, limitando di conseguenza la precisione che può avere un oggetto. Ad esempio, durante la modellazione del pannello è stato necessario ridisegnare i profili e modificarli per fare in modo che il programma non mostrasse errori. Il secondo punto fa parte di un discorso prettamente parametrico, perchè riguarda attributi e relazioni che 102

il modello può gestire. Nel caso proposto infatti non è stato possibile inserire gli elementi di fissaggio laterali, in quanto il programma non permette di creare una funzione di disposizione uniforme lungo una linea a lunghezza variabile.

Al contrario, con Grasshopper, essendo studiato appositamente per permettere all’utente di creare qualsiasi tipo di relazione e parametro, risulta molto facile compiere questo genere di operazioni. Grazie alla programmazione visuale è appunto possibile generare funzioni particolareggiate e specifiche caso per caso. Un’altro aspetto positivo dell’utilizzo di Rhino e Grasshopper è dato dal fatto che le cruve e in generale gli elementi geometrici sono altamente precisi, cioè non devono necessariamente essere semplificate le geometrie. L’utilizzo delle NURBS, quindi di funzioni matemati per definire l’andamento di curve e superfici, è il principale fattore ad influire su questo aspetto, oltre che alle scelte dei programmatori del software di permettere una modellazione di dettaglio. Da notare che Rhino nasce appunto come modellatore e non è specifico per l’utilizzo architettonico, ad esempio viene usato molto per il Jewelry Design e il Product Design che richiedono livelli di dettaglio molto elevati.

Questa complessità permessa dal software incide negativamente in termini di pesantezza del file e tempi di elaborazione. Se ad esempio si iniziano a creare numerosi pannelli nello spazio di lavoro di Rhino, il programma rallenta notevolemente e le dimensioni del file arrivano subito a centinaia di MB. Un altro aspetto negativo e fastidioso che è stato incontrato durante la definizione dell’algoritmo riguarda la funzione di Sweep lungo una polilinea chiusa. Questa funzione, che su curve tridimensionali funziona molto bene, incontra non pochi problemi di esecuzione quando viene utilizzata per estrudere delle geometrie complesse, come possono essere quelle dei profili delle guarnizini del modello.

Il motivo di queste differenze è da ricercare nelle impostazioni dei due software: il primo è organizzato per librerie e famiglie, rendonolo un programma un pò più restrittivo nei confronti nella modellazione libera, ma in grado di gestire anche modelli molto complessi e ricchi di informazioni. L’altro invece lascia una libertà di modellazione senza pari, grazie alle possibilità offerte da NURBS e mesh, ma la mancanza di una libreria associata al software rende necessaria una potenza di calcolo maggiore per gestire modelli composti da molti oggetti ed elementi.

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Conclusioni Solo negli ultimi dieci anni la modellazione parametrica è passata dall’essere una soluzione pratica, impiegata da Gaudí, Otto e alcuni ingegneri, ad essere una parte normale della pratica architettonica. Mentre in matematica il termine “parametrico” indica un insieme di quantità espresse come una funzione esplicita di un numero di parametri indipendenti, in architettura tale termine assume un significato utilitaristico, utile ad esplorare le possibilità offerte dal modello. Questa esplorazione è facilitata sia attraverso la modifica dei parametri del modello, che attraverso la modifica delle relazioni definite per genereare il modello.

Al giorno d’oggi, la modellazione parametrica non è più uno strumento presente esclusivamente in software parametrici come CATIA e Pro/ENGINEER. Le equazioni parametriche si possono trovare tranquillamente anche in molti strumenti BIM, esplicitabili utilizzando linguaggi testuali di programmazione (API, Python, C++, VisualBasic, etc), oppure tramite interfacce di programmazione visuale(Grasshopper, Dynamo, Generative Components, etc). La modellazione parametrica è ormai presente, in qualche forma, nella maggior parte dei progetti di architettura contemporanea. Questa rapida espansione dell’utilizzo della modellazione parametrica, in tutti i campi della progettazione, e non solo, ha chiaramente portato a qualche confusione nella comprensione del suo significato e delle differenze sostanziali tra software parametrico-generativi e BIM. Il caso studio riportato nelle pagine precedenti ha avuto appunto lo scopo di cercare di comprendere queste differenze e successivamente di delinearle. Grazie a quest’esempio pratico è stato possibile rendersi conto delle differenze gestionali ed organizzative interne al software, che li rendono due software utili a scopi differenti.

In altre parole, il software BIM risulta utile per la gestione dell’intero ciclo di vita del progetto; grazie ai livelli di interoperabilità attuali è infatti possibile creare modelli completi di tutte le informazioni riguardanti un determinato progetto. Al contrario i software parametrico-generativi si interessano principalmente di ricerca morfologica, di analisi prestazionali e di ottimizzazzione. Queste differenze devono però essere viste come i punti di forza di entrambi i software, i quali assistono allo sviluppo progettuale, ognuno a suo modo.

104

Il tradizionale CAD è ormai diventato obsoleto, incapace di gestire la complessità dei progetti contemporanei. Una complessità fatta di relazioni con il contesto, di esigenze multifunzionali e di requisiti prestazionali; aspetti che possono ora essere razionalizzati, grazie alle logiche computazionali e relazionali su cui si basano appunto questi software.

Alcuni esempi in cui è presente un’integrazione, a vari livelli, di questi nuovi strumenti, all’interno del processo progettuale, sono stati riportati nelle pagine successive, allo scopo di illustrare una varietà di soluzioni differenti; i cui risultati sono riconducibili ai tratti comuni dell’architettura contemporanea. Un’architettura che ha gettato le sue basi proprio agli anizi degli anni ‘60, con le prime sperimentazioni parametriche, e mano a mano si è adattata ai continui sviluppi tecnologici.

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esempi architettonici

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2 Sagrada Familia Antoni Gaudí, Barcellona E, 1882 - Gaudì fa costantemente uso di geometrie complesse in tutte le sue architetture. Nella Sagrada Familia si possono ritrovare: il paraboloide nelle colonne della facciata, l’iperboloide, che da forma alle volte e alle guglie, e l’elicoide nelle scale di accesso alle torri (1-2)

Sydney Opera House

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Jørn Utzon, Sydney AUS, 1973 - Le vele di questo teatro, situato nei pressi del porto di Sydney, sono il frutto di una razionalizzazione estrema di una forma inizialmente libera. I gusci delle coperture costituiscono infatti ognuno uno spicchio irregolare della stessa sfera.

La struttura è costituita da moduli standardizzati ricoperti da più di 1 milione di piastre in ceramica bianca (3-4)

5 Palazzetto dello Sport Pier Luigi Nervi, Roma IT, 1960 - L’aspetto di quest’opera che colpisce maggiormente è la cupola, realizzata in ferrocemento, che copre una luce di 60 metri. Sostenuta da 36 pilastri a Y e costruita utilizzando solo 13 tipologie di elementi romboidali (6)

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Cattedrale di St. Mary Pier Luigi Nervi, San Francisco CA - USA, 1971 - Il progetto si caratterizza per la cupola a paraboloidi iperbolici, disposti a crece greca ed alti 42 metri. Anche in questo caso sono presenti delle nervature rigorosamente triangolari e costruite in ferrocemento (5)

Los Manantiales Felix Candela, Città del Messico MX, 1958 - Rappresenta l’opera iconica dell’architettura di Candela nell’utilizzo di strutture a guscio in parete sottile. Risultato ottenuto, in questo caso, mediante l’utilizzo di 4 iperboloidi parabolici intersecanti al centro (8-9)

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1 La Città della Cultura di Galizia Peter Eisenman, Santiago de Compostela E, 2011 - Il complesso edilizio, ispirato all’antica città di Santiago, si articola su 6 edifici con funzioni differenti, collegati da 5 percorsi pedonali che passano ci passano in mezzo. La copertura degli edifici segue un andamento sinuoso che richiama il paesaggio circostante (1-2-3)

Centre Pompidou-Metz Shigeru Ban e Jean de Gastines, Metz FR, 2010 - L’edicio accoglie all’interno un spazio espositivo di 5000 m2, un auditorium, un centro di ricerca e vari altri servizi. La struttura della copertura, completamente in legno, è stata ottenuta con l’ausilio di complessi software di form-finding(4-5-6)

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8 Rolex Learning Center SANAA, Losanna CH, 2010 - Architettonicamente l’edificio si presenta come un gigantesco e fluido open space a pianta quadrata, dove tetto e soffitto viaggiano paralleli senza interruzioni e gli spazi sono separati per mezzo di differenze di quote senza alcuna parete divisoria. Per ottenere questa forma innovativa, dove le sollecitazioni sono ridotte al minimo, sono state necessarie numerose simulazioni al computer (7-8-9-10)

Seattle Public Library

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OMA + LMN, Seattle WA - USA, 2004 - La biblioteca centrale di Seattle, progettata da Rem Koolhas, è un ottima concretizzazione dei concetti di diagramma. L’edificio distribuito su 11 piani, rappresenta uno degli esempi più conosciuti di biblioteca innovativa e contemporanea, in cui le diverse zone si fondono assieme creando un ambiente unico nel suo genere (11-12-13)

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7 Elbphilharmonie Herzog & de Meuron, Amburgo DE, 2016 - La parte più interessante di quest’architettura è l’auditorium principale. Rappresenta il prodotto di una prodotto di una progettazione parametrica, in cui il supporto degli algoritmi è stato fondamentale per dare forma ai 10000 pannelli acustici utilizzati per insonorizzare la sala (1-2)

Heydar Aliyev Center Zaha Hadid Architects, Baku AZE, 2012 - Il complesso edilizio ospita tre auditori, un museo ed una biblioteca ed un parcheggio interrato, il tutto abilmente inserito nel contesto urbano. L’uso di software avanzati ha consentito il controllo del progetto in tutte le sue complessità, a partire dalla doppia struttura in cemento e a telaio tridimensionale (3-4-5)

Metropol Parasol

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J. Mayer H., Siviglia E, 2011 - Il progetto, frutto della collaborazione con lo studio d’ingegneria ARUP, consiste in una riqualificazione dell’antica Plaza de la Encarnacion. Su 5 livelli si distribuiscono le varie funzioni che ospita la piazza (mercato, piazza, ristorante e terrazza). Il tutto è coperto da delle specie di “ombrelloni” in legno studiati mediante l’utilizzo di strumenti avanzati per il calcolo strutturale(6-7-8-9-10)

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2 MyZeil Shopping Mall Studio Fuksas, Francoforte DE, 2009 - Centro commerciale che collega il viale Zeil alla palazzo Thurn und Taxis nell’omonima piazza. È interessante lo studio di pannellizzazione della copertura, che ha permesso di utilizzare esclusivamente pannelli planari e ridurne così i costi (1-2-3)

30st Mary Axe Foster and Partners, Londra UK, 2004 - L’utilizzo di un doppio involucro vetrato e di una pianta circolare lo hanno reso il primo grattacielo sostenibile costruito nel centro di Londra. L’involucro, progettato con software parametrici, è costituito da circa 300 cellule a forma romoboidale - diagrid - che connesse tra loro creano la struttura di controventatura (4-5)

Al Bahr Towers AEDAS, Abu Dhabi UAE, 2012 - L’interessante schermatura solare di quest’edificio, progettata per proteggere l’interno dal grande quantità di calore generata dal sole, è composta da pannelli triangolari adattivi meccanizzati (6-7-8)

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1 Holocaust Mahnmal - Memoriale per gli ebrei assassinati d’Europa Peter Eisenman, Berlino DE, 2004 - Memoriale in ricordo delle vittime della Shoah, dove sono state posizionate 2711 stele in calcestruzzo su di una superficie di 19000 m2 organizzate su di una griglia ortogonale. Lo studio per realizzare l’andamento della superficie è stato fatto utilizzando software parametrici (1-2)

2 Winery Gantenbein Gramazio & Kohler, Fläsch CH, 2006 - Cantina vinicola con particolare facciata in mattoni, montata con l’ausilio di un braccio robotizzato allo scopo di creare un effetto che ricordi gli acini d’uva (3-4)

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6 Crematorium Heimolen KAAN Architecten, Sint-Niklaas B, 2008 - Il progetto ha previsto la costruzione di un edificio recettivo ed un crematorio all’interno del cimitero di Heimolen; nella soluzione trovata per trattare le pareti del crematorio è chiaramente riconoscibile l’utilizzo di software parametrici e di una fabbricazione digitale (5-6)

Foldfinding - Origami Pavilion Tal Friedman, Detmold University - Lemgo DE, 2016 - Progetto che si ispira agli Origami, utilizzando tecniche di folding e fogli di alluminio piegati si è riusciti ad ottenere una struttura completamente autoportante, grazie all’utilizzo di vari algoritmi di ottimizzazione (7)

DRL TEN Pavilion Alan Dempsey e Alvin Huang, Londra UK, 2008 - Padiglione temporaneo ottenuto dall’assemblaggio di pannelli in calcestruzzo rinforzato (8)

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bibliografia/sitografia Evoluzione degli strumenti M. Ciammaichella, Architettura in NURBS, il disegno digitale della deformazione, Testo & Immagine, Torino, 2002 S. Gerhard, Information architecture: basi e futuro del CAAD, Testo & Immagine, Torino, 1998 C. Eastman, P. Teicholz, R. Sacks, K. Liston, BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors, Wiley, 2011 D. F. Rogers, An introduction to NURBS : with historical perspective, Morgan Kaufmann publishers, San Francisco, 2001 http://www.alatown.com/spline-history-architecture/ (ultimo accesso 15/02/2017) http://www.cadazz.com/cad-software-history-1970s.htm (ultimo accesso 15/02/2017) http://www.mat.unimi.it/usrs/alzati/Geometria_Computazionale_98-99/apps/bezspli2/teoria.html (ultimo accesso 15/02/2017) http://solidmodeling.org/awards/bezier-award/a-requicha-and-h-voelcker/ (ultimo accesso 15/02/2017) http://solidmodeling.org/awards/bezier-award/i-braid-a-grayer-and-c-lang/ (ultimo accesso 15/02/2017) http://www.ingenio-web.it/Articolo/2081/Il_processo_costruttivo_tra_rappresentazione_e_conoscenza:_la_nascita_del_Building_Information_Modeling.html (ultimo accesso 15/02/2017) http://www.dteurope.com/business-sectors/news/perspectives-in-goulash-valley--the-graphisoft-story. html (ultimo accesso 15/02/2017) http://communities.bentley.com/products/microstation/w/microstation__wiki/3164.history-of-microstation (ultimo accesso 15/02/2017) http://web.archive.org/web/20020212062458/http://www.revit.com/cornerstone/content_technical. html (ultimo accesso 15/02/2017) http://davidsheff.com/article/frank-gehry/ (ultimo accesso 15/02/2017)

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gli strumenti attuali A. Osello, Il futuro del disegno con il BIM per ingegneri e architetti, Dario Flaccovio ed, Palermo, 2012 C. Eastman, P. Teicholz, R. Sacks, K. Liston, BIM Handbook: A Guide to Building Information Modeling for Owners, Managers, Designers, Engineers and Contractors, Wiley, 2011 C. Argiolas, R. Prenza, E. Quaquero, BIM 3.0 Dal disegno alla simulazione - Nuovo paradigma per il progetto e la produzione edilizia, Gangemi Editore, 2015 R. Garber, BIM DESIGN - Realising the creative potential of building information modelling, Wiley, 2014 P. Angius, La progettazione di involucri architettonici atipici tramite l’uso di strumenti di calcolo e modellazione parametricogenerativi, Dottorato di ricerca, 2012 Z. Khabazi, Generative Algorithms(using grasshopper), morphogenesism, 2012 S. Garagnani, S. Cinti Luciani, Il modello parametrico in architettura: la tecnologia B.I.M. di Autodesk Revit, (URL: https://disegnarecon.unibo.it, 2011) https://www.thenbs.com/knowledge/the-20-key-bim-terms-you-need-to-know (15/02/2017) http://www.bimthinkspace.com/bim-maturity/ (15/02/2017) http://www.autodesk.com/customer-stories/airbus (15/02/2017) http://www.buildingsmartitalia.org/2016/04/22/i-livelli-di-sviluppo-lod-nel-progetto-digitalizzato-la-misura-dellinformazione-allinterno-del-percorso-bim/#more-2434 (15/02/2017) http://www.cadlinesw.com/sito/blog/cos-e-il-bim (15/02/2017) http://www.archificio.net/bim-building-information-modeling-facility-management/ (15/02/2017) http://www.arturotedeschi.com/wordpress/?page_id=1475 (15/02/2017) http://dynamobim.org (15/02/2017) http://www.grasshopper3d.com (15/02/2017) https://communities.bentley.com/products/products_generativecomponents/w/generative_components_community_wiki (15/02/2017) https://en.wikipedia.org/wiki/GenerativeComponents (15/02/2017)

Architetture realizzate http://www.archdaily.com/778933/harbin-opera-house-mad-architects https://www.dezeen.com/2015/12/16/mad-sinuous-harbin-opera-house-completes-north-east-china/ http://link-arc.com/project/china-pavilion/ https://www.dezeen.com/2015/05/05/beijing-skyline-mountain-range-roof-china-milan-expo-2015-pavilion-studio-link-arc-tsinghua-university-bamboo/ http://www.archdaily.com/627497/china-pavilion-milan-expo-2015-tsinghua-university-studio-link-arc http://www.artribune.com/attualita/2015/08/satoru-sugihara-guru-design-computazionale/ http://www.archdaily.com/533388/south-australian-health-and-medical-research-institute-woods-bagot https://issuu.com/archpaper/docs/09_shane_burger_woods_bagot_respons http://www.archdaily.com/219082/kings-cross-station-john-mcaslan-partners http://www.architectmagazine.com/design/buildings/kings-cross-station-western-concourse_o http://www.arketipomagazine.it/it/kings-cross-station-western-concourse-focus-struttura/ http://www.arketipomagazine.it/it/kings-cross-station-western-concourse-john-mcaslan-partners/ http://www.archi-union.com/project_view.asp?id=88 https://www.dezeen.com/2016/11/01/bricklaying-robots-bulging-masonry-facade-china-shanghai-arts-centre-archi-union-architects/ http://www.archdaily.com/office/archi-union-architects http://www.archdaily.com/520897/landesgartenschau-exhibition-hall-icd-itke-iigs-university-of-stuttgart http://www.achimmenges.net/?p=5731

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crediti immagini Evoluzione degli strumenti

http://images.computerhistory.org/timeline/timeline_sw.languages_1963.sketchpad.jpg http://alatown.com.s30748.gridserver.com/wp-content/uploads/2000/01/14-Development-of-Computation-Spline-V4-585x304.png http://xrt.wdfiles.com/local--files/gallery%3Acsg/CubeCylCSG.jpg http://sandraespinet.typepad.com/.a/6a00e55194268288330192ac9fab58970d-pi https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7b/Walt_Disney_Concert_Hall.jpg

Architettura parametrica

https://parametricmonkey.files.wordpress.com/2015/01/gaudi_hanging-model_1600x800.jpg https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/originals/78/3e/79/783e794c10092f5648a2c45470688de3.jpg https://static1.squarespace.com/static/56de032bb654f9046e6e97d9/56f46885f8baf33251acd476/56f468da0bb4ebe569250e21/1458863697593/101+KGEK+55.jpg http://www.danieldavis.com/wp-content/uploads/2013/08/moretti_2.jpg https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/originals/aa/9a/76/aa9a76bee75a4ea570a5865b72cd202d.jpg http://www.arturotedeschi.com/wordpress/wp-content/uploads/2013/01/musmeci_mockup.jpg http://68.media.tumblr.com/tumblr_lueqcsE5xl1qbltjyo2_1280.jpg https://parametricmonkey.files.wordpress.com/2015/01/eisenman_1999.jpg https://classconnection.s3.amazonaws.com/419/flashcards/1260419/png/seattle1336523488820.png http://www.patrikschumacher.com/Images/Digital%20Cities/wool-thread-model_sm.jpg http://www.patrikschumacher.com/Images/Digital%20Cities/Istanbul_path-network_sm.jpg http:// www.patrikschumacher.com/Images/Digital%20Cities/Istanbul_Plan_s https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/originals/55/e4/24/55e424d7d076b4706893b0e5bfc2df7c.jpg https://c1.staticflickr.com/2/1268/881130714_5cfba6e75b_b.jpg

gli strumenti attuali

http://www.cadlinesw.com/sito/images/News/20150923_bim_02.png http://2.bp.blogspot.com/-WAsuhSJtDHs/UTGOpYIRtOI/AAAAAAAAAMg/twbkYX1kWkQ/s1600/ LoDEVexplained_605.png http://www.baboonlab.com/wp-content/uploads/2015/09/20120314_bim_section_perspective_2_2012-mar-15-003545utc2.png http://static.wixstatic.com/media/63ea4a_f474ad424f124727aa44161f37e64a77.jpg http://mrasbuilt.com/images/navis%204.jpg https://i.ytimg.com/vi/UXZnTexOwnQ/maxresdefault.jpg https://i.ytimg.com/vi/oCfpy8gdATo/maxresdefault.jpg https://s-media-cache-ak0.pinimg.com/236x/72/eb/50/72eb5064ff6eb2cbf308bd4bee910680.jpg http://www.ecouterre.com/wp-content/uploads/2012/04/biomimicry-koch-snowflake.jpg http://architosh.com/wp-content/uploads/2016/08/00_Grasshopper-Connection.jpg http://www.archiradar.it/images/Realizzazioni/Rhino-Grasshopper-Archicad/02-grasshopper-archicad.jpg http://2.bp.blogspot.com/-ooII4aIZpVw/Ut1VCroCmrI/AAAAAAAAFKA/mz6z_03A3u8/s1600/201309-24_1038.png http://the360view.typepad.com/.a/6a019b00bdedf0970b01b7c7440dba970b-pi http://syncrostudio.com/wp-content/uploads/2014/02/CASE-Dynamo-Workshop_TexFab_x500.jpg http://4.bp.blogspot.com/-fIlKob3peQA/UfVhN6WiQhI/AAAAAAAABv8/rUslKX--iQA/s1600/Dynamo-0.JPG https://i.ytimg.com/vi/aLA6iA2S4IA/maxresdefault.jpg https://www.bentley.com/~/asset/4/5896.ashx http://www.cadalyst.com/files/cadalyst/nodes/2014/19144/Bentley-GenerativeComponents.jpg

Architetture realizzate

http://www.i-mad.com/work/harbin-cultural-center/?cid=4 http://www.huftonandcrow.com/projects/gallery/harbin-opera-house/ http://link-arc.com/project/china-pavilion/ http://www.archdaily.com/533388/south-australian-health-and-medical-research-institute-woods-bagot

http://www.arketipomagazine.it/it/kings-cross-station-western-concourse-john-mcaslan-partners http://www.archi-union.com/project_view.asp?id=88/ https://www.dezeen.com/2016/11/01/bricklaying-robots-bulging-masonry-facade-china-shanghai-arts-centre-archi-union-architects/ http://www.achimmenges.net/?p=5731

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esempi architettonici Sagrada Familia: Maureen Keogh, SagradaFamilia.org Palazzetto dello sport: wikpedia Cattedrale di S. Mary: wiki arquitectura Los Manantiales: wiki arquitectura La CittĂ della Cultura di Galizia: Eisenman Architects,Duccio Malagamba Centre Pompidou a Metz: Didier Boy De La Tour, Rolex Learning Center: Rolex Learning Center, Carlo Fumarola Seattle Public Library: Philippe Ruault Elbphilharmonie: Iwan Baan, Maxim Schulz Heydar Aliyev: Hufton+Crow Metropol Parasol: JĂźrgen Mayer H Myzeil shopping centre: Karsten Monnerjahn 3ost Mary Axe: Grant Smith.

Al Bahr Towers: christian richters Holocaust memorial: Stiftung Denkmal Winery Gantenbein: Ralph Feiner Crematorium: Christian Richters Origami Pavilion: Tal Friedman DRL Ten Pavilion: Valerie Bennett

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The problem with digital architecture is that an algorithm can produce endless variations, so an architect has many choices.

Peter Eisenman

Ringraziamenti

Devo ringraziare la mia relatrice, la professoressa Paoletti, che mi ha affiancato durante l’elaborazione della tesi, aiutandomi a definire i tratti generali e indirizzandomi sul tipo di modellazione da sviluppare, per comprendere le potenzialità ed i limiti degli strumenti qui presentati.

Un necessario ringraziamento va ad Antonello per avermi aiutato durante la stestura della tesi, dandomi otttimi consigli sulle scelte grafiche e revisionando i testi, non sempre comprensibili. Inoltre lo devo ringraziare per il fondamentale contributo nella preparazione dell’esame di storia, senza il quale, probabilmente, non sarei riuscito a superarlo e conseguire così la laurea nei tempi previsti.

Un grazie va a Lorenzo, per essersi reso disponibile a darmi una mano nel fasi conclusive della tesi, aiutandomi a rielaborare le descrizioni delle architetture, presentate nel quarto capitolo.

Per vari motivi mi sento di ringraziare i compagni di università con cui ho trascorso maggiormente quest’ultimo periodo di studi, in primis Chiara, Davide e Danila, con cui ho condiviso preoccupazioni, sconforti, successi e la maggior parte delle serate, assieme anche a Francesca, Claudia, Andrea (Coolo), Sofia e Marta.

Infine voglio ringraziare anche i miei genitori, entrambi, a loro modo, mi hanno sempre aiutato e sostenuto, soprattuto in questi tre anni di studi. Lasciandomi libero di fare le mie scelte e cercando di spronarmi a perseguire i miei obiettivi, elogiando i risultati da me raggunti.