Что такое вычислительное проектирование?

Вычислительное проектирование — это метод проектирования, использующий комбинацию алгоритмов и параметров для решения проектных задач с помощью современных средств компьютерной обработки. Каждый этап работы проектировщика переводится на закодированный компьютерный язык. Программное обеспечение использует эту информацию, а также параметры конкретного проекта для создания алгоритмов, которые генерируют модели или завершают анализ. После завершения начального программирования проектирование превращается в динамичный и повторяющийся процесс.

Традиционно проектирование носит пассивный характер — проектировщик использует свои знания и интуицию для создания проекта с помощью программы автоматизированного проектирования (CAD). Такой метод ручного проектирования ограничивает количество рассматриваемых вариантов конструкции и ограничивается имеющимся временем и ресурсами. После внедрения вычислительное проектирование является эффективным и полезным инструментом для повышения производительности и создания более надежных конструкций.

Для реализации вычислительного проектирования конструкторы должны разбить процесс проектирования на измеримые этапы. Эти шаги создают набор инструкций, включающий в себя узнаваемые закономерности и тенденции, которые закладывают основу для алгоритмов решения задач проектирования.

Инструменты вычислительного проектирования

Вычислительное проектирование дает дизайнерам возможность программировать без необходимости изучать код. Это связано с тем, что большинство средств вычислительного проектирования используют визуальное программирование, а не текстовые строки кода. При визуальном программировании пользователи соединяют выходы одного узла с входами другого, создавая программу, которая перемещается от узла к узлу с помощью коннекторов. В итоге получается графическое представление процесса проектирования, или, по сути, блок-схема.

Эти средства визуального программирования обычно представляют собой плагины, подключаемые к таким программам моделирования, как Tekla Structures, Autodesk Revit, Trimble Quadri и Bentley MicroStation. Двумя ведущими плагинами для вычислительного проектирования являются Dynamo, совместимый с Revit, и Grasshopper, совместимый с Tekla, Quadri и Rhino.

Dynamo — инструмент визуального программирования от компании Autodesk. Пользователи импортируют и экспортируют данные из 3D-модели, Excel или даже графических файлов для наполнения интерфейса сценария. Программа отображает сложные геометрические формы, позволяя дизайнерам анализировать свои проекты и вносить в них визуальные изменения.

Grasshopper появился раньше Dynamo и, вероятно, является самым популярным плагином для вычислительного проектирования. В этом инструменте алгоритмического моделирования пользователи создают правила проектирования с помощью интерфейса, основанного на узлах. Проектировщики также могут воспользоваться обширной библиотекой узлов и инструментами проектирования сторонних производителей.

Типы вычислительного проектирования

Виды вычислительного проектирования в строительной графике очень сильно развиваются и изменяются по мере установления стандартов в этой области. В настоящее время существует три подгруппы вычислительного проектирования: параметрическое проектирование, генеративное и алгоритмическое.

Параметрическое проектирование

Параметрический дизайн — интерактивный процесс проектирования, в котором для управления моделью дизайна используется набор правил и вводимых параметров. Правила устанавливают взаимосвязь между различными элементами конструкции. Параметры — специфические для проекта величины, определяющие модель конструкции, такие как размеры, углы и веса. При изменении параметров алгоритмы автоматически обновляют все связанные с ними элементы конструкции на основе установленных зависимостей.

Параметрическое проектирование — это шаг вперед по сравнению с традиционным 3D-моделированием, когда проектировщик отвечает за обновление каждого элемента конструкции в отдельности. Вместо этого конструктор просто обновляет параметр, а алгоритмы производят все связанные с ним обновления. Параметрическое проектирование идеально подходит для создания сложных и нестандартных архитектурных геометрических форм.

Параметрическая модель легко модифицируется и может быть скорректирована в режиме реального времени. Это позволяет проектировщику исследовать множество возможных вариантов дизайна. Вместо того чтобы разрабатывать сотни колонн с независимыми смещениями и размерами, проектировщики вводят символические параметры, определяющие отношение колонн друг к другу и к самому зданию. Если в будущем на основе новой проектной информации потребуется сместить колонны, параметр обновляется, и вся модель корректируется в соответствии с заложенным алгоритмом.

Термин «параметрический» происходит от слова «параметризм», введенного в 2009 году Патриком Шумахером, директором архитектурного бюро Zaha Hadid Architects. Он утверждал, что появился новый стиль проектирования, который «уходит корнями в цифровые технологии проектирования и в полной мере использует преимущества вычислительной революции, которая движет современной цивилизацией». Параметризм может быть использован для описания особого современного авангардного стиля свободной формы конструкций, которые обычно проектируются с помощью средств параметрического проектирования.

Как используется параметрическое проектирование

Параметрический дизайн уже прочно вошел в рабочий процесс многих дизайнеров. Благодаря таким средствам визуализации, как Grasshopper, предустановленным в Rhinoceros 6, параметрическое проектирование стало доступным, а визуальное программирование — интуитивно понятным. Проектировщику достаточно ввести параметры, такие как размеры, углы или смещения, а также соответствующие требования к конструкции, чтобы получить результат. Процесс параметрического проектирования выполняется в программе информационного моделирования зданий (BIM) и при изменении атрибутов обновляется в режиме реального времени.

Некоторые плагины для расчетного проектирования, например Tekla Structures, поставляются с библиотекой узлов, которые создают алгоритмы на основе действующих отраслевых норм и стандартов, что избавляет от необходимости вводить правила проектирования на фронтенде. Tekla Structures позволяет инженерам-конструкторам создавать сложные криволинейные конструкции путем визуального ввода данных в редактор, основанный на алгоритмах.

Генеративное проектирование

Генеративное проектирование — это итеративный процесс проектирования, в котором используются заданные пользователем исходные данные для создания нескольких концепций проектирования, отвечающих конкретным целям. В качестве исходных данных используются правила и параметры, определяющие требования к конструкции, аналогично параметрическому проектированию. При генеративном проектировании пользователь также вводит метрики успеха, по которым оцениваются результаты. Искусственный интеллект (ИИ) и облачные вычисления генерируют десятки и даже сотни вариантов дизайна, ранжированных по этим метрикам.

Метрики успеха — критерии, используемые для оптимизации проекта, такие как позиционирование здания, пространственное планирование, анализ безопасности жизнедеятельности, несущая способность конструкции, количество единиц здания или данные о стоимости. Программа будет выдавать широкий спектр вариантов проектирования, а проектировщик будет соответствующим образом уточнять критерии оптимизации. Генеративное проектирование сочетает в себе возможности искусственного интеллекта для создания сотен возможных вариантов дизайна с интуицией человека для сужения круга результатов.

Дизайнеры, предоставленные самим себе, склонны создавать предсказуемые результаты. Несмотря на то, что процесс проектирования в той или иной степени связан с методом проб и ошибок, человеку не под силу создать и проверить все возможные варианты дизайна. Это заставляет архитекторов опираться на уже проверенные или использованные в прошлых проектах варианты, которые иногда не являются идеальными.

Генеративный дизайн приводит проектировщиков к решениям, которые они даже не могли себе представить и которые выходят за рамки их обычного мышления. В мире генеративного проектирования такие решения называются «счастливыми случайностями». Для оценки всех результатов, уточнения критериев и выбора наилучшего варианта дизайнеры используют процесс optioneering — углубленное рассмотрение множества вариантов дизайна.

Как используется генеративный дизайн

Генеративный дизайн — процесс оптимизации дизайна. Проектировщики используют эти инструменты для максимизации количества мест, минимизации количества элементов конструкции, необходимых для достижения определенной расчетной нагрузки, или достижения заданной теплоемкости, зависящей от нескольких строительных поверхностей или материалов.

Алгоритмическое проектирование

Алгоритмическое проектирование — метод проектирования, основанный на алгоритмах. Этот термин часто используется как взаимозаменяемый с вычислительным проектированием и может рассматриваться как разновидность генеративного проектирования. Для создания архитектурных моделей в алгоритмическом проектировании используются наборы инструкций, определяющих решение задачи. Другими словами, набор правил используется для определения системы, а не для определения каждого элемента в отдельности.

Если целью генеративного проектирования является создание как можно большего числа вариантов дизайна для анализа, то в алгоритмическом проектировании все наоборот. Более высокий уровень детализации и тщательного анализа входных правил и параметров позволяет получить только один или несколько желаемых результатов. Часто алгоритмическое проектирование выглядит как отдельная строка кода или соединительные элементы между узлами, которые можно проследить до каждого отдельного создаваемого элемента здания.

Взаимосвязь между параметрическим, генеративным и алгоритмическим проектированием

Как соотносятся между собой эти различные подмножества вычислительного проектирования? Это зависит от интерпретации, поскольку область вычислительного проектирования развивается и стандартизируется.

Давайте сначала упростим определение и смысл каждого метода проектирования:

Параметрическое проектирование использует параметры и правила для создания проектного решения, которое легко модифицируется.

Генеративное проектирование использует алгоритмы для генерации множества вариантов проектирования для оценки.

Алгоритмическое проектирование использует алгоритмы для создания проектной модели.

Легко заметить, что между этими терминами существует определенное совпадение, особенно в широком определении алгоритмического проектирования. Алгоритмический дизайн является разновидностью генеративного дизайна, поскольку использует алгоритмы для получения результата проектирования. Его также можно считать разновидностью параметрического проектирования, если эти алгоритмы опираются на набор параметров.

Параметры и правила являются ключевыми компонентами как параметрического, так и генеративного проектирования. Для получения надежных результатов оба метода проектирования также опираются на надежные исходные данные.

Параметрическое проектирование — интерактивный процесс, в котором элементы проектной модели связаны друг с другом, что позволяет в режиме реального времени вносить изменения в конструкцию, которые обновляются по всему проекту. В этом процессе используются программные модули, основанные на точных входных параметрах и взаимосвязях элементов.

Генеративное проектирование — итерационный процесс, при котором программа выдает множество результатов, ранжированных по ограничениям или метрикам успеха, заданным пользователем. В этом процессе используются передовые алгоритмы и искусственный интеллект, но для окончательного выбора проекта все же требуется человеческая интуиция.

Каковы преимущества вычислительного проектирования?

Внедрение методов вычислительного проектирования требует изменения культуры и обширного программирования, но как только проектная организация преодолеет первоначальную кривую обучения, она сможет:

Проектировка более совершенных решений — проектировщики могут прорабатывать сотни вариантов дизайна, а не только несколько, как это было бы при ручном черчении. Они также могут воспользоваться преимуществами уникальных проектных решений, которые отличаются от общепринятых. Алгоритмы проектирования можно совершенствовать для постоянного улучшения результатов.

Автоматизация повторяющихся задач — обновление размеров или переименование поверхности — это просто, когда речь идет только об одном элементе, но при необходимости выполнения сотен задач это становится утомительным и сокращает прибыль. С помощью инструментов вычислительного проектирования, подключенных к программному обеспечению для моделирования, конструктор может создать алгоритм, изменяющий всю модель в режиме реального времени.

Повышение производительности — после того как специфические для фирмы процессы проектирования запрограммированы в вычислительном инструменте, проектировщики могут, по сути, передавать задачи проектирования этим программам. Благодаря вычислительному проектированию архитекторы могут разрабатывать проекты быстрее и с меньшим количеством итераций, что повышает производительность и позволяет достичь большего при меньших ресурсах.

Снижение рисков при проектировании — итерационные процессы проектирования и простые в использовании средства визуального программирования позволяют повысить качество проектирования выше возможностей человека. Искусственный интеллект может быть использован для тестирования проекта в различных сценариях. Безошибочное проектирование снижает риск и ответственность для всех участвующих сторон.

Сокращение затрат на проект — перенос утомительных задач проектирования и конструкторского мышления на средства вычислительного проектирования позволяет сократить количество персонала, необходимого для реализации проекта. Кроме того, в алгоритмизированных проектах будет меньше ошибок, что снизит вероятность внесения изменений в проект на месте. При меньшем количестве ресурсов и изменений стоимость проекта снижается.

Как вычислительное проектирование используется в настоящее время

Несмотря на то что вычислительное проектирование для многих представителей отрасли является новой концепцией, оно уже используется на практике в многочисленных строительных и инфраструктурных проектах.

Параметрическое проектирование в международном аэропорту Нового Орлеана

В 2011 году началась разработка проекта терминала международного аэропорта имени Луи Армстронга в Новом Орлеане. Это будет первый крупный аэропорт, в котором будет заменен терминал за последние десять лет. Для того чтобы уложиться в сжатые сроки и создать образ, вдохновленный полумесяцем, команда проектировщиков — совместное предприятие Atkins North America, eStudio Architecture и Leo A Daly — знала, что для проектирования потребуются инновационные решения.

Одним из таких решений стала параметрическая модель, которая помогла в процессе проектирования. Сферическая крыша и радиальные сетки были параметрически управляемы с помощью плагина визуального программирования Grasshopper, включенного в программу моделирования Rhino. С помощью параметрической модели конструкторы могли легко корректировать геометрию конструкции по мере доработки проекта, что позволило завершить проектирование в срок даже после внесения многочисленных изменений в проект.

Генеративный дизайн, используемый японской компанией Daiwa House Group

В Японии наблюдается повышенный спрос на городское жилье. Поскольку 9 из 10 японцев проживают в городах с плотной застройкой, перед компанией Daiwa House Group, крупнейшим японским домостроителем, стоит задача максимально расширить возможности строительства жилья на скудной территории. Для этого они используют методы генеративного проектирования.

Daiwa House Group использует инструменты генеративного проектирования, чтобы ускорить рабочий процесс и представить заказчикам уникальные планы домов, позволяющие максимально эффективно использовать участок под застройку, а не полагаться на традиционные методы.

Как вычислительный дизайн будет использоваться в будущем

Вычислительное проектирование способно изменить ландшафт AEC-индустрии так же, как это сделали САПР и программное обеспечение для управления проектами. Как только будут преодолены первоначальные барьеры, вычислительное проектирование станет революционным дополнением к архитектурному, инженерному и строительному проектированию.

Вычислительное проектирование в строительстве

Методы вычислительного проектирования начинают выходить за рамки проектирования и внедряться в строительство. Вводи параметров своих уникальных строительных площадок позволит получать оптимизированные данные о процедурах повышения эффективности и снижения затрат, включая такие улучшения площадки, как:

Оптимизированное размещение оборудования — в некоторых строительных проектах весь график работ зависит от наличия и перемещения комплексного строительного оборудования. Благодаря генеративному проектированию подрядчики могут получать оптимизированные для конкретного проекта данные об идеальном количестве и расположении башенных кранов и другого тяжелого оборудования.

Сокращение отходов материалов — нулевые отходы или, по крайней мере, их минимизация всегда являются целью проекта, но на практике оказываются сложной задачей. С помощью вычислительных средств можно оптимизировать проект с целью сокращения отходов, используя данные по исходным материалам и оценки генерируемых отходов.

Улучшение порядка работ — укладка и планирование работ — сложная задача, которая может как повлиять, так и нарушить график проекта. Средства вычислительного проектирования позволяют проектной группе создать логическую последовательность установки компонентов здания. Затем эта последовательность может быть оптимизирована и улучшена для повышения эффективности.