Projektowanie generatywne

Historia projektowania generatywnego

Jednym z przełomów w dziedzinie nauki i techniki było wprowadzenie komputerów, czyli maszyn elektronicznych przetwarzających informacje. Pozwoliły one na przeprowadzanie wcześniej zbyt czasochłonnych lub wręcz niemożliwych do wykonania obliczeń. W miarę upływu czasu i rozwoju interfejsu, czyli metody komunikacji pomiędzy człowiekiem a maszyną, zakres pracy komputerów poszerzył się i obecnie służą one do porozumiewania się, rozrywki, a także tworzenia. Już od samego powstania komputerów architekci poszukiwali narzędzi mogących usprawnić pracę. Pierwszą skierowaną do nich i  jednocześnie nie wymagającą znajomości programowania aplikacją był Sketchpad z 1963  roku, autorstwa Ivana Sutherlanda, rozwinięty w Massachusetts Institute of Technology. Jego działanie było podobne do analogowych metod wykorzystywanych przez projektantów w  trakcie tworzenia rysunku technicznego – przy użyciu rysika na specjalnym ekranie komputera wskazywano linie, punkty, łuki. Zachęciło to inżynierów do poszukiwań nowych rozwiązań, które wzbudziły duże zainteresowanie branży, wynikające z faktu, że program nie wymagał zmiany metod pracy, bazujących na rysunku dwuwymiarowym. Ważnym rozwinięciem zaproponowanych przez Sutherlanda propozycji była metodologia CAD (ang. Computer Aided Design – projektowanie wspomagane komputerowo), która uzupełniła cyfrowy rysunek o warstwy, rodzaje linii czy metody modelowania trójwymiarowego. Współcześnie narzędzia cyfrowe zostały rozszerzone o wizualizacje, analizy konstrukcyjne, środowiskowe i energetyczne. Korzystają one z mocy obliczeniowej procesorów, dzięki czemu rozwijają warsztat architekta o wcześniej niedostępne metody pozyskiwania informacji na etapie projektowym. Jednak mimo tego oprogramowanie nadal jest tylko „wykonawcą” poleceń, nie proponuje nowych rozwiązań, nie poszukuje, nie ma informacji, co jest celem obliczeń ani jakie są ograniczenia. Krokiem naprzód w projektowaniu architektonicznym jest wykorzystanie komputera, a dokładniej oprogramowania, jako partnera, z którym użytkownik wchodzi w dyskusję i uzupełnia projekt w celu znalezienia rozwiązania. Metodą pozwalającą na interakcję człowieka z komputerem jest projektowanie generatywne, które stanowi iteracyjny (powtarzany wielokrotnie) proces wykorzystujący program w celu generowania zestawu różnych rozwiązań projektowych. Zadaniem projektanta posługującego się programem jest odpowiedni dobór celu, który należy osiągnąć, warunków, jakie powinny zostać spełnione, oraz ustalenie zasad tworzenia obiektu. Warto pamiętać, że proces ten może być przeprowadzony bez wykorzystania komputera, co oczywiście ogranicza jego wydajność. Wystarczą właściwe zasady oraz poprawne obliczenia do znalezienia optymalnego rozwiązania.

Projektowanie generatywne: krok po kroku

Często powielanym błędem jest przywoływanie krzywoliniowych obiektów architektonicznych jako przykładów projektowania generatywnego – geometria obiektu nie musi jednoznacznie wskazywać na metodę jej tworzenia. Dobrym przykładem mogą być obiekty autorstwa Franka Gehrego, które powstały z wykorzystaniem oprogramowania, lecz ich kształt jest rezultatem pracy nad modelem fizycznym, będącym nie wynikiem obliczeń, a wypracowaną rzeźbiarsko formą. Pierwszą składową projektowania generatywnego jest zapisanie projektu w formie algorytmu, czyli skończonego ciągu czynności, służących wykonaniu zadania. Stanowi on swego rodzaju instrukcję dla komputera, informującą, jakie kroki musi wykonać, aby osiągnąć efekt, oraz jednocześnie wskazującą granice dozwolonych czynności. Na przykład proces projektowania domu jednorodzinnego składa się z wielu etapów, które kolejno wykonywane przybliżają architekta do ostatecznego efektu. Na każdym z etapów projektant podejmuje decyzje dotyczące np. szerokości budynku czy liczby kondygnacji. Zapisanie obiektu w formie algorytmu (programu) umożliwia wprowadzenie zmian w koncepcji w dowolnym czasie oraz wybranie jednego z wielu tysięcy rozwiązań.

Drugim niezbędnym komponentem projektowania generatywnego jest określenie warunków, które obiekt musi spełnić. Zapisanie projektu w formie algorytmu pozwala na generowanie wielu rozwiązań, często błędnych. Na przykład wymaganą lokalizacją pokoju dziennego w projekcie domu może być jego południowa strona. W tym przypadku zapiszemy warunek odpowiedniego położenia pomieszczenia ze względu na kierunki świata, co pozwala odrzucić zbędne propozycje. Trzecią składową są cele, stanowiące klucz do znalezienia optymalnego rozwiązania. Jeżeli program nie otrzyma informacji o tym, co jest obiektem poszykiwań, mogą zostać zaproponowane rozwiązania, które nie będą satysfakcjonujące, np. pokój będzie miał wszystkie okna zlokalizowane na południowej fasadzie, co może doprowadzić do tego, że stanie się długą, wąską i ciemną przestrzenią na wzór korytarza. Aby uniknąć rozwiązań bezużytecznych, należy zapisać również cele obliczania, np. maksymalne możliwe doświetlenie pomieszczeń użytkowych. Dzięki zapisaniu projektu w formie algorytmu o określonych warunkach i celach program jest w stanie wygenerować rozwiązania, które mogą posłużyć jako propozycje do dalszej pracy lub zostać zaakceptowane jako ostateczna forma.

Algorytmy w projektowaniu generatywnym

W przypadku projektowania generatywnego współpraca projektanta z oprogramowaniem polega na kontrolowanym poszukiwaniu rezultatu przez program. Jednak w jaki sposób program komputerowy jest w stanie robić to samodzielnie? Pomimo zwiększenia mocy obliczeniowej komputerów w ostatnich latach przy zapisywaniu obiektu w postaci programu nie da się wygenerować wszystkich możliwych rozwiązań. Sprawdzenie każdego z nich jest nieekonomiczne z powodu czasu wymaganego do wykonania niezbędnych obliczeń. Oczywiście jest to możliwe – taka technika nazywa się „brute force”. Jest ona najczęściej wykorzystywana do łamania haseł. Jednak rozwój metod obliczeniowych zaopatrzył projektantów w gotowe algorytmy, które pozwalają znaleźć optymalne rozwiązanie bez potrzeby generowania każdego możliwego wariantu. Istnieje wiele wzorów umożliwiających projektowanie generatywne. Do popularnie wykorzystywanych w architekturze czy też szerzej pojętym projektowaniu należą algorytmy stada i ewolucyjne, optymalizacja topograficzna oraz automaty komórkowe. Ich nazewnictwo słusznie kojarzy się z procesami występującymi w naturze, gdzie organizmy żywe same poszukują optymalnych rozwiązań.

Aby dokładnie zrozumieć działanie projektowania generatywnego, warto przyjrzeć się zasadom działania dostępnych rozwiązań. Najpopularniejszy w architekturze jest algorytm ewolucyjny, który bazuje na podstawowych prawach rozwoju życia na Ziemi. Organizmy żywe stale się rozwijają, przystosowują do zmiany warunków środowiska, stają się szybsze, zwinniejsze, lepiej zakamuflowane. Jednak nie jest to świadoma decyzja, a rezultat ewolucji. W każdym z pokoleń organizmy słabsze, mniej przystosowane umierają wcześniej, nie mając sposobności na przekazanie kodu genetycznego. Tylko osobniki o cechach pozwalających na przeżycie mają możliwość udostępnienia go kolejnym generacjom. Przykład w odniesieniu do architektury może wydawać się abstrakcyjny, jednak okazuje się, że wcale tak nie jest. Celem pracy architekta jest osiągnięcie rezultatów, które w najlepszy możliwy sposób sprostają wymogom projektowym – pomieszczenia będą doświetlone, ich rozkład będzie pozwalał na sprawną komunikację, układ konstrukcyjny skutecznie przenosił siły, a wszystko przy zachowaniu jak najniższego kosztu realizacji. Praca algorytmu ewolucyjnego rozpoczyna się od wybrania losowych obiektów spośród wielu tysięcy możliwych rozwiązań zadanego problemu. Każdy z nich jest oceniany pod względem spełnienia warunków, co umożliwia odrzucenie błędnych, a dodatkowo pozostałe – na podstawie efektu obliczeń konstrukcyjnych, komunikacyjnych, nasłonecznienia i akustyki. Pozwala to na ich wzajemne porównanie. Następnie obiekty o najgorszych cechach zostają odrzucone, zachowane natomiast wymieniają się cechami w celu uzupełnienia puli dostępnych rozwiązań. Ten proces powtórzony wielokrotnie umożliwia eliminację zbiorów obiektów bezużytecznych, dając dużą szansę na znalezienie optymalnego rezultatu. Największym zarzutem wobec powyższej metody jest porzucenie aspektów niemożliwych do zapisania w formie matematycznej, tj. estetyki, poszanowania kontekstu kulturowego czy też historycznego. Jest to również dowód na to, że program nie jest w stanie zastąpić intuicji, wiedzy i doświadczenia architekta, jednak współpraca może znacznie usprawnić proces projektowy.

Projektowanie generatywne: generowanie układu funkcjonalnego

Wykorzystanie metod parametrycznych w projektowaniu staje się współcześnie jednym z filarów największych pracowni architektonicznych. Programowanie komputerowe jest używane na różnych poziomach zaawansowania. Umożliwia tworzenie własnych komend, zwiększając wydajność pracy zespołów, pozwala również na modelowanie krzywoliniowych form geometrycznych i skomplikowanych fasad oraz automatyzuje proces produkcji. Pomimo popularności projektowania wspomaganego algorytmicznie jest ono wykorzystywane w głównej mierze do „projektowania obudowy” na podstawie gotowego układu funkcjonalnego. Powodem tego jest proces zapisania funkcji umożliwiającej generowanie rzutów, który jest bardziej czasochłonny niż praca doświadczonego architekta. Jednak podjęto próby wprowadzenia usprawnień także pod tym względem. Jednym z przykładów zastosowania metod generatywnych jest koncepcja aranżacji przestrzeni biurowej firmy Autodesk w Toronto. Celem eksperymentalnego projektu było osiągnięcie optymalnego rozkładu stanowisk pracy oraz sal konferencyjnych na powierzchni 5500 m² na podstawie wybranych parametrów. Cechą odróżniającą jest tu wykorzystanie danych zarówno geometrycznych, jak i związanych ze specyfiką pracy przyszłych użytkowników biura, którzy, odpowiadając na pytania zawarte w ankiecie, wzbogacili algorytm o dodatkowe informacje. Podczas sprawdzania kolejnych zestawów rozwiązań program oceniał warianty rozkładu przestrzeni na podstawie sześciu warunków: odległości pomiędzy stanowiskami, preferencji dotyczących nasłonecznienia oraz dopuszczalnego poziomu hałasu, maksymalnego wykorzystania przestrzeni wspólnych, minimalizacji rozproszenia uwagi z powodu bodźców dźwiękowych i wizualnych, optymalnego dostępu światła dziennego do stanowisk pracy oraz komfortu wizualnego (widoku na zewnątrz budynku). W trakcie obliczeń analizie poddano tysiące możliwych rozwiązań, a projektantowi przedstawione zostały tylko warianty optymalnego układu w ramach założonych przez niego zasad. Aranżacja biura w Toronto pozwala na wspomaganie organizacji przestrzeni wcześniej ustalonej bryły obiektu.

Wartym uwagi rozwiązaniem, umożliwiającym generowanie rzutów budynku, jest praca autorstwa Joel Simon o nazwie „Evolving Floorplans”, w której poprzez algorytm ewolucyjny poszukiwane jest optymalne ustawienie i autonomicznie generowany rzut obiektu. W projekcie zapisano zbiór zasad zawierający podstawowe założenia przestrzenne układu pomieszczeń szkoły. Pierwszorzędnym celem algorytmu było odnalezienie układu skracającego drogę niezbędną do przebycia w trakcie użytkowania placówki. W tym celu zastosowano teorię grafów, wykorzystywaną m.in. w nawigacji samochodowej, która pozwala odnaleźć najkrótszą możliwą trasę pomiędzy wyznaczonymi punktami na podstawie siatki ulic. W późniejszych eksperymentach architekt uzupełnił program o dodatkowe cechy – minimalizację zużycia materiału, długość dróg ewakuacyjnych czy wymagania dotyczące dostępu światła dziennego. W rezultacie zostały wygenerowane układy znacząco odbiegające od tradycyjnych, zarówno pod względem funkcjonalnym, jak i geometrycznym. W projekcie pominięto wiele kwestii, np. orientacja pomieszczeń w odniesieniu do kierunków świata, wymóg prostopadłościennych układów klas, kształt sali gimnastycznej czy ekonomika realizacji. Bez wątpienia badanie wskazuje nowe kierunki poszukiwań oraz możliwości zastosowania algorytmów, a jednocześnie uświadamia, jak odległa jest wizja architektury tworzonej wyłącznie przy pomocy komputerów.

Projektowanie generartyne w służbie inżynierii, czyli generowanie układów konstrukcyjnych

Jednym z priorytetów Parlamentu Europejskiego jest ograniczenie emisji gazów cieplarnianych, za którą w dużej mierze odpowiada sektor budowlany. Rozwiązaniem umożliwiającym osiągnięcie tego celu jest zmniejszenie zapotrzebowania materiałowego dla projektowanych obiektów, a w efekcie wydobycia surowców, zużycia energii niezbędnej do ich obróbki i transportu. Równolegle do nowych metod projektowych rozwijana jest branża cyfrowej fabrykacji. Wiele uwagi w kontekście ograniczenia zużycia materiału skupia się na metodach addytywnych (druk 3D), umożliwiających tworzenie obiektów przestrzennych bez wytwarzania odpadu. W 2014 roku firma konsultingowa Arup przedstawiła projekt drukowanych węzłów konstrukcyjnych, dzięki którym możliwa jest redukcja wykorzystanego surowca. Nieregularny kształt elementów osiągnięto za pomocą metod generatywnych, które pozwoliły wyeliminować obszary nieprzenoszące sił, a co za tym idzie – ograniczyć zużycie materiału. Oprócz zalet druku trójwymiarowego istnieją dwie główne przyczyny, dla których nie jest on standardem w branży budowlanej. Proces fabrykacji z wykorzystaniem drukarek 3D pochłania bardzo wiele czasu, a dostępne technologie umożliwiają tworzenie jedynie małych elementów. Projektowanie generatywne może zostać zastosowane również w sprawdzonych metodach fabrykacji. Bardzo dobrym tego przykładem jest projekt pawilonu zrealizowany przez Zaha Hadid Architects we współpracy z biurem Bollinger + Grohmann z okazji Międzynarodowych Biennale w Chinach. Jego struktura przestrzenna nawiązuje do hipercienkościennych łupinowych konstrukcji projektowanych przez hiszpańskiego architekta Felixa Candelę. Dzięki obliczeniu sił wewnątrz powierzchni oraz algorytmomi ewolucyjnemu, projektanci mieli możliwość wyboru rozwiązania atrakcyjnego wizualnie oraz zoptymalizowanego pod kątem konstrukcyjnym. Na podstawie kierunków rozkładu sił na powierzchni wyznaczono żebra przenoszące obciążenia osiowo, tworzące charakterystyczny, geometryczny kształt. Samą formę zrealizowano z giętych, a następnie spawanych elementów rurowych. Projekt jest przykładem wykorzystania wiedzy z zakresu geometrii, konstrukcji oraz metod algorytmicznych w celu osiągnięcia obiektów o dużej rozpiętości przy minimalnym nakładzie materiałowym. Bez wątpienia metody projektowania generatywnego dają wiele możliwości osiągania optymalnych rozwiązań architektonicznych, zarówno pod względem funkcjonalnym, jak i ekonomicznym. Jednocześnie dotychczasowe realizacje oraz projekty koncepcyjne pokazują, że są one oddalone od realiów branży budowlanej. Architektura jest zbyt złożonym procesem, aby sprowadzić ją do jasno zdefiniowanego zbioru reguł na wzór problemu matematycznego. Należy jednak zdawać sobie sprawę z możliwości, jakie niosą ze sobą metody algorytmiczne, aby móc odpowiednio dobrać narzędzia, które w przyszłości usprawnią proces projektowy.Kacper Radziszewski projektant zajmujący się programowaniem, cyfrową fabrykacją oraz optymalizacją w architekturze; współzałożyciel grupy Architektura Parametryczna; pracownik WA PG, prowadzący badania z zakresu neurokogniwistyki w odniesieniu do środowiska zabudowanego.