Parametrisch ontwerpen

Hoe een uitdaging innovatie aandrijft

Onze klanten hebben een visie, zij willen het meest hoogwaardige en innovatieve van wat architectuur te bieden heeft. Vaak heeft de klant in samenwerking met een architect al een ontwerp klaar, waarbij een bepaald onderdeel nieuw, experimenteel is of nog helemaal niet bestaat. De complexiteit van de vraagstukken is groot en voor elk project uniek. Dit stimuleert een onderzoekende, innoverende houding - om zo uitdagende architectuur tot leven te wekken. Dit is de uitdaging die wij als Octatube graag aangaan. Het heeft er zelfs toe geleid dat we nieuwe, slimme software hebben ontwikkeld.

De technologische ontwikkelingen gaan razendsnel. Met 3D-modellen kunnen we veel berekenen en simuleren. In onze projectteams werken de knappe koppen nauw samen met de ervaren vakmannen in de werkplaats. Ontwerp en uitvoering hebben we beide in huis. Dit werpt haar vruchten af, zeker bij onderdelen die zeer specialistisch, nieuw of experimenteel zijn.

Uitdaging
Een goed voorbeeld waar dit uit blijkt is het project Capital C Amsterdam (De Diamantbeurs), dat in 2016 is gestart. Het design voor dit project, van ZJA Zwarts & Jansma Architecten in samenwerking met Heyligers Design + Projects is zeer hoogwaardig en innovatief. De grote koepel van ongeveer 45x21x10 meter (lxbxh) behelst twee verdiepingen en heeft een vrije vorm. Dit betekent dat het niet definieerbaar is door een bepaalde geometrische basisvorm zoals een bol of kubus.

De vorm van de gridshell is bepaald met behulp van een parametrisch computermodel. ZJA vertaalde het ontwerp van de ruimtelijke dakopbouw in een parametrisch computermodel dat de uitslagen  ten behoeve van de productie genereert. In deze door ZJA ontwikkelde software zijn de randvoorwaarden voor het ontwerp gesteld, waarna het programma de ideale vorm zoekt . In het geval van Capital C is deze ideale vorm een geometrisch onbepaalde (vrije) vorm, maar dan met plat, vierhoekig glas. Dit om de gefacetteerde vorm van een diamant te benaderen, als referentie naar de oorspronkelijke functie van het gebouw. Naast de esthetiek vergroot de optimalisatie van het glas ook de maakbaarheid en kosten-efficiëntie van het ontwerp.

Het Octatube-team heeft de engineering (de bouwtechnische uitwerking en de constructieve berekeningen) van het ontwerp van ZJA op zich genomen.

Koos Fritzsche, sales engineer bij Octatube: “In de eerste fase van een project, wanneer Octatube aan tafel komt bij de klant, architect, adviseur of aannemer, is het ontwerp vaak nog volop in ontwikkeling. De veelal complexe geometrie van de projecten is alleen op hoofdlijnen gedefinieerd. Met behulp van parametrische programma’s ondersteunen wij de klant in het analyseren van varianten en optimaliseren van het ontwerp. Deze modellen vormen later de basis voor de technische uitwerking van het project.”

Bij de Diamantbeurs stond de basisgeometrie al vast, maar was het grid nog in ontwikkeling.

Wat is een grid?

Een grid is de representatie van de ruimtelijke vorm en constructieve elementen van het gebouw geschematiseerd in lijnen. Het grid vormt de basis, het uitgangspunt, voor de technische tekeningen en de daarop volgende productie van het project.

Deze situatie riep de volgende vraag op:

Hoe kunnen de technische tekeningen efficiënt worden opgezet en de productie worden voorbereid, voordat de basisgeometrie vaststaat?

Als Design & Build bedrijf loopt Octatube voorop in het realiseren van uitdagende architectuur met een accent op hoogwaardige toepassingen van glas en staal. Voor het aanpakken van de vaak complexe projecten is een flexibel technisch software pakket nodig waarin de veelal unieke elementen per project kunnen worden gemodelleerd. Binnen Octatube wordt hiervoor Inventor, een modelleer programma van Autodesk, gebruikt in combinatie met Rhinoceros (Rhino) en Grasshopper.

Met Inventor kunnen we nauwkeurig 3D-modellen vervaardigen om het ontwerp van een gebouw technisch uit te werken, te visualiseren en te simuleren voordat ze geproduceerd worden. Dit gebeurt tot elk laatste boutje en stelringetje. Rhino wordt toegepast als vormgevings- en engineeringstool die samen met Grasshopper (een parametrische ontwerptool) de hoofdlijnen van een model maken. Een koppeling tussen de systemen was al eerder ontwikkeld door Octatube, maar deze was beperkt en niet interactief, zoals we dat voor ogen hadden voor het Capital C project. 

Door de vrije vorm van het project zijn alle onderdelen (stalen balken, glaspanelen, etc.) verschillend en komen deze telkens geometrisch op een andere manier bij elkaar. Deze grote hoeveelheid unieke elementen en verbindingen zouden 1 voor 1 kunnen worden gemodelleerd, maar dit had niet de voorkeur. Indien het grid ook maar iets aangepast zou worden veranderen alle onderdelen of een groot deel er van. Alle onderdelen staan immers met elkaar in verbinding. Ondanks dat zit er in grote lijnen veel herhaling in het design. Zo ontstond het idee om het ontwerp te automatiseren door een parametrische tool te ontwikkelen die de complexe basisgeometrie omzet naar een gedetailleerd productie model.

Wat is parametrisch ontwerpen precies?

Parametrisch ontwerpen is een ontwerpproces waarbij op basis van data en relaties tussen onderdelen een ontwerp kan worden gegenereerd. Naast het ontwerpen van complexe geometrie en constructies biedt parametrisch ontwerp ook mogelijkheden om tot in een laat stadium van het ontwerpproces wijzigingen in een responsief model door te voeren. Dit proces maakt het mogelijk om snel modellen te genereren, verschillende scenario’s te testen, prestaties inzichtelijk te maken en zo meerwaarde te creëren voor opdrachtgevers. Je kunt zo het maximale uit iedere opgave halen, in plaats van handmatig slechts een aantal mogelijkheden te schetsen. Uit al de mogelijke modellen dient een optimale oplossing gekozen te worden. Daarnaast is het veel eenvoudiger om later in het proces relaties tussen ruimtes of afmetingen te wijzigen, aangezien het dynamische gebouwmodel in real time meebeweegt in het ontwerpproces. (bron: www.bna.nl)

Parametrische tool
Een model in Rhino bestaat in feite uit punten en lijnen, een schematische representatie van de werkelijke constructie of geometrie: de lijnen zijn de balken en de punten zijn de aansluitingen. Aan deze elementen worden eigenschappen verbonden zoals profielafmetingen en materialisatie.

Grasshopper, een plug-in voor Rhino, biedt mogelijkheden om interactief en op een relatief simpele manier met geometrie te spelen. Door de geometrie parametrisch op te zetten blijven alle eigenschappen continu aanpasbaar, dit vereenvoudigt onder andere het ontwikkelen van varianten.

Binnen dit programma is een tool ontwikkeld door Octatube die het draadmodel, na variantenstudie en optimalisatie, kan exporteren naar Inventor om vervolgens alle onderdelen aan te maken die nodig zijn voor productie.

Arend van Waart, programmeerder bij Octatube: “Het voornaamste doel is kennis naar voren halen in het ontwerpproces. Zo snel mogelijk weten waar we aan toe zijn. Hoe meer iteraties (herhalingen) je kan maken, hoe sneller je weet hoe het totaal er uit ziet. Daardoor zie je sneller of je iets over hoofd hebt gezien en daar iets aan kunt doen. We hebben 40 testruns gemaakt. We maken en optimaliseren een bouwdeel en controleren dan of de output ook nog klopt. Je begint met het deel dat het meest oplevert. Dat is het deel dat het vaakst voorkomt.”

Het fijne aan dit ontwerpproces is dat je niet steeds helemaal opnieuw moet beginnen als er iets wordt gewijzigd. Je hoeft alleen dat stukje te pakken dat gewijzigd moet worden. Het reguliere, meest voorkomende deel gaat via de tool maar andere, complexere delen en aansluitpunten niet. Als je elke uitzondering gaat programmeren wordt het te ingewikkeld. Normaal maak je 4 balken en 1 knooppunt waar alle complexiteit in zit maar in dit ontwerpproces is het gelukt om knooppunt-loze aansluitingen te maken die er eleganter uitzien. 

We hebben uiteindelijk 9 verschillende typen balken ontworpen. Ze verschillen van elkaar vanwege de verschillende aansluitingen. De engineer dicteert in het systeem waar de verschillende aansluitingspunten komen, dat is de eerste stap. De tweede stap is het fabriceren van de balken en in de derde stap worden de bouwdelen gegroepeerd en vervolgens gemonteerd.

File-to-factory

Naast dat Octatube voor dit project zelf software heeft ontwikkeld, is er ook een file-to-factory werkwijze uitgedacht en doorgevoerd. Wanneer er bijvoorbeeld een bepaald samengesteld element gemaakt moet worden dan liggen de daarvoor benodigde losse onderdelen klaar op één pallet. De onderdelen zijn genummerd en komen op volgorde op de pallet. Vervolgens kunnen de onderdelen worden gemonteerd op een verstelbare mal met pootjes, ook wel het spijkerbed genoemd.

Daniel van Kersbergen, engineer bij Octatube: “Alle kokers zijn allemaal file-to-factory gemaakt en liggen klaar op de pallet. Alle aansluitingen zijn gedigitaliseerd. Het instelbare spijkerbed is een nieuw ontworpen onderdeel. Alle complexiteit komt automatisch uit de computer rollen. De hoogte, de positie van het onderdeel en de graden. De geometrie van het model is enorm ingewikkeld, want alles is scheef. Het spijkerbed zorgt er voor dat het complexe model toch in één keer kan worden gemonteerd.”

Eigenlijk is iets heel ingewikkelds terug gebracht naar iets simpels. Alles is slim ge-engineerd zodat het op de bouwplaats snel in elkaar gezet kan worden.

Vincente Monteiro Chantre, voorman bij Octatube: “Het is een mooie manier van werken. Van te voren is reeds bepaald waar de aansluitingen van de onderdelen moeten komen. Je hoeft niet te meten om de onderdelen te plaatsen, het is een prachtig systeem. De grootste uitdaging is de constructie op de juiste maatvoering krijgen. Gelaste onderdelen krijgen te maken met werking: je moet goed kunnen inschatten wat het materiaal gaat doen. Onze lasrichting en laspositie bepalen we voordat we gaan lassen. Uiteraard moet je wel nameten als het in elkaar zit. Dat de praktijk en het theoretische gedeelte in een vroeg stadium bij elkaar komen is écht een voordeel.”

Toekomst

Het hierboven beschreven proces is gericht op unieke onderdelen. Ontwikkeling van de slimme software en tools kost in eerste instantie veel werk, maar in de toekomst plukken we daar de vruchten van. Hoewel digitale fabricage vaak wordt genoemd gebeurt het in de praktijk nog niet zoveel. Deze opdracht bewijst dat het kan en dat het uiteindelijk tijd en daardoor ook kosten bespaart. De ontwikkelde optimalisatietool zal in de toekomst door Octatube verder worden uitgebreid en toegepast op een breed scala aan uitdagende projecten.

Daniel van Kersbergen: “Op alle gebieden investeren we veel tijd om tools te ontwikkelen en onszelf te ontwikkelen dat we dit kunnen. De nieuwe software en werkwijze is heel doordacht gemaakt maar daar hebben we lang over nagedacht. Hierdoor hebben we nu veel kennis, energie en softwareontwikkelingen opgedaan die we straks weer kunnen hergebruiken. Capital C is een heel vet project wat ons heeft uitgedaagd om ons zo ver te ontwikkelen.”