Conception paramétrique - Parametric design

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La conception paramétrique est un processus basé sur la pensée algorithmique qui permet l'expression de paramètres et de règles qui, ensemble, définissent, encodent et clarifient la relation entre l'intention de conception et la réponse de conception.

La conception paramétrique est un paradigme de la conception où la relation entre les éléments est utilisée pour manipuler et informer la conception de géométries et de structures complexes.

Le terme paramétrique provient des mathématiques ( équation paramétrique ) et fait référence à l'utilisation de certains paramètres ou variables qui peuvent être modifiés pour manipuler ou modifier le résultat final d'une équation ou d'un système. Alors qu'aujourd'hui le terme est utilisé en référence aux systèmes de conception informatique, il existe des précédents pour ces systèmes modernes dans les travaux d'architectes tels qu'Antoni Gaudí , qui a utilisé des modèles analogiques pour explorer l'espace de conception, et Luigi Moretti , qui a introduit le terme architecture paramétrique décrivant pour la première fois un processus de conception architecturale basé sur des algorithmes mathématiques.

Les systèmes de modélisation paramétrique peuvent être divisés en deux types principaux :

  • Systèmes basés sur la propagation où l'on calcule du connu vers l'inconnu avec un modèle de flux de données.
  • Systèmes de contraintes qui résolvent des ensembles de contraintes continues et discrètes.

La recherche de forme est l'une des stratégies mises en œuvre par les systèmes basés sur la propagation. L'idée derrière la recherche de forme est d'optimiser certains objectifs de conception par rapport à un ensemble de contraintes de conception.

Histoire (premiers exemples)

Conception paramétrique analogique

Un modèle de force à l'envers de la Sagrada Família, Musée de la Sagrada Família

L'un des premiers exemples de conception paramétrique était le modèle d'églises à l'envers d' Antonio Gaudi . Dans sa conception pour l' église de Colònia Güell, il a créé un modèle de cordes lestées avec des projectiles d'oiseau pour créer des plafonds voûtés et des arches complexes. En ajustant la position des poids ou la longueur des cordes, il pouvait modifier la forme de chaque arc et voir également comment ce changement influençait les arcs qui lui étaient connectés. Il a placé un miroir au bas du modèle pour voir à quoi il devrait ressembler à l'envers.

Caractéristiques de la méthode de Gaudi

La méthode analogique de Gaudi comprend les principales caractéristiques d'un calcul d'un modèle paramétrique (paramètres d'entrée, équation, sortie):

  • La longueur de la corde, le poids de l'oiseau et l'emplacement du point d'ancrage forment tous des paramètres d'entrée indépendants
  • Les emplacements des sommets des points sur les chaînes étant les résultats du modèle
  • Les résultats sont dérivés par des fonctions explicites, dans ce cas la gravité ou la loi du mouvement de Newton.

En modifiant les paramètres individuels de ces modèles, Gaudi pouvait générer différentes versions de son modèle tout en étant certain que la structure résultante serait en compression pure. Au lieu d'avoir à calculer manuellement les résultats des équations paramétriques, il pouvait automatiquement dériver la forme des courbes caténaires grâce à la force de gravité agissant sur les cordes.

L'architecture paramétrique de Luigi Moretti

On doit à Luigi Moretti la première définition de l'architecture paramétrique, résultat d'études sur l'histoire de l'architecture, de l'art, et l'application de la recherche opérationnelle à la conception architecturale. Ses recherches sur les méthodes d'architecture paramétrique ont été développées au sein de l'Institut de Recherche Opérationnelle et de Mathématiques Appliquées à l'Urbanisme. A l'occasion d'une exposition à la Triennale de Milan, il présentera différents modèles de stades conçus selon les principes de l'architecture paramétrique.

Principes de l'architecture paramétrique de Luigi Moretti

  • Rejet des décisions empiriques.
  • Évaluation des phénomènes traditionnels en tant que faits objectifs fondés sur l'interdépendance des valeurs expressives, sociales et techniques.
  • Définition exacte et complète des thèmes architecturaux.
  • Observation objective de tous les éléments conditionnants (paramètres) liés au thème architectural et identification de leurs valeurs quantitatives.
  • Définition des relations entre les valeurs des paramètres.
  • Indispensabilité de différentes compétences et méthodologies scientifiques selon les critères de la recherche opérationnelle pour définir les éléments de conditionnement et leurs quantités.
  • Affirmation de la liberté de décision et d'expression de l'Architecte, uniquement si elle n'affecte pas les caractéristiques déterminées par les investigations analytiques.
  • Recherche des formes architecturales vers une exactitude maximale, donc définitive, des relations dans leur « structure » générale.

Architecture

Hall de départ de l'aéroport international de Shenzhen Bao'an

La nature a souvent servi d'inspiration aux architectes et aux designers. La technologie informatique a donné aux concepteurs et aux architectes les outils pour analyser et simuler la complexité observée dans la nature et l'appliquer aux formes structurelles des bâtiments et aux modèles d'organisation urbaine. Dans les années 1980, les architectes et les concepteurs ont commencé à utiliser des ordinateurs exécutant des logiciels développés pour les industries de l'aérospatiale et de l'image animée pour « animer la forme ».

L'un des premiers architectes et théoriciens qui ont utilisé des ordinateurs pour générer l'architecture était Greg Lynn . Son architecture blob and fold est l'un des premiers exemples d'architecture générée par ordinateur. Le nouveau terminal 3 de l' aéroport international de Shenzhen Bao'an , achevé en 2013, conçu par l'architecte italien Massimiliano Fuksas , avec le soutien à la conception paramétrique de la société d'ingénierie Knippers Helbig , est un exemple d'utilisation des technologies de conception et de production paramétriques à grande échelle imeuble.

Design urbain

L'urbanisme paramétrique s'intéresse à l'étude et à la prédiction des modèles de peuplement. L'architecte Frei Otto distingue l'occupation et la connexion comme les deux processus fondamentaux impliqués dans toute urbanisation. Les études visent à produire des solutions qui réduisent la longueur totale du trajet dans les systèmes tout en maintenant un faible facteur de détour moyen ou une différenciation de façade.

Logiciel

Surfaçage de puissance

Power Surfacing est une application SolidWorks pour la conception industrielle / la modélisation de surfaces organiques / solides de forme libre . Étroitement intégré à SolidWorks , il fonctionne avec toutes les commandes SolidWorks . Les maillages numérisés peuvent être rétro-conçus avec Power Surfacing RE.

Catia

CATIA ( Application interactive tridimensionnelle assistée par ordinateur ) a été utilisé par l'architecte Frank Gehry pour concevoir certains de ses bâtiments curvilignes primés tels que le musée Guggenheim Bilbao . Gehry Technologies, la branche technologique de son entreprise, a depuis créé Digital Project , son propre logiciel de conception paramétrique basé sur son expérience avec CATIA.

Autodesk 3DS Max

Autodesk 3ds Max est un logiciel de modélisation 3D paramétrique qui fournit des fonctions de modélisation, d'animation, de simulation et de rendu pour les jeux, les films et les graphiques animés. 3ds Max utilise le concept de modificateurs et de paramètres câblés pour contrôler sa géométrie et donne à l'utilisateur la possibilité de scripter ses fonctionnalités. Max Creation Graph est un environnement de création d'outils de programmation visuelle basé sur des nœuds dans 3ds Max 2016, similaire à Grasshopper et Dynamo.

Autodesk Maya

Autodesk Maya est un logiciel d'infographie 3D développé à l'origine par Alias ​​Systems Corporation (anciennement Alias|Wavefront) et actuellement détenu et développé par Autodesk, Inc. Il est utilisé pour créer des applications 3D interactives, notamment des jeux vidéo, des films d'animation, des séries télévisées ou effets visuels. Maya expose une architecture de graphe de nœuds. Les éléments de scène sont basés sur des nœuds, chaque nœud ayant ses propres attributs et personnalisation. En conséquence, la représentation visuelle d'une scène est basée sur un réseau de nœuds interconnectés, dépendant des informations les uns des autres. Maya est équipé d'un langage de script multiplateforme, appelé Maya Embedded Language. MEL est fourni pour les scripts et un moyen de personnaliser les fonctionnalités de base du logiciel, car de nombreux outils et commandes utilisés y sont écrits. MEL ou Python peuvent être utilisés pour concevoir des modifications, des plug-ins ou être injectés dans le runtime. L'interaction de l'utilisateur est enregistrée dans MEL, permettant aux utilisateurs novices de mettre en œuvre des sous-programmes.

Sauterelle 3D

Le canevas Grasshopper avec quelques nœuds

Grasshopper 3d (à l'origine Explicit History) est un plug-in pour Rhinoceros 3D qui présente aux utilisateurs une interface de langage de programmation visuel pour créer et éditer la géométrie.

Les composants ou les nœuds sont glissés sur un canevas afin de créer une définition de sauterelle. Grasshopper est basé sur des graphiques (voir Graph (mathématiques discrètes) ) qui cartographient le flux de relations à partir de paramètres via des fonctions définies par l'utilisateur (nœuds), entraînant la génération de la géométrie. La modification des paramètres ou de la géométrie entraîne la propagation des modifications dans toutes les fonctions et le redessin de la géométrie.

Autodesk Revit

Autodesk Revit est un logiciel de modélisation des informations du bâtiment (BIM) utilisé par les architectes et autres professionnels du bâtiment. Revit a été développé en réponse au besoin d'un logiciel capable de créer des modèles paramétriques tridimensionnels comprenant à la fois des informations de conception et de construction géométriques et non géométriques. Chaque modification apportée à un élément dans Revit est automatiquement propagée dans le modèle pour que tous les composants, vues et annotations restent cohérents. Cela facilite la collaboration entre les équipes et garantit que toutes les informations (surfaces, horaires, etc.) sont mises à jour de manière dynamique lorsque des modifications sont apportées au modèle.

Dynamo Autodesk

Dynamo est un environnement de programmation graphique open source pour la conception. Dynamo étend la modélisation des informations du bâtiment avec l'environnement de données et logique d'un éditeur d'algorithme graphique.

GenerativeComponents

GenerativeComponents, un logiciel de CAO paramétrique développé par Bentley Systems, a été introduit pour la première fois en 2003, est devenu de plus en plus utilisé dans la pratique (en particulier par la communauté architecturale de Londres) au début de 2005, et a été commercialisé en novembre 2007. GenerativeComponents a une solide base traditionnelle d'utilisateurs dans universitaires et dans des entreprises de conception à la pointe de la technologie. GenerativeComponents est souvent désigné par le surnom de « GC ». GC incarne la quête d'apporter les capacités de modélisation paramétrique de la modélisation solide 3D dans la conception architecturale, cherchant à fournir une plus grande fluidité et fluidité que la modélisation solide 3D mécanique.

Les utilisateurs peuvent interagir avec le logiciel soit en modélisant dynamiquement et en manipulant directement la géométrie, soit en appliquant des règles et en capturant les relations entre les éléments du modèle, soit en définissant des formes et des systèmes complexes à l'aide d'algorithmes exprimés de manière concise. Le logiciel prend en charge de nombreuses entrées et sorties de fichiers standard, notamment DGN de ​​Bentley Systems, DWG d'Autodesk, STL (Stereo Lithography), Rhino et autres. Le logiciel peut également s'intégrer aux systèmes de modélisation des informations du bâtiment.

Le logiciel dispose d'une API publiée et utilise un langage de script simple, permettant à la fois l'intégration avec de nombreux outils logiciels différents et la création de programmes personnalisés par les utilisateurs.

Ce logiciel est principalement utilisé par les architectes et les ingénieurs dans la conception de bâtiments, mais a également été utilisé pour modéliser des structures naturelles et biologiques et des systèmes mathématiques.

Generative Components fonctionne exclusivement sur les systèmes d'exploitation Microsoft Windows.

VIKTOR

VIKTOR est une plate-forme de développement d'applications qui permet aux ingénieurs et autres experts du domaine de créer rapidement leurs propres applications en ligne à l'aide de Python . Il est utilisé pour créer des modèles de conception paramétriques et s'intègre à de nombreux progiciels. Il permet aux utilisateurs de créer des interfaces utilisateur intuitives (GUI), qui incluent différentes formes de visualisation des résultats, telles que des modèles 3D, des dessins, des vues cartographiques ou satellite et des graphiques interactifs. Cela permet de rendre les applications accessibles à des personnes sans affinité de programmation.

Les applications réalisées avec VIKTOR sont en ligne, ce qui signifie que les données sont mises à jour automatiquement et que tout le monde travaille avec les mêmes informations et les derniers modèles. Il comprend un système de gestion des utilisateurs, permettant de donner différents droits aux utilisateurs.

Marionnette

Marionette est un outil de script graphique open source (ou environnement de programmation visuel) pour les industries de l'architecture, de l'ingénierie, de la construction, de l'aménagement paysager et de la conception de divertissement qui est intégré aux versions Mac et Windows du logiciel Vectorworks. L'outil a d'abord été mis à disposition dans la gamme de produits logiciels Vectorworks 2016. Marionette permet aux concepteurs de créer des algorithmes d'application personnalisés qui créent des objets paramétriques interactifs et rationalisent les flux de travail complexes, ainsi que de créer des flux de travail automatisés de dessin 2D, de modélisation 3D et BIM dans le logiciel Vectorworks.

Construit dans le langage de programmation Python, tout dans Marionette se compose de nœuds qui sont liés entre eux dans un organigramme. Chaque nœud contient un script Python avec des entrées et des sorties prédéfinies qui peuvent être consultées et modifiées avec un éditeur intégré. Les nœuds sont placés directement dans le document Vectorworks puis connectés pour créer des algorithmes complexes. Étant donné que Marionette est entièrement intégré au logiciel Vectorworks, il peut également être utilisé pour créer des objets paramétriques entièrement autonomes pouvant être insérés dans des conceptions nouvelles et existantes.

Modeleur

Modelur est un plug-in logiciel de conception urbaine paramétrique pour Trimble SketchUp , développé par Agility doo (LLC). Son objectif principal est d'aider les utilisateurs à créer des masses urbaines conceptuelles. Contrairement aux applications de CAO courantes, où l'utilisateur conçoit des bâtiments avec des dimensions habituelles telles que la largeur, la profondeur et la hauteur, Modelur propose la conception de l'environnement bâti à travers des paramètres urbains clés tels que le nombre d'étages et la surface de plancher brute d'un bâtiment.

Modelur calcule à la volée les principaux paramètres de contrôle urbain (par exemple, le ratio de surface au sol ou le nombre requis de parkings), fournissant des informations sur la conception urbaine alors que le développement est encore en évolution. De cette façon, cela aide à prendre des décisions éclairées dès les premières étapes, lorsque les décisions de conception ont le plus d'impact.

Archimatix

Archimatix est une extension de modélisation paramétrique basée sur des nœuds pour Unity 3D . Il permet la modélisation visuelle de modèles 3D dans l'éditeur Unity 3D.

Voir également

Les références