Generación y control de formas libres en entornos BIM : modelado paramétrico, modelado algorítmico

Abstract

The present thesis work intends to explore and research how far these new tools and modeling techniques can reach, regarding the generation and control of free forms (conceptual or mass modeling) in geometries generally complex on BIM environments, including its incorporation to the work flow within the definition process of the architectural project, as well as its integration in the BIM model definition. This allows the holistic visual comprehension of all architectural and building elements of the model, resulting in greater predictability, decrease of uncertainties, and reducing loopholes and information losses.

It is also the aim of this study the control of such forms, its analysis, generative study, its geometry and those parameters from which generation and govern will be performed, in short, its optimization based on different criteria and given features, so as to obtain a greater efficiency by reducing costs and negative impacts on the environment. Forms are understood as a result of a complex synthesis and analysis process, and not just as a mere apriorism. Techniques are described to develop this kind of controls, analysis and management for the generating processes, which minimize the uncertainty factors and reduce possible deviations between the projection and its execution in all development phases of the project.

Two alternative ways for modeling provided by current modeling software on BIM environments are analyzed: parametric modeling and the more recent algorithmic modeling. The latter needs its own specific VPL visual programming language to be used. Relationships and bidirectional dialogue established between the two is also studied, as well as regarding other software for the exchange of information, such as spreadsheets, data bases and others (structures calculation, installations, energetic audits, etc.), allowing for interoperability, a property benefitted and empowered by BIM work environments.

The incorporation of these digital techniques allows not only the exploration of new modeling possibilities and complex forms generation, with the possibility of performing multiple options, simulations, checking, trials and the analysis of alternatives regarding their real behavior, that will help optimal decision making, but the optimization of the design process itself, focusing on traditional methods and projection tempos.

This technification process of architecture opens up new ways of exploration and collaboration in forms modeling, also allowing, within VPL visual programming languages, the introduction and incorporation of conventional textual programming code (Design Script, Python, C#, etc.) to be able to create new customized design tools and automate repetitive tasks, with a considerable time saving regarding other types of modeling.

Both modeling alternative ways are applied to a practical modeling case involving a very singular building such as Norman Foster's Swiss Re Tower in London, where the different forms of work, tempos, modeling strategies, objectives and dialogue bidirectional relationships and exchange of information between the two can be noticed, as well as the incorporation to the development and project gradual definition work flow.

El presente trabajo de tesis pretende explorar e investigar sobre lo que dan de sí estas nuevas herramientas y técnicas instrumentales de modelado, en la generación y el control de las formas libres (modelado conceptual o de masas) de geometrías generalmente complejas sobre entornos BIM, sin olvidar su incorporación al flujo de trabajo dentro del proceso de definición del proyecto arquitectónico y de su integración en la definición del modelo BIM. Lo que permite la comprensión visual holística de todos los elementos constructivos y arquitectónicos del modelo, dando como resultado mayor predictibilidad, disminución de incertidumbres, reduciendo pérdidas y lagunas de información. Es también objeto de estudio de esta tesis el control de dichas formas, su análisis, estudio generativo, su geometría, los parámetros sobre los que se va a generar y gobernar, en definitiva su optimización en base a diferentes criterios y prestaciones establecidos, para tratar de conseguir una mayor eficiencia reduciendo costos e impactos negativos en el medio ambiente. La forma se entiende como resultado de un proceso complejo de análisis y síntesis donde intervienen muchos factores y no como un mero apriorismo. Se describen técnicas para desarrollar este tipo de controles, análisis y gestión en los procesos generativos, que minimizan los factores de incertidumbre y reducen desviaciones posibles entre lo proyectado y lo ejecutado en todas las fases de desarrollo del proyecto. Se analizan dos vías alternativas de modelado que en la actualidad proporcionan los softwares de modelado sobre entornos BIM a saber: el modelado Paramétrico y el modelado Algorítmico de más reciente aparición. Este último necesita de un lenguaje específico propio de programación visual VPL (Visual Programming Language) para su utilización. También se estudian las relaciones y el diálogo bidireccional que puede establecerse entre ambos (software de modelado y software de programación visual) y con otros softwares para el intercambio de información, tales como Hojas de cálculo, Bases de datos y otros (cálculo de estructuras, instalaciones, auditorías energéticas etc.) dando pie a la interoperabilidad propiedad muy favorecida y potenciada por los entornos de trabajo BIM. La incorporación de estas técnicas digitales permite no solo la exploración de nuevas posibilidades de modelado y generación de formas complejas, con posibilidad de realización de una multiplicidad de opciones, simulaciones, comprobaciones, tanteos y análisis de alternativas de su comportamiento real que facilitarán en gran medida la toma de decisiones óptimas, sino la optimización del propio proceso de diseño haciendo cuestión de los métodos tradicionales y tempos de proyectación al uso. Este proceso de tecnificación de la arquitectura abre nuevas vías de exploración y colaboración estrecha en el modelado de formas, permitiendo también dentro de los lenguajes de programación visual VPL, la introducción e incorporación conjunta de código de programación textual convencional (Design Script, Python, C#, etc.) para poder crear nuevas herramientas de diseño personalizadas y automatizar tareas repetitivas, con un considerable ahorro de tiempo respecto de otros tipos de modelado. Se aplican ambas vías alternativas de modelado a un caso práctico de modelado de un edificio muy singular como la Torre Swiss Re de Norman Foster en Londres, donde se ponen de manifiesto las diferentes formas de trabajo, tempos, estrategias de modelado, objetivos perseguidos por cada tipo de modelado y las relaciones bidireccionales de diálogo e intercambio de información que pueden establecerse entre ambos. Así como su incorporación al flujo de trabajo de desarrollo y definición gradual del proyecto.