BIM a projektowanie architektoniczne

Guggenheim Museum, Bilbao
Fot. Grzegorz Nieć

Projektowanie to działalność zespołowa. Wymiana informacji decyduje o jakości komunikacji. W procesie wymiany informacji można wyróżnić trzy podstawowe etapy. Są nimi: zapis, transfer, odczyt (interpretacja).

Standard zapisu informacji powinien być akceptowany przez wszystkich członków zespołu projektowego (rysunek, system oznaczeń, który reguluje prawo, format cyfrowy). Narzędzia określają rodzaj transferu (papier, plik cyfrowy, dane). Wyróżnia je metoda oraz czas potrzebny na transfer. Odczyt i adaptacja informacji również uzależnione są od zastosowanych technik zapisu.

Komputer w ciągu ostatnich 30 lat stał się powszechnym narzędziem inżynierów. Niestety żaden z dostępnych systemów AEC nie wspiera kompleksowo wszystkich dziedzin projektowania i produkcji. Dlatego w praktyce architektonicznej niezbędna jest efektywna wymiana informacji pochodzących z różnych źródeł (systemy, aplikacje).

Dziś, w erze informacji, budynek to ogromna baza danych definiująca każdą jego część (konstrukcję, materiały, wyposażenie, właściwości itp.) i uporządkowana w przestrzeni (model 3D). Dla Chuck’a Eastman’a (niezłomny propagator idei BIM) budynek to „zbiór obiektów, konfiguracja lub struktura informacji”. Projektowanie budynku wobec tego opiera się na procesach tworzenia, interpretacji i transferu informacji. Termin Building Information Modeling bardziej niż do narzędzi (systemy) odnosi się do metod i technik. „BIM określa raczej aktywność – building information modeling, niż przedmiot czy obiekt – building information model”. Modelowanie informacji o budynku to tworzenie wirtualnej reprezentacji budynku, inteligentnej symulacji architektury, modelu 3D. Na model BIM składają się komponenty budynku – inteligentne obiekty, które „wiedzą czym są” i znają swoje położenie. Parametry opisują ich geometrię, miejsce w przestrzeni, relacje do innych obiektów i szczególne właściwości (materiały, termika itp.) Podstawowe informacje na temat teorii i historii BIM zamieściłem w poprzednim artykule (patrz IWB nr 3/2010). W tym skupię się przede wszystkim na wykorzystaniu BIM w praktyce architektonicznej.

Wybór metody projektowania to decyzja architektów. Obecnie mamy do wyboru całą paletę narzędzi, od tradycyjnych szkiców odręcznych, które rozpoczynają projekt aż po zaawansowane techniki projektowania generatywnego. BIM w tym kontekście służy jako neutralna platforma przechowywania i wymiany informacji. Źródło danych o wszystkich elementach budynku, które można przetwarzać zależnie od potrzeb i na określonych zasadach.

Pionierzy
Geniusz Franka Gehrego to nie tylko pomysły, ale również (a może nawet przede wszystkim) cały sztab asystentów, który stworzył i zorganizował w Gehry Partners LLP oraz Gehry Technologies. Gehry sam deklaruje kompletny brak umiejętności obsługi komputera, docenia jednak jego potencjał, któremu zawdzięcza możliwość realizacji nawet najbardziej niekonwencjonalnych wizji. System CATIA, a obecnie stworzony na jego podstawie Digital Project to najważniejsze narzędzie warsztatu tego oryginalnego architekta. Projekt Guggenheim Museum w Bilbao był pierwszym, w którym wykorzystano technologię budowy modelu informacyjnego znaną do tej pory przede wszystkim w przemyśle lotniczym i samochodowym.

Frank Gehry rozpoczyna zwykle pracę od serii szkiców. Na ich podstawie architekt ze współpracownikami tworzy serię modeli fizycznych w różnej skali, by jak sam twierdzi mieć stale świeże spojrzenie na projekt. Gotowy model Guggenheim Museum podzielono na części i poddano digitalizacji. Skanowanie polegało na przenoszeniu do pamięci komputera siatki punktów oznaczonych na modelu fizycznym. Bazując na takim cyfrowym szkielecie zbudowano najpierw model płaszczyznowy (surface model), a następnie model bryłowy (solid model) Model bryłowy był już wystarczającą bazą dla projektantów konstrukcji, których zadaniem było opracowanie modelu głównej konstrukcji budynku oraz nie mniej skomplikowanego systemu podkonstrukcji pod tytanową okładzinę elewacji.


Zdigitalizowany model nie oznaczał końca kształtowania bryły. Modele fizyczne w praktyce Gehrego pokazują zaledwie bardziej lub mniej dokładną formę oraz skalę obiektu. Kolejne korekty odbywają się już na modelu cyfrowym. Analiza krzywizn płaszczyzn elewacji (curvature analysis) pozwoliła oszacować koszty (cena w tym przypadku uzależniona jest od promienia gięcia elementów) oraz wyeliminować potencjalnie niekorzystne miejsca z punktu widzenia ekonomiki.

Przykład z Bilbao pokazuje, że połączenie klasycznych technik projektowania z zaawansowanymi narzędziami tworzenia dokumentacji takimi jak BIM daje doskonałe rezultaty. Wzorcowa metoda opracowana przez Gehry Partnership wykorzystana została jeszcze wielokrotnie m.in. przy projektach Experience Music Project w Seattle i Walt Disney Concert Hall.

BIM i standard zintegrowanej praktyki
Zintegrowana praktyka (Integrated Practice) to standard organizacji pracy uzupełniający BIM. Obie te metody wykorzystują architekci z biura Morphosis, którym kieruje Thom Mayne, laureat Pritzker Prize z 2005 r. Modelowanie 3D dla Mayne’a to coś więcej niż tylko usprawnienie procesu projektowego. BIM, jak sam mówi, „zapewnia klientom wyższą jakość usług (better performance)”. Projekt nowego wieżowca Phare Tower w znanej paryskiej dzielnicy La Defense zdobył pierwsze miejsce w międzynarodowym konkursie, nad którym patronat objął Prezydent Nicolas Sarkozy. Inwestor i jury uznało pracę Morphosis za najbardziej zaawansowaną i wartościową.

Forma budynku i kwestie techniczne były przedmiotem negocjacji zespołu projektowego w trakcie rozwijania koncepcji aż do jej ostatecznej wersji. Spotkania zespołu składającego się z przedstawicieli projektantów i inwestora odbywały się kilka razy w tygodniu również przy wykorzystaniu wideokonferencji. Zespół spotykał się w biurach Morphosis w Santa Monica, Nowym Jorku oraz Paryżu. Scenariusz był wcześniej określony, tak by każda strona mogła odpowiednio przygotować się do rozmowy. Thom Mayne jest pod tym względem szczególnie wrażliwy „to czego potrzebuję to liczby!” deklaruje udowadniając, że kwestie ekonomiki czy eksploatacji są dla niego równie ważne jak jakość architektury i detal. Propozycje projektantów konstrukcji oraz instalacji poparte wynikami analiz konsultowane są z architektami. Każda ingerencja w formę czy skalę budynku (obniżenie wysokości) wymagała przeprowadzenia szeregu studiów bryły. „Zmiany modeli 3D wprowadzano zwykle w ciągu dnia. Drukarki 3D „drukowały” modele fizyczne nieraz po 12 godzin w nocy by rano projektanci mogli je ocenić” „Każdy nowy model poddawany był ogólnej ocenie (...) jeśli propozycja była odrzucana pojawiały się nowe i proces zaczynał się od nowa”.

Standard zintegrowanej praktyki pozwolił wspólnie wszystkim projektantom uczestniczyć w rozwoju projektu i już na etapie projektu konkursowego mieć gotowy szkic rozwiązań technicznych. W zespole kierowanym przez Thoma Mayna, mimo że to architekt ostatecznie podejmował decyzję, każdy mógł wnosić uwagi i propozycje. Kreatywność to dla Mayna kluczowy czynnik decydujący o wyborze współpracowników.


Wieżowiec Swiss Re 30 St. Mary Axe, Londyn
Fot. Patryk Andrulewicz

Modelowanie parametryczne
Modelowanie parametryczne pozwala zarządzać informacjami za pomocą reguł. Reguły określają relacje między obiektami lub punktami modelu. Architekci mogą modyfikować je seriami przy pomocy algorytmów. Iteracje to kolejne zmiany kształtu obiektów, które są następstwem takiej korekty reguł. W przypadku BIM iteracje mogą dotyczyć całej bazy danych, a więc i modelu konstrukcji, rozwiązań z zakresu fizyki budowli i ekonomiki. Każda z wersji może zostać poddana analizie, która wykaże jej słabe i mocne strony.

Dla architektów z biura Allies and Morrison ta metoda oznacza większą świadomość podejmowanych decyzji (wyniki analiz), możliwość sprawdzenia większej liczby wariantów, skrócenie czasu pracy. W projekcie biurowca 120 Moorgate w Londynie tylko jednego dnia przeprowadzono 22 iteracje formy fasady włącznie ze wszystkimi niezbędnymi analizami dotyczącymi kwestii energooszczędności, bilansu powierzchni i kubatury budynku.

Metoda projektowania parametrycznego znajduje uznanie również wśród współpracowników Normana Fostera z The Specialist Modeling Group. SMG to „oddział do zadań specjalnych”. Grupa architektów, programistów i matematyków założona w 1997 r. odpowiedzialna jest za tworzenie wirtualnych modeli i rozwiązywanie problemów projektowych w środowisku wirtualnym (symulacje i analizy). SMG posługuje się technikami modelowania parametrycznego do określania wartości optymalnych elementów konstrukcji, kształtu budynku. Szczególny udział grupa miała przy projekcie wieżowca Swiss Re 30 St Mary Axe (popularnie nazywanego The Gherkin). Charakterystyczny profil bryły ukształtowany został w oparciu o analizy przepływu wiatru. Efekt wirów powietrznych, powszechny w sąsiedztwie wysokich budynków, miał zostać zminimalizowany również przez owalny obrys kondygnacji budynku. Zalety takiego kształtu wykazały analizy aerodynamiczne. Określiły również dopuszczalną zmienną średnicy poszczególnych kondygnacji (maksymalna wartość na 16 piętrze).

Swiss Re zużywa 50% mniej energii niż budynek o podobnej kubaturze wykonany w tradycyjny sposób. Zyski energetyczne wynikają przede wszystkim z wykorzystania do wentylacji budynku naturalnej cyrkulacji powietrza. Jest to możliwe dzięki trójkątnym atriom spiralnie wijącym się wokół budynku, doskonale widocznym z zewnątrz. Ich kształt i wielkość oszacowano na podstawie komputerowych analiz. Nietypowa forma stanowiła jednak spore wyzwanie dla projektantów i wykonawców fasady – geometria podziałów przy takim profilu musiała być prosta i powtarzalna. Specjaliści z SMG wykorzystali procesy iteracyjne do zoptymalizowania geometrii fasady. Zdecydowano się na panele o formie romboidalnej, która okazała się najbardziej ekonomiczna. 99% z nich to elementy powtarzalne.

Niekonwencjonalna konstrukcja stadionu olimpijskiego w Pekinie przypominająca ptasie gniazdo jest znakiem rozpoznawczym projektu architektów z biura Herzog&DeMeuron. Projekt techniczny przygotowali inżynierowie z Ove Arup wspólnie z ekspertami Gehry Technologies. Najtrudniejsze zadanie, które postawiono przed nimi polegało na opracowaniu niewielkiej ilości typowych modułów, która po złożeniu sprawiać miała wrażenie skomplikowanej siatki. Wiedza na temat technologii wykonania miała kluczowe znaczenie (aparatura CNC). Zadanie stało się jeszcze trudniejsze, kiedy inwestor zażądał „odchudzenia” konstrukcji o 20% ze względu na rosnące ceny stali. Cały, nieregularny, na pierwszy rzut oka, układ konstrukcyjny ogranicza się jedynie do dwóch typów elementów (blachownice łączone na placu budowy w rury o przekroju prostokątnym) i dwóch typów połączeń wypracowanych przy pomocy iteracji. „Nowy typ konstrukcji stadionu w Pekinie pokazał jak ważną rolę w procesie projektowym odgrywają obecnie konstruktorzy” – podsumowuje Michel Kwok z Ove Arup. Architekci, w tym zespole ekspertów, pełnili rolę menadżerów zarządzających przepływem informacji. W realizacji podobnych projektów gdzie zespół stanowią specjaliści wielu branż BIM (w tym przypadku CATIA 3D) może odegrać decydującą rolę jako platforma wymiany informacji.

Jednym z bodaj najpiękniejszych przykładów zastosowania procesów iteracyjnych w modelowaniu parametrycznym jest szklane przekrycie British Museum w Londynie, autorstwa Foster&Partners przy ważnym udziale The Specialist Modeling Group. Delikatna siatka konstrukcji rozpościera się nad przestronnym dziedzińcem. O wytrzymałości decyduje w tym przypadku delikatny balans pomiędzy krzywizną przekrycia, a przekrojem pojedynczego modułu. „Geometria to również ekonomia” mówi Xavier DeKestelier (jeden z inżynierów SMG).

Podsumowanie
Jednym z największych wyzwań współczesnej praktyki architektonicznej jest integracja informacji (podział na specjalizacje). Integracja informacji w ramach jednej bazy danych umożliwia automatyczną identyfikację zmian i rozpoznanie ewentualnych kolizji. Taka metoda daje przewagę technologii BIM nad tradycyjną dokumentacją rysunkową. Wykorzystanie modeli 3D ogranicza czas potrzebny na żmudną interpretację rysunków 2D, pozwala rozwiązywać problemy na „wirtualnym placu budowy” w środowisku lepiej zrozumiałym dla wszystkich zaangażowanych w proces projektowy.

Szczególna cecha BIM – integracja informacji o budynku daje architektom możliwość podejmowania właściwych decyzji projektowych w oparciu o wyniki analiz i symulacji właściwości elementów budynku (termika, konstrukcja).

BIM nie determinuje wyboru konkretnej metody projektowej. Frank Gehry i The Specialist Modeling Group pracują wg własnych sprawdzonych standardów. BIM w tym procesie zapewnia dobre warunki wymiany informacji. Wybrane przykłady są tego dowodem.

Ambicją architektów jest poszukiwanie oryginalnych rozwiązań. Biura Zahy Hadid, Herzog & DeMeuron, UN Studio korzystają z doświadczenia Gehry Technologies. BIM pomaga realizować nawet najbardziej śmiałe wizje zgodnie ze słowami Thoma Mayne’a „wszystko co możesz sobie wyobrazić – możesz zrealizować”.

(mgr inż. arch. Piotr Bujak Politechnika Warszawska)

Bibliografia
BIM Handbook – A Guide to Building Information Modeling for Owners, Menagers, Designers, Engineers and Contractors – Ch. Eastman, R. Sacks, P. Teicholz, K. Liston.
Building Product Models – Ch. Eastman.
Focus on the Future – Morphosis: A Case Study in Advanced Practice – Stephen D. Dent. Perfect Buildings: The Maths of Modern Architecture – Marianne Freiberger.
AEC Magazine „Pushing The Limits in Stadium”.


CZYTAJ WIĘCEJ

Projektowanie w epoce informacji
Nowoczesne projektowanie w technologii BIM
BIM - przejściowa moda czy przyszły standard?
Budowanie zgodnie z BIM
Produkty firmy GROHE w technologii BIM

---