العمارة الرقميه والتصميم البارامتري في عصر البيم

العمارة الرقمية والتصميم البارامتري في عصر البيم

Zuhair Nassar

بقلم 

سالي محمد

https://www.facebook.com/events/358952215066631/

محاور المحاضرة :

1. ما هي العمارة الرقمية وتطبيقاتها؟
2. التعريف بالتسلسل الزمني للعمارة الرقمية وعلاقتها بتقنية نمذجة المعلومات الحديثة BIM.
3. مدخل عام للعمارة البارامترية. 
4. العمارة البارامترية وعلاقتها بتقنية نمذجة المعلومات الحديثة BIM.

المقدمة:

• أرتو أكيفينتي Artro Kiviniemi  : هو معماري من المهتمين  بالهندسة الرقمية وعمارة المستقبل، قدم رسالة الدكتوراه PhD عن”أثر الأدوات والتكنولوجيا الرقمية  (تصميم وتحليل الأبنية) في التعليم المعماري” وصاحب أكثر من كتاب عن أسس التصميم الرقمي وإستخداماته. 

• من أقواله “الكائنات التي تستطيع البقاء ليست هي الأكثر ذكاءاً وليست الأقوى، ولكن تلك التي تملك القدرة على التكيف في أي بيئة “.

• عند التفكير في أشكال العمارة البارامترية Fancy and Dynamic التي اشتهرت بها مباني زها حديد وفرانك جيري وغيرهم من المعماريين.

يتضح إقتصار العمارة البارامترية على تقنية :

– النمذجة  

– التمثيل   

-المحاكاة 

 -الإظهار  

 و ترتبط تلك الموضوعات بمصطلح معروف في العمارة بـ (CAAD) Computer Aided Architecture Design، ومنه نصل إلى التفكير الخوارزمي Computational ) (Design.

العمارة الرقمية  في الوضع الحالي يطلق عليها :

• Passive

تصميم Passive وفيه إستبدل الرسم على الورق إلى الرسم على الكمبيوتر Digital Bar مثل برنامج الأوتوكاد .

• Generative 

بعد تحول التصميم Passive إلى Generative يمكننا اقتراح بدائل للحلول و قياسها وتقييمها.

• Intuitive

أضيفت إمكانية عمل دراسات لتتجه نحو الإبتكار بإستخدام الحاسب، وذلك لا يلغي دور المعماري  بل يعتمد عليه  بشكل أساسي، حيث يعتبر برامج الحاسوب أداة  مشاركة في الإبتكار و إتخاذ قرارات تصميمية ، مثل أداء العمليات المعقدة من أسس و قواعد و خوارزميات.

إن المحاور العامة  للعمارة الرقمية لا تتجزأ من Computational Design حيث تشترك المفاهيم بينهما :

         كما هو واضح بالشكل التالي فمن الصعب أن يكون هناك محور واحد للتعريف.

• Parametric design   التصميم البارامتري.
• Algorithmic design  التصميم الخوارزمي.
• Generative design  التصميم التوليدي.

  يمكن استخدام تلك التطبيقات في أبسط التصاميم سواءاً المجوهرات أو تصميم قطع الأثاث أو المنشآت المؤقتة، حيث أصبحت التصاميم البارمترية سهلة وسريعة التنفيذ ، كما أنها تستخدم لإظهار جوانب تقنية تكنولوجية عالية في تشكيل التصميم المعماري.

وذلك لوجود أدوات وتطبيقات وفكر جديد أعطت لنا المجال للتفكير في إتجاه آخر يصل إلى مستوى البنية التحتية Infrastructure.

 جعلت تلك الأدوات التصميم لكافة الهياكل الإنشائية وخاصة الـ Skyscraper من الأشكال المربعة وغيرها من الأشكال البسيطة ، ذو مجال واسع في مباني Megastructure التي تحتاج إلى تقنيات عالية كتصميم المطارات، على سبيل المثال مطار بيجينج  لزها حديد. و إنتشرت أيضاً في مباني Urban Design and Urban Planning .

بادرت البرامج البارمترية بوضع حلول تساعد في نمذجة القواعد، حيث كان من الصعب إدخال تخطيط المدن على برامج هندسية لكثرة القواعد والمحددات. 

طبق التصميم البارامتري في تسقيف الفناء الداخلي للمتحف البريطاني للمعماري نورمان فوستر، حيث استخدمت فيها Dynamic Relaxation Algorithm وهي عملية حسابية صعب أداؤها يدوياً لأن المساحة المغطاة للسقف بلغت 6100 متر مربع ، حيث كان الهدف من تلك العملية وجود سقف بلا أعمدة. 

مثال آخر لاستخدام تلك التقنية الرقمية في واجهة مبنى المعهد العربي العالمي،  والتي كان هدفها السماح بالتحكم في الإنارة بكميات محددة وبتقنية مختلفة .  

2. محور تاني :التسلسل الرقمي .

ظهرت عملية الحوسبة في خمسينات القرن الماضي:

• عام 1950 عن طريق برنامج اقترحه بروفيسور “هنات” البرنامج PRONTO  كشكل أولي لبرنامج الأوتوكاد. 
• عام 1960 بروفسير كريستوف اليكسندر صمم برنامج Object-Orientated Programming
• ظهر الباراميترك في 1962 على يد المعماري الإيطالي “لليوجي موراتي” Luigi Moretti.
• عام 1965 بدأت طفرة نوعية عندما قام إيفان سفيرلنت  Avenue Seferlent بتطوير برنامج سكتش باد، و استخدام القلم  في عملية تصميم لأول مرة حيث يرسم خط يحدد من بداية النقطة لنهايتها (صفر, صفر).

– ظهر برنامج الأوتوكاد عام 1968 بشكله الحالي في جامعة IMT عن طريق فريق بحثي، و تطورات برنامج تساعد على التخطيط Urban عام 1970.

–  عام 1975 ظهر برنامج Generator من قبل سيردك برايس Cedric Price.

– عام 1980 ظهر الذكاء الاصطناعي وبدأ استخدام الحاسوب بشكل شخصي.

-خلال الفترة بين 1980 إلى 1990 ظهر ( Cad.Cam -3d Printing)، استخدمها فرانك جيري  وطور تلك المنظومة .

-عام  1982 أسست شركة جرافي سوفت، وبدأت في عمل نموذج Archicad، و في نهاية نفس السنة ظهر الأتوكاد عن طريق مايكل راديل  Michael Raydal  ثم اشترته شركة اتوديسك.

-عام 1985 ظهر تقنية نمذجة معلومات البناء BIM بشكله حالي .

ومن ثم ظهر برامج ArchiCAD باستخدامه بين الكاد والبيم برنامج Pro/Engineer من تأسيس شركة برامتيرك تكنولوجي. 

-عام 1995 ظهر 3D Max .

-عام 1997  ظهر  (Industry Foundation Classes  IFC 1.0) لمتخصصين في مجال البيم.

-وفي عام 2000 أول نموذج لجراسوبير ،GRASSHOPPER وفي نفس عام ظهر الريفيت من قبل شركة شارليت سوفت ويير CHARTERED SOFTWARE  وظهر في نفس العام IFC2.0 وبعدها بعامين اشترت شركة اتوديسك ريفيت. 

 – عام 2005 ظهر Smart Building في أحد الشركات المتخصصة بالبيم.

-عام2008 شهد البيم تقبل واسع حول الحكومات وبدأ استخدامه إلزامي كبرنامج أساسي على بعض المشاريع.

-عام 2011 استخدمت الصين تقنية نمذجة معلومات البناء في مشاريعها بصورة واسعة.

– عام 2013 ظهر IFC4.0.

 استخدمت الإمارات العربية المتحدة البيم.  

-وفي عام 2016  في بريطانيا أصبح إلزامي استخدمه في مشاريع من ميزانية محددة 5 مليون وما فوق وظهور مجله و شركة بيم اربيا في الوطن عربي  في عام  2015.

محور التالت :العمارة والتصميم الرقمي لمحة من التطبيقات الحالية :

 عملية تصميم وتنفيذ Digital Fabrication

مثل مبنى Metropol Parasol في اسبانيا : 

Digital Fabrication منتشرة بطريقة واسعة من Pavilion إلى منشآت صغيرة.

1. :3D Printing جايك هاول هو رائد هذه الفكرة، والتي ظهرت في السبعينيات وبدأت تتطور وتنتقل من مباني صغيرة الحجم إلى بناء المنازل على مساحات كبيرة ، و لا تقتصر على الحوائط فقط بل أصبح يدرس استخدامها كأعمدة انشائية، ولم تعد شكل جمالي فقط بل تتبع التحليل الوظيفي الإنشائي وهذا ينقلنا لتقنية الذكاء الاصطناعي و 3D Printing مثال : Steel Bridge  In Amsterdam عن طريق الروبوت في التصميم والتحليل والتنفيذ.

2. 4D Printer  في مستقبل قريب أو بعيد سيكون لها تطبيقات واسعة في الإنشاء والعمارة.

3. الإنسان الآلي :  في عملية البناء استخدمها حالياً ليس واسعاً ولكن في المستقبل خلال عشر سنوات سيكون استخدامها في عمليات الإنشاء واسع،  لأنها تساعد على تنفيذ المباني ذات تقنيات عالية على الحرفيين والمصممين.

4. Augmented Reality and Virtual Reality) AR & VR) تطبيقات تكميلية لإظهار مشروع والدعاية للمشروع ومساعدة العميل على فهم وإعطاء رأيه بصورة أوضح.

في الوقت الحالي أصبحت تطبيقات تقنية نمذجة المعلومات مختلفة ومتطورة:

• (Ai or Machine Learning) يعتقد البعض  خلال السنوات القادمة في 2050 استبدال الـ Ai  كثير من التخصصات منهم 90% من المعماريين  “

 يعتقد أن تلك الدراسة  قاسية كحدث، ولذلك سنحتاج لتغيير شكل وعمليات التصميم التي نتبعها في الوقت الحالي وعلينا مواكبة التطور الآن. فالعمارة ليست علم قائم بذاته بل هو علم يتعلق بعلوم أخرى والعلوم الأخرى في تطور مستمر. 

• كيفية  استخدام الذكاء الاصطناعي لدعم القرارات التصميمية  في الشكل أو الوظيفة أو استهلاك الطاقة واستخدامها في تقييم أداء المبانى الحراري، وبدأت دراسات حديثة  حول الاستفادة بالذكاء الاصطناعي في هذا المجال.حيث يمكن للمصمم وضع الخطوط العامة التي على أساسها تقام الحسابات الوظيفية التقنية لدعم قرارات التصميمية وإعطاء بدائل وحلول.

• ننتقل إلى (Internet Of Thing IOT) نتوقع استخدام الأجهزة الذكية التي تؤثر على المباني مثل المسكن الذكي والمدينة الذكية وربط IOT بـBig  Data  5G 

5.  بدأ النقاش في السنوات الماضية حول سلسلة الكتب أو Blockchain كفكرة معروفة عن العملية الرقمية  (BITCOIN) و تطبيقاتها على مستوى العالم  كفكرة Big Data ،  وفيها ترتبط الفعاليات  بين كافة القطاعات مثل المعماري والتنفيذي والإنشائي للتواصل بين القطاعات وبعضها  للحصول على الموافقات التصميمة عن بعد والاستمرار في عملية التصميم وهذا يرتبط بـ Industry 4.0،  والتي سوف يتم تطبيقها بصورة واسعة عند الانتقال من مرحلة BIM Level 2 To BIM Level 3.

حيث وصلنا إلى تعريف واضح عن التصميم البارامتري: هو جزء من عناصر الـ Computational Design 

عرفها وسيم جابي : عملية التصميم المعتمدة على التفكير الخوارزمي الذي يمكننا من التعديل على المدخلات أو القواعد التي تعمل معاً على تعريف وتحديد المعلومات في التصميم. 

-التفكير الخوارزمي هو استراتيجية لحل مشاكل و مسائل والفعاليات اليومية، وهو تعريف للخطوات التي يحتاجها لحل المشكلة .

مثال1  : 

مثال 2: حول  تصميم بارامتري: هو يختص بعملية إيجاد العلاقات بين أجزاء المشروع  فعند تصميم المباني ورسمها بالكاد أو ماكس يتم تحديد ارتفاع السقف وتعديله و تعدي ارتفاع الحوائط أيضأً، بينما في تصميم البارامتري يتم التعديل بصورة تلقائية عند تغير معطيات  وينطبق ذلك أيضاً على تغيير المساحات والأبعاد والتي تعتمد على معطيات ومدخلات متغيرة .   

مثال 3: يمكننا عند تصميم المبنى السكني إعطاء  قواعد وروابط وخوارزميات معينة وربطها ببعض بدون إعطاء أبعاد الغرف والفرش، و سوف تظهر الحلول والبدائل المختلفة ، ويبقى المصمم صاحب القرار المناسب. 

تطبيقات التصميم البارامتري:

أحد أقدم التصاميم  البارمترية هي كنيسة سيجرادا فاميليا. واستخدام الناتج البارامتري بصورة يدوية و كانت كل عناصر مختلفة لا يوجد شيء يماثل الآخر. 

 والتطبيق الآخر هو الأداء :Adaptive Skin Parametric Design هو يعتمد على أداء المبنى الحراري وتحليل المبنى من حيث استهلاك الطاقة والإنارة و تحليل الصوت.

أمثلة التصميم البارامتري المنفذة :

1.  Shanghai Tower:  وهو ثاني أعلى بناء، اعتمد واستخدم جراسوبير في تصميم المبنى لتقليل أثر الرياح، فكلما زاد ارتفاع المبنى خاصة بعد 230متر تصبح الرياح أقوى.  واعتمدوا على مدخلين الـ Scale & Rotation ، وكانت تقليل مساحة السطح من أفضل الاقتراحات لتقليل أثر الرياح على المبنى. 

2.  مبنى Beijing Olympic Stadium : وهو مبنى عش الطائر وهو تصميم عشوائي من النظرة الأولى ولكن هو تصميم باراميتريك  لتقليل استخدام  أكبر كمية من الحديد لأن الحديد  مخصوص من بعض مواد الكبريت. 

3.  أثناء تصميم مركز بكين المائي الوطني Beijing National Aquatics Center تم استخدام معادلة Voronoi في تصميم الهيكل الإنشائي، ويعتبر أفضل شكل إنشائي لهذه المنشآت.

الهدف من تصميم البارامتري هو ليس إنتاج شكل جميل بل كان لسبب تصميم إنشائي مختلف ومتطور، كما تحدثنا عنه في مرحلة التصميم.

 أدوات متخصصة في التصميم البارامتري هي : 

Grasshopper For Graphisoft & Dynamo For Revit  

المحور الرابع : التصميم البارامتري والبيم :

•  التصميم البارامتري :  يرتبط في قواعد التحكم في علاقات الهندسية داخل مورفولوجيا الشكل .
• البيم :هو التمثيل الرقمي للخصائص المادية والوظيفية للمبنى سواءاً على مستوى الإنشاء أو تسقيف أو الواجهات المعمارية.

1.   كلما أخذت عملية التصميم فكر وجهد أكبر يتم الوصول إلى أعلى استفادة من تقنية البيم.                                 

2 .  التصميم البارامتري  يحتاج إلى أعلى جهد في البداية نتيجة Computational Design ويقل المجهود عن مرحلة التنفيذ.

 3. مخطط ماكليني خاص بالمعهد الأمريكي الذي يوضح أن العلاقة موازية مع تغير في التصميم بأقل تكلفة. 

التصميم البارامتري المعتمد على البيم:

• ما هو النموذج؟ :” هو تبسيط لحقيقة معينة  لهدف ما “. 

• النمذجة البارمترية :

هي إنشاء نموذج رقمي قائم على سلسلة من القواعد أو الخوارزميات المبرمجة معرفة بإسم المعلمات ، يمكنا تحديد العلاقات وطبيعتها ونترك حسابات معقدة للحاسب بعد معرفة  ما نريد وما هي مدخلاتها.

•   من حيث المبنى المتكامل فإن التصميم البارامتري يعتمد على  مدخلات وعلاقات وخوارزميات وصيغ ويقابلها البيم، حيث يعتمد على العلوم الهندسة المختلفة والمتعلقة بهيكلية المبني على مستوى واجهة وعناصر المبنى، التي يتقنها منهجية التصميم البارامتري معتمد على نقطة وخط و سطح مؤهل للتنفيذ في أي من مجالات التصميم. 

برامج النمذجة البارامترية :

• النمذجة الترابطية. 
• النمذجة الإجرائية.
• نمذجة تدفق البيانات.
• نمذجة المكونات. 

تعتمد النمذجة على أربعة محاور وهي  :- 

• No Iteration) SketchUp) لا يوجد ابتكارات.
• Multi Operation Iteration) Grasshopper) التكرارات والاختيارات المتعددة التي يمكن قياسها وتعديلها للرجوع إليها.
• Single Operation Iteration) Archicad,Revit) تعديل واحد متكرر بدون خيارات أخرى. 
• Dad Levels) Digital Architecture Design Level) تقسيم شخصي.

ساعد Dad Levels بشكل كبير على سهولة تقسيم مستويات البيم في الريفيت :

• Level 0 Cad Low Collaboration.
• Level1 2D,3D Partial.
• Level4 4D,5D Full.
• Level3 6D Full Integrations.

برامج تدمج التصميم البارامتري مع البيم Bridging Gaps Between Parametric Design and: BIM:

• Geometry Gym
• Anar+
• Chameleon
• Dynamo
• Grasshopper 

من أفضل البرامج هي الجراسوبير والدينامو.

الاستنتاجات:

 الكتب والمصادر :

1.Theories of the digital in architecture by riveca oxman and Robert oxman.

2.Contemporary digital architecture design and techniques.

3.When is the digital in architecture.

4. Digital architecture now by neil spiller.

الرؤية المستقبلية للمحاضر:

‘ إن أسهل طريقة للوصول من النقطة أ إلى ب هي وجه واحدة ولكن متعددة الطرق ومع تطور الطرق والأماكن وظروف المكان التي تؤدي إلى استخدام  تقنيات عالية.’

‘ يجب أن يحدد المعماري متى يمكن أن تستخدم التكنولوجيا؟ وكيف يمارسها ولكن يظل القلم هو أفضل وسيلة للتصميم. ‘

‘يرى طبيعة المهندسين في زمن التكنولوجيا وتقنيات العالية يمكنهم التأقلم والتغيير ولكن نحن نفتقد إلى الشجاعة و التغيير.’

-المصادر 

http://www.graphsoft.com/rhino-grasshopper