Open systems: nuovi scenari parametrici. Open systems: approaching novel parametric domains

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1 Open systems: approaching novel parametric domains Some of the most relevant shifts in contemporary architectural discourse and practice are intrinsically connected with evolution in computation techniques and software development. The novelty in architectural design brought forward by new computational tools is often related to software packages or digital techniques developed in other design fields. Innovations in computational as well as manufacturing processes, in fact, experimented and developed by naval, aero, automotive and products industries have represented seminal undertakings for innovation in the construction industry and, moreover, for experimentation in architectural practice. The introduction of parametric software packages in the world of architecture and structural engineering, despite being a fairly new paradigm, is already redefining the discipline from within. Open systems: nuovi scenari parametrici Alcune delle piu rilevanti innovazioni nel panorama architettonico contemporaneo sono senza dubbio intrisecamente connesse con l evoluzione delle tecniche di computazione e lo sviluppo di originali software packages. La novita portata dai nuovi strumenti digitali all interno del design architettonico contemporaneo e, infatti, connessa a specifiche tecniche di computazione e, in particolare, all utilizzo di programmi originariamente sviluppati all interno di altri campi disciplinari per assolvere a finalita spesso distanti da quelle del design d architettura. Il progresso nell industria dei sofware 3dimensionali assieme alle nuove tecniche di fabbricazione sperimentate e sviluppate inizialmente nell industria aeronavale, automobilistica e in quella del product design hanno, infatti, rappresentato un contributo seminale per innovare l industria delle costruzioni e, nello specifico, la ricerca architettonica. L introduzione di software parametrici nel mondo dell architettura e dell ingegneria strutturale, pur rappresentando una recente e, per molti versi, nuova risorsa progettuale, sta gia ridefinendo nel profondo la disciplina architettonica e il suo modus operandi.. Marco Vanucci Marco Vanucci [AA Dipl, RIBA II], Architetto e ricercatore di base a Londra. Nel 2007 fonda OPEN- SYSTEMS ( studio di ricerca in architettonica e design che esplora l interazione interdisciplinare emergente tra architettura, ingegneria, biologia e computazione. Ha lavorato per Zaha Hadid Architects collaborando su vari progetti, tra cui il London Aquatic Centre per le Olimpiadi Al momento collabora con Adams Kara Taylor (AKT) sviluppando la sua ricerca personale per i sistemi organizzativi non lineari, geometrie complesse e nuovi materiali, nel tentativo di coniugare architettura e ingegneria strutturale. La sua ricerca si basa su di una visione della pratica legata all architettura come ingegnerizzazione di una organizzazione materiale ed è diretta a sviluppare un approccio progettuale integrale e coerente, all intersezione tra architettura, ingegneria e computazione, finalizzata al conseguimento di sistemi generativi e performativi.

2 OPEN SYSTEMS: APPROACHING NOVEL PARAMETRIC DOMAINS Marco Vanucci Traditional CAD products create lines, arcs, circles and a great variety of geometrical objects; making design changes to a given geometry requires changing all appropriate components in order to make the drawing correct. A new generation of parametric design systems establishes models defined by a collection of constrained relationship between objects. In other words it allows setting up parametric geometrical arrangements capable to build anticipated variations between objects. To better understand what is a parametric set up let s imagine, for instance, two circles whom centers are connected by a line. The length of the line is, at a time, the sum of the radiuses of the two circles. In a parametric model, varying one of the radiuses affects the length of the line and the mutual dimension of the two circles along that line. A parameter thus is a variable to which other variables are related by means of parametric equations: design modification and creation of a family of component parts can be performed efficiently by setting up reconfigurable smart models capturing the underlying logic of the design. The instrumentation of parametric setups into architectural practice is starting to shift the role of the architect in the design processes: from the design of specific shapes to the determination of those geometrical / algorithmic relationships describing the project and its components. The design shifts from drawing surfaces to setting up rules of interdependency - genotypes - leading to potential differentiation phenotypes

3 saggi concerning different approaches, some limitations and novel developing scenarios. PART TO WHOLE RELATIONSHIP Architecture is ultimately characterized by the need for a coherent design logic between different elements forming a whole constituted by an interiority and an exteriority; quality and meaning are achieved through the rigorous determination of all those elements contributing to the interfacing between the different components and the building in its entirety: facades, detailing, proportions, symmetry, modularity just to name a few. Thus, parametric design is important for that: the possibility to establish intricate system of relations between different objects and their properties fusing the hierarchy between parts and whole. 1. Branching structure proliferation. The novelty represented by parametric tools in architectural culture hasn t found architects unprepared to conceptually understand its potential for contemporary practice: the responsiveness by which architects and advanced design firms gathered the resources of associative design has triggered a fast implementation of parametric tools in the software industry as well as an increasing curiosity to apply its potential in contemporary architectural design. Nevertheless, despite the receptivity of some of the most interesting cutting-edge architectural practices, it is possible to trace certain tendencies So far experimental architects have just jumped from top-down determination of parts to bottomup determination of wholes. Greg Lynn 2 What Lynn points out is the delay by which architects have employed parametric design in the development of bottom-up approaches where the determination of components has been prioritized over the design of the whole. Lynn is probably referring to the 44 EdA 3/ Info-architecture. L architettura performativa dell età dell informazione

4 open systems: approaching novel parametric domains great production of component-based design or the often acritical - recent proliferation of pattern-architecture. This approach, though, has just represented an extreme case. Nevertheless, reshaping the traditional dichotomy between the building and its parts, new digital parametric tools still leave behind some unexpressed potential for contemporary architecture, particularly in relation to the possibility to define highly modulated wholes together with the determination of differentiated non-standard components. PROBLEM-SOLVING APPROACH In contemporary construction industry, instead, parametric softwares are often employed in design processes of rationalization and post-rationalization where, given a certain project, the answer to specific problems is required to actualize the desired shape [problem-solving approach]. In this case the potential of computational tools is utilized for its higher degree of precision and speed to deliver tailored ad hoc solutions: the parametric modeling is driven by the need to engineer rational solutions in order to fulfill structural, geometrical or fabrication requirements. In this case, in fact, the potentials for a generative approach 2. Organizational systems diagram. Marco Vanucci 45

5 saggi 3. Rapid Prototype Model: stereolithography. are set apart in favour of more pragmatic strategies. Traditional program packages can initially develop quick and precise 3d models; at the same time any occurring change would imply rebuilding the model over and over again until a fixed determination of the design and all its aspects. This is where parametric models come into place. The paradigmatic innovation of parametric design originates from its modus operandi: the intrinsic resilience to free-form sketching exercise of Digital Project, in fact, requires a sharper understanding of complex geometry and induces the designer to think through the system logic before even starting to draw a line 3. In this sense it is projecting desirable perspectives where architectural design is generated from a set of rules and the interdependent relationships between parts governing the manifold aspects of the design. The advent of parameterization increases the complexity of the design task in relation to the necessity to build up not only the model to be designed but also the conceptual structure that guides the parametric variations. 4 Parametric design, on the contrary, despite the more complex and, to a degree, time consuming developmental logic, offers greater advantages: from accommodating unpredictable changes happening during the design process to extracting precise data for structural analysis or fabricators. From a design point of view it is possible to imagine the advent of design methods based on codified geometrical operations proliferating and interacting to achieve a higher level of complex order: the development of a specific design vocabulary based on parametrically codified instances prefigures a fully integrated design approach where complexity and differentiation emerge from the set-up of coherent and controlled operations. In this sort of scenario the role of the architect and that of the engineer is contiguous and inform each other in a truly cooperative and generative holistic design process. OPEN SYSTEM: BRANCHING STRUCTURES A second approach towards parametric design is represented by the attempt to build up a deeper understanding of structural systems as multiperformative design set-ups. Moving away from the homogeneous standardization of the Modern paradigm, this research, through the generative use of parametric tools, is seeking to investigate open systems as multi-performing, differentiated organizational systems. In line with the experimentation on branching structures developed by Frei Otto, the research 46 EdA 3/ Info-architecture. L architettura performativa dell età dell informazione

6 open systems: approaching novel parametric domains 4. Branching used as organizational system to configure catenary arches generating voulted structural surfaces. unfolds through a series of exercises aiming to open up a generative approach to parametric design: specificity is achieved through iterative differentiation, adaptation through redundancy, robustness through structural-geometric interdependency. Understanding architectural design as a process of formation leads to the exploration of a pre-material state of a given systems: namely, the state prior to the crystallization into a specific design form is explored. In this way, open systems act as virtual machines prior to the actualization into a given design scenario. Methodologically, different paths are followed in an attempt to open up potentials for inclusive performance: Organizational logic: branching is explored as an organizational system. Different network topologies are analyzed and compared. Geometrical logic: the geometrical logic of branching is created and developed through parametric tools: Digital project is employed to generate the geometrical structure; in addition differentiation is achieved by the instrumentalization of the defining principle: angle between branches, number of branches, length, displacement of the nodes in space An intricate matrix is then emerging from the proliferation of differentiated geometrical operation. Structural logic: the structure and the stability of the various configurations is analyzed through finite element analysis software [FEA]. Thus running structural analysis necessitates specifying a range of parameters to set up likely structural scenarios. Running structural tests on differentiated geometrical arrangements is possible to detect certain general behavioral patterns happening during the process of extracting precise data for structural analysis or fabrication The possibility to establish interdependent relationships between different system logics contributes to the redefinition of common fitness criteria: each system logic, instead of responding to a specific optimized scenario, informs each other towards a multi parametric performing whole. Geometrical arrangements, spatial affects, structural performance and organizational logic contribute to the formation of the system and its performance-based logic. The development of such a research shifts the architectural paradigm from a problem-solving to a problem-caring approach where the employment of integral design logics contributes to the coherent definition of novel design methodologies. NOTE 1 Patrick Schumacher - Interview AJ Greg Lynn - AD Programming cultures, Wiley Academy, Patrick Schumacher - Interview AJ Robert Aish, Robert Woodbury - Multilevel interaction in parametric design, Smart Geometry Group. Marco Vanucci 47

7 saggi OPEN SYSTEMS: NUOVI SCENARI PARAMETRICI Alcune delle piu rilevanti innovazioni nel panorama architettonico contemporaneo sono senza dubbio intrisecamente connesse con l evoluzione delle tecniche di computazione e lo sviluppo di originali software packages. La novita portata dai nuovi strumenti digitali all interno del design architettonico contemporaneo e, infatti, connessa a specifiche tecniche di computazione e, in particolare, all utilizzo di programmi originariamente sviluppati all interno di altri campi disciplinari per assolvere a finalita spesso distanti da quelle del design d architettura. Il progresso nell industria dei sofware 3dimensionali assieme alle nuove tecniche di fabbricazione sperimentate e sviluppate inizialmente nell industria aeronavale, automobilistica e in quella del product design hanno, infatti, rappresentato un contributo seminale per innovare l industria delle costruzioni e, nello specifico, la ricerca architettonica. L introduzione di software parametrici nel mondo dell architettura e dell ingegneria strutturale, pur rappresentando una recente e, per molti versi, nuova risorsa progettuale, sta gia ridefinendo nel profondo la disciplina architettonica e il suo modus operandi. I tradizionali prodotti CAD creavano line, archi, cerchi e una grande varieta di oggetti geometrici in cui ogni possibilita di operare alterazioni o modifiche era subordinata alla necessita di alterare individualmente ogni singolo oggetto o di ridisegnare del tutto il modello. Al contrario, lo sviluppo si una nuova generazione di softaware parametrici ha reso possible l introduzione di tecniche di modellazione che definiscono una serie di relazioni e di vincoli tra gli oggetti disegnati in grado di accomodare variazioni e predire legami di interdipendenza tra gli oggetti. Immaginiamo, ad esempio, due cerchi i cui centri siano connessi da una retta la cui ampiezza è la somma dei raggi delle due circonferenze; in un modello parametrico al variare di uno dei raggi si modifica la lunghezza della retta e la mutua dimensione delle due circonferenze. Un parametro È una variabile a cui altre variabili sono relazionate attraverso equazioni parametriche: le modificazioni progettuali o la creazione di famiglie di components possono essere realizzate efficientemente attraverso il set up di modelli intelligenti in grado di interpretare la logica che sottende il progetto e la relazione fra le diverse parti che lo compongono. L utilizzazione di queste tecniche all interno della disciplina architettonica sta iniziando a ridefinire la figura del progettista e il ruolo che esso riveste nel processo della progettazione architettonica: dalla progettazione delle forme alla determinazione di quelle relazioni geometrico-algoritmiche che descrivono il progetto e I suoi vari componenti. Le novita che cio comporta per il design architettonico non sono prive di conseguenze: dal disegno e la modellazione di single superfici alla determinazione, appunto, di quelle regole di interdipendenza genotipi in grado di produrre potenziali elementi di differenziazione fenotipi 1. Da un punto di vista teorico e culturale gli architetti non si sono fatti cogliere impreparati da un tale cambio paradigmatico. La responsivita con cui l accademia, prima, e alcune tra le piu interessanti ed emergenti firme del panorama architettonico contemporaneo, poi, hanno colto le risorse dell associative design ha contribuito a implementare una crescente curiosita attorno a metodologie parametriche e algoritmiche per il design architettonico. Proviamo ad individuare alcune delle tendenze in atto nell odierno panorama disciplinare: interessanti approcci progettuali, alcune limitazioni e lo sviluppo di nuove metodologie legate alla progettazione parametrica. RELAZIONE PART TO WHOLE L architettura È ultimamente caratterizzata dal bisogno di una coerente logica progettuale tra elementi differenti che formano un insieme costituito da un interno ed un esterno. La qualita e il significato sono raggiunti attraverso una rigorosa deteminazione di tutti quegli elementi che contribuiscono a creare un interfaccia tra I diversi componenti e l edificio nel suo insieme: facciate, dettagli costruttivi, proporzioni, simmetria, modularita, solo per nominarne alcuni. Il design parametrico e, dunque, importante per la capacita di stabilire complessi sistemi di relazioni tra oggetti e tra le loro proprieta (geometriche, logistiche..) contribuendo a fondere la gerarchia tra le varie parti e il tutto. So far experimental architects have just jumped from top-down determination of parts to bottom-up determination of wholes. Greg Lynn 2 Greg Lynn sottolinea il ritardo accumulato a causa dell uso di strumenti parametrici per sviluppare approcci progettuali bottom-up dove la determinazione dei componenti ha avuto la priorita sulla progettazione dell insieme archiettonico. Lynn fa probabilmente riferimento alla grande proliferazione, a cui negli ultimi tempi abbiamo assistito, di architetture basate sulla proliferazione spesso acritica di pattern o components. Questo approccio, ovviamente, non ha fatto altro che rappresentare un caso estremo. Gli strumenti parametrici, tuttavia, contribuendo a riformulare la vecchia dicotomia tra l edifico e le sue parti, aprono le porte ad inespresse potenzialita per la progettazione di una architettura in cui sia possibile definire edifici altamente modulati o geometricamente complessi che, al contempo, presentino un design dei suoi componenti sofisticato e non-standard. APPROCCI PROBLEM-SOLVING In altri casi, al contrario, I software parametrici sono spesso impiegati in processi di razionalizzazione o post-razionalizzazione dove, data un certa forma architettonica, È necessario fornire risposte specifiche a problemi legati alla realizzazione. Questo approccio di natura pragmatica È finalizzato alla soluzione di problemi ben circonstanziati [problem-solving approach]. Le potenzialita degli strumenti parametrici o, talvolta, dello scripting sono utilizzate per la loro capacita di fornire un piu alto livello di precisione e velocita in relazione a problemi che richiedono soluzioni ad hoc. La modellazione e, dunque, guidata dalla necessita di progettare soluzioni razionali in grado,spesso, di integrare performance strutturali, geometriche e logiche di fabbricazione mantenendo intatte, ad un tempo, le intenzioni espressive e architettoniche del progetto. La natura mutevole del processo di progettazione richiede, infatti, strumenti capaci di adattare il modello digitale ai mutamenti e alle varie scelte progettuali. Tra le altre cose, È possibile innescare processi iterativi in cui alle modificazione parametriche si affianca la verifica strutturale quasi in real time dei software di analisi. In questo caso, dunque, le opportunita di sviluppare approcci generativi sono messe da parte in favore di strategie pragmatiche di realizzazione del progetto. 48 EdA 3/ Info-architecture. L architettura performativa dell età dell informazione

8 open systems: approaching novel parametric domains Cio che il design parametrico introduce nel progetto d architettura ha origine nel suo modus operandi: l intrinseca resilienza ad una modellazione intuitiva e free-form di software come Catia Digital Project, per esempio, richiede una piu acuta conoscenza della geometria ed induce il progettista a pensare attraverso la logica del sistema prima ancora di disegnare una linea 3 In questo modo È possible immaginare prospettive in cui il progetto architettonico È generato da una serie di regole e relazioni di interdipendenza tra parti che governano I multiformi aspetti del progetto. L avvento della parametrizzazione accresce la complessita delle operazione di progettazione in relazione alla necessita di costruire non solo una forma desiderata ma anche la struttura concettuale in grado di guidare le variazioni parametriche 4. Dal punto di vista del design È possible immaginare scenari in cui metodi progettuali basati su operazioni geometriche codificate possano interagire e proliferare spianando la strada a piu elevati livelli di complessita : lo sviluppo di un vocabolario progettuale basato, infatti, su istanze codificate parametricamente prefigura un metodo integrato dove la complessita e la differenziazione È in grado di emergere dalla messa a punto di un sistema coerente di operazioni. OPEN SYSTEM: BRANCHING STRUCTURES Un uso generativo di strumenti parametrici e algoritmici puo emergere attraverso uno studio che, prendendo le distanze dalla standardizzazione del Moderno, propone l investigazione di differenziati e multiperformativi open systems. In linea con gli esperimenti sulle strutture ad albero di Frei Otto, la ricerca si sviluppa attraverso una serie di esercizi finalizzati a dischiudere un nuovo approccio parametrico: la specificita dei componenti È raggiunta attraverso processi iterativi di differenziazione; l adattabilita attraverso la rindondanza degli elementi; la robustezza attraverso un interdipendenza geometrico-strutturale. Intendere il design d architettura come un processo morphogenetico conduce all esplorazione dello stato pre-materiale di un dato sistema; quello stato precedente alla cristallizazione in una specifica forma progettuale. In questo modo un open system agisce come macchine virtuale antecedente all attualizzazione di uno specifico scenario progettuale. Metodologicamente vengono seguiti diversi percorsi nel tentativo di aprire multiple possibilita performative. Logica organizzativa: il Branching È esplorato come sistema organizzativo. Differenti tipologie di network systems sono analizzati e comparati. Logica geometrica: la geometria del branching È sviluppata attraverso strumenti parametrici: Catia È in questo caso utilizzato per stabilire un controllo sul numero delle ramificazioni e gli angoli che di volta in volta essi prendono. Grazie a queste variabili parametriche viene formulata una matrice di configurazioni con differenti proprieta geometriche. Logica strutturale: la struttura e la stabilita delle varie configurazioni sono analizzate attraverso software di analisi degli elementi finiti (FEA). L analisi strutturale richieda l inserimento del modello in uno specifico scenario di carichi. Studiando i test strutturali di una serie di istanze o configurazioni geometriche È possibile individuare pattern di comportamento strutturale all innterno del sistema. Stabilire relazioni di interdipendenza tra le parti e il tutto e tra le diverse logiche del sistema contribuisce, in sintesi, alla ridefinizione di quei fitness criteria (criteri di idoneita ) del progetto d architettura: le varie logiche, invece che rispondere a specifici scenari ottimizzati, si informano vicendevolmente verso la definzione di un tutto parametricamente controllato e multiperformante. Configurazione geometrica, effetti spaziali, performance strutturale e logiche organizzative contribuiscono, in questo senso, alla formazione del sistema e la sua logica performativa. Lo sviluppo di questa linea di ricerca sposta il paradigma architettonico da un approccio problem-solving ad uno problem-caring dove logiche progettuali integrali costituiscono una coerente esplorazione di nuove metologie progettuali. NOTE 1 Patrick Schumacher - Interview AJ Greg Lynn - AD Programming cultures, Wiley Academy, Patrik Schumacher - Architectural Journal , Robert Aish, Robert Woodbury - Multi-level interaction in parametric design, Smart Geometry Group. Marco Vanucci 49