Вычислительный дизайн

В современном проектировании архитекторы используют вычислительные методы и технологии на постоянной основе: проектируют в средах CAD и BIM, моделируют на CPU и рендерят на GPU — чипах, предназначенных для множества быстрых вычислений. Несмотря на это, в строгом смысле далеко не любой процесс проектирования — это вычислительный дизайн. 

Для вычислительного дизайна важно не только наличие вычислений — технологии и алгоритмы должны являться соавторами конечного продукта, а не только инструментом. В традиционном BIM и CAD проектировании компьютер не является соучастником дизайна — это всего лишь среда, в которой мы сами вручную выстраиваем процесс проектирования и определяем конечный результат.

Вычислительный дизайн — это достаточно молодая дисциплина: она появилась, когда компьютер стал инструментом творчества. Подробно становление этого симбиоза разбирает Алви Рей Смит в книге «Биография пикселя». В контексте архитектуры связку дизайна и вычислений первый раз упомянул Уильям Митчел в книге «Логика архитектуры: дизайн, вычисления и познание». 

Вычислительный дизайн существует на стыке архитектуры и программирования, поэтому на его развитие влияют тренды в обеих областях. В конце 1990–2000 Грег Линн, Заха Хадид и Патрик Шумахер, Emergence and Design Group, Ахим Менгес и другие стали активно использовать симуляции и биологические процессы как основу проектирования. Расшифровка генома человека и развитие роботики зародили тренд Life Sciences в науке и программировании, что легло в основу исследований Нери Оксман и архитектурных лабораторий многих университетов. Вычислительный дизайн существует на всех масштабах: от нанороботов конструкторов молекул до урбанистических решений Манхэттена. 

Сейчас самым популярным инструментом или трендом являются LLM, большие языковые модели — это тип искусственного интеллекта, который хорошо обрабатывает, понимает и генерирует человеческий язык и используется для анализа и создания контента (например, Chat GPT). Почти все студии, которые занимаются вычислительным дизайном, используют или развивают искусственный интеллект.

В индустрии мы часто слышим множество определений: алгоритмический дизайн, параметрика, бионика и биомимикрия, генеративный и итеративный дизайн. Все это — подвиды вычислительного дизайна. Чаще всего эти термины используются как синонимы, хотя между ними есть значительные различия. 

В параметрическом дизайне проект строится на параметрах: переменных, задающих связи и ограничения внутри модели. Форму и свойства объекта можно управляемо менять через вводимые значения. Но параметрический дизайн — отчасти расплывчатый термин. Его сформулировал и популяризовал Патрик Шумахер как часть манифеста нового стиля, связанного с архитектурой Захи Хадид1. Если понимать под термином параметрика определенный стиль проектов, важно помнить, что многие из них создаются конвенционально, без использования методов вычислительного дизайна. 

В основе итеративного дизайна лежит поиск оптимальных значений для набора параметров: например, идеального расположения здания на участке для оптимизации инсоляции или ветровой нагрузки. Циклические алгоритмы перебирают множество опций, чтобы определить идеальный вариант.

Алгоритмический дизайн — это подход, при котором дизайнер сам формулирует правила и описывает их в коде, по которому создается проект. С помощью этого подхода можно пошагово запрограммировать логику создания формы. Результат строго определяется созданным алгоритмом: одинаковые входные данные дадут идентичный результат. 

Более развитый алгоритмический подход — это генеративный дизайн. В таком подходе используется несколько алгоритмов: они взаимодействуют между собой, чтобы не просто создать форму, а сгенерировать множество вариантов на основе заданных целей, ограничений и параметров. Система создает тысячи версий, оценивает их по заданным критериям и отбирает лучшие, предлагая разные решения. Это наиболее непредсказуемый и автономный процесс — в работу часто включен искусственный интеллект, чтобы находить нестандартные решения.

Бионика и биомимикрия — это подвид генеративного дизайна, который фокусируется на принципах работы природных систем. В основе проектирования лежат алгоритмические методы, которые описывают не визуальные формы природы, а биологические процессы. Один из самых известных примеров — лаборатория ICD в Штутгарте под руководством Ахима Менгеса.

Во многих мировых архитектурных сообществах вычислительный дизайн до сих пор крепко связан с эстетикой проектов Захи Хадид. К сожалению, интерес к вычислительным инструментам часто приравнивается к определенному стилистическому направлению. Это ошибочное представление — вычислительный дизайн универсален, у него нет собственной эстетики. 

Эстетическое клеймо закрепляется и другими повторяющимися образами, которые уже потеряли свою ценность. Базовые инструменты вычислительного дизайна позволяют легко создавать объекты, которые сложно создать традиционными методами, и начинающие архитекторы часто используют классические образы: параметрические скамейки, рандомную панелизацию, сетку Вороного. В этом нет ничего плохого — это важный этап обучения, но вдумчивые проекты с использованием новых методов помогут вывести вычислительный дизайн на новый уровень.

На практике вычислительный дизайн применяется в архитектуре по-разному — в зависимости от задач и специализации бюро. Условно можно выделить два подхода:

В этом сценарии процесс проектирования сохраняет классическую структуру, а инструментарий команды дополняется новыми технологиями. Например, с помощью вычислительного дизайна бюро оптимизирует работу над созданием планировок и фасадных решений, соблюдением норм инсоляции, инженерными расчетами, анализом стоимости и автоматизации рабочей документации и моделирования. 

Вычислительные технологии помогают сделать финальный продукт более эффективным и качественным — помогают наладить связность обмена информацией, автоматизируют и ускоряют рутинные и однообразные этапы работы. Этот подход практикуют многие крупные архитектурные студии: он особенно полезен для работы с масштабными проектами. 

В этом случае вычислительный дизайн становится основой методологии, и технологии включаются в пайплайн проектирования комплексно. Генеративные методы используются как основной инструмент бюро, и путь от эскиза к реализации может стать полностью генеративным: архитектор будет работать не над конечным результатом, а логикой и правилами, которые его сформируют. 

Это более рискованное и экспериментальное направление чаще выбирают небольшие студии: например, Greg Lynn FORM, ICD Stuttgart, OXMAN Studios. Чаще всего такие бюро специализируются на проектах, где требуется высокая степень гибкости и инновационности: от павильонов и малых архитектурных форм до цифровых инсталляций и «отзывчивых» сред (responsive environments).

Вычислительный дизайн — это все еще нишевое направление. В мире совсем немного больших коммерческих студий, которые практикуют исключительно вычислительные методы, но отделы вычислительного дизайна есть во многих крупных архитектурных и инженерных компаниях. Существует несколько академических кластеров с сильными лабораториями вычислительного дизайна — MIT, ETH, ICD Stuttgart, Bartlett, AA, Sci-Arc, IAAC. В них проводятся передовые исследования, которые затем переходят в коммерческое использование. Если вы хотите глубже разобраться в теме, вот хороший сборник возможных учебных программ по вычислительному дизайну.

Самый надежный, многофункциональный и адаптивный инструмент вычислительного дизайна — это связка Grasshopper и Rhino. Даже базовая версия без плагинов Vanilla Grasshopper помогает решить огромное количество задач. Создавать новые плагины легко в Rhino API, а популярные расширения иногда включают в последующие релизы: например, плагин Kangarooдля расчета конструкций теперь включен в базовый набор инструментов Grasshopper. 

Существует множество популярных плагинов для разных задач: Elk и Heron для работы с GIS-данными, Ladybug и Honeybee для анализа инсоляции, Pachyderm Acoustic для симуляции акустики, Karamba для расчета нагрузок и работы с инженерией, Firefly для распознавания образов и работы с видео, Lunchbox для панелизации, Ivy для создания разверток. Отдельно стоит отметить Rhino Inside Revit — этот плагин связывает Rhino, Grass и Revit в единый пайплайн и существенно ускоряет процесс проектирования. 

Другой инструмент вычислительного проектирования — это Dynamo, среда визуального программирования для автоматизации BIM. Она до сих пор занимает гораздо меньшую нишу по сравнению с Grasshopper: этот инструмент не так надежен и универсален, а BIM-среда требует более сложной работы с данными. Для серьезных проектов требуются плагины, которые не всегда совместимы с новыми версиями Revit, делая неудобной работу со скриптами в долгосрочной перспективе.

Чтобы полностью использовать потенциал софта на продвинутом уровне, часто приходится вручную менять все более глубокие процессы. Для этого полезно научиться программировать: для начала отлично подойдут C# или Python, а для диджитал проектов — HTML, CSS и JavaScript. Очень глубоко изучать детали кода необязательно: достаточно понять основную логику, а затем использовать нейросети Chat GPT, Claude или Cursor, чтобы разобраться в коде и выучить отдельные понятия.

Если учиться кодить страшно или не хватает времени, есть другие варианты прикоснуться к вычислительному дизайну. Искусственный интеллект набирает обороты, и появляются новые дизайн-инструменты, активно использующие AI — например, Kodiia и XFigura. Многие стартапы создают классные среды, где можно менять классический подход к архитектуре — генерировать картинки, 3D-модели, код и текст.

В традиционном проектировании архитектор отвечает за финальный результат, подачу и соответствие конечного продукта идее. В вычислительном дизайне архитектор сосредотачивается на правилах и алгоритмах, которые определяют результат — вместо разработки трех вариантов проекта разрабатывает скрипт, который максимизирует разные параметры с тремя совершенно разными результатами. Часто считается, что работа в вычислительном дизайне менее творческая — это не совсем так. Глитч в коде, ошибка, игра с настройками и правилами могут натолкнуть на неожиданную мысль и эксперимент, который изменит направление проекта. 

Вычислительный дизайн ощутимо смещает привычную границу между инструментом и результатом в пользу инструмента. Чтобы использовать этот подход, нужно не просто работать с софтом, но и научиться его создавать — хорошо разбираться в логике программирования, понимать принципы работы визуализации, моделирования и генерации. Это безумно интересно, но требует вложения сил и времени.

Важно помнить, что любые инструменты, которыми мы пользуемся, влияют на то, как мы мыслим, создаем или рассказываем о чем-то. Инструмент проектирования, будь то отмывка, 3D скульптурирование или генеративный дизайн, создают среду вокруг вашего проекта, которая определяет результат. Осваивайте новые инструменты, исследуйте разные методы, и тогда ваш дизайн процесс будет многообразным, сложным и глубоким.