Зачем использовать Grasshopper

Часть 1. Анализ и симуляция

Роман Хорев, Арсений Афонин

25.12.2019

Время чтения: 7 мин

Grasshopper — это инструмент без чёткого предназначения: он создавался не для решения классических архитектурных задач, вроде черчения или моделирования. 

Разбираемся, как Grasshopper и другие алгоритмические инструменты помогают архитекторам решать нестандартные задачи и меняют подходы к проектированию. В цикле из 4-х статей мы последовательно рассмотрим разные этапы проектирования на примере работы с павильонами — типологией, которая даёт архитектору наибольший простор для экспериментов.

Зачем архитектору Grasshopper? Чтобы хоть чуть-чуть приблизиться к ответу, необходимо разобраться с тем, что это за инструмент и как он появился.

В середине 1990-х—начале 2000-х в арсенале архитектора появилось новое поколение цифровых инструментов. По сути это были даже не инструменты, а среды, позволяющие создавать собственные инструменты и алгоритмы из набора простых функций, компонентов или библиотек. К таким средам сегодня относятся Grasshopper — плагин для Rhino и Dynamo — плагин для Revit. Всё это инструменты нодового, или визуального, программирования: чтобы создавать в них даже достаточно сложные алгоритмы, не нужно уметь программировать (то есть писать код текстом), — это делается с помощью визуального интерфейса. Одновременно с ними распространились и инструменты текстового программирования: MEL Script на Maya, Rhinoscript на Rhino и Processing с его библиотеками для работы с геометрией.

Grasshopper появился в 2007 году и изначально был задуман для того, чтобы уменьшить количество рутинной работы в Rhino: он фиксировал последовательность действий во время моделирования — и позволял возвращаться к любому шагу, чтобы изменять его. Поэтому изначально плагин назывался Explicit History, или «Подробная история».

Со временем Grasshopper начал развиваться и обрастать новыми функциями, для него стали появляться сторонние плагины, выводящие возможности программы далеко за пределы моделирования. Так из небольшого плагина с утилитарным предназначением он превратился в среду для экспериментов, а количество поклонников плагина выросло до десятков тысяч. Из-за такой популярности Grasshopper стал полноценным компонентом Rhino, который встроен в программу, начиная с 6-й версии.

Современные возможности Grasshopper и других алгоритмических инструментов позволяют архитектору быстро анализировать и корректировать решения.

Анализ и симуляция

Чтобы получить полное представление о контексте проектирования, посмотреть на него под разными углами или проанализировать уже конкретные архитектурные решения, можно использовать разные инструменты — от GIS-инструментов для анализа городского контекста до плагинов на инструменты моделирования для анализа геометрии (например, для расчёта инсоляции). Большую часть таких задач можно решить и с помощью Grasshopper.

Анализ может включать симуляцию некоторых физических процессов, таких как направление ветра, распределение потоков людей, естественное освещение и многое другое. Но это не всегда необходимо. Например, для того, чтобы, рассчитать технико-экономические показатели, симуляция не нужна, достаточно лишь 3D-модели проекта. В таких случаях анализ сводится к получению числовых данных на основе геометрии модели (площадей, объемов, коэффициентов), их визуализации и сравнения. Делать такие расчёты в Grasshopper проще всего, ведь перевод геометрии в цифры и обратно — самая базовая из возможностей этого инструмента.

А вот для того, чтобы понять, выдержит ли конструкция нужную нагрузку или проверить, отвечает ли проект нормам инсоляции, нужно получить дополнительные данные — для этого нужна симуляция нагрузок и процессов. 

Часто симуляция физических процессов используется для работы с формой — вспомните эксперименты Фрая Отто. Эту тему мы рассмотрим второй части цикла.

IaaC, Fab Lab House, 2010

Авторы: Команда архитекторов и инженеров из института IaaС, MIT Center For Bits and Atoms, мастерских Fab Lab и др.

  •  
  •  
  •  
  •  

Fab Lab House — первый проект из серии павильонов института IaaC в Барселоне, демонстрирующий возможности передовых технологий производства и задающий новую планку энергоэффективности. В проектировании и реализации помимо IaaС участвовали ещё MIT и сеть фаб-лабов.

Общая форма небольшого дома-павильона стала ответом на необходимость полностью снабжать дом энергией от солнечных батарей. Конструктивная система разработана так, чтобы все составные части дома можно было произвести на ЧПУ-станке1просто из листового материала, а затем собрать дом силами рабочих. Про то, какие методологические прорывы сопутствовали проектированию этого дома, мы расскажем в следующей части, а пока остановимся на том, где в проекте пригодились возможности анализа и симуляции.

Авторы искали эффективную форму здания, которая позволяла бы солнечным батареям получать максимум энергии, а самому зданию — минимизировать теплопотери. Для того, чтобы получить её, команда архитекторов использовала различные типы анализа инсоляции (Shadow Studies, Annual, Average Annual, Daily Radiation Analysis). На основе анализа принимались все ключевые решения на этапе проектирования.

  • Разные типы анализа на этапе поиска формы: Shadow studies (слева) и Annual and Daily Radiation (справа)  
  • Финальная форма. Анализ затенения  

Получившийся дом создаёт под собой тень, не требует кондиционирования и с помощью солнечных батарей генерирует больше энергии, чем ему необходимо для эксплуатации.

Для анализа инсоляции в этом проекте использовались сложные профессиональные инструменты, однако сейчас ровно те же задачи можно повторить в Grasshopper. В 2019 году возможностей в среде Grasshopper значительно больше, чем было в 2010-м — например, подобный анализ можно произвести с помощью плагинов Ladybug, Luciola, Heliotrope или Diva.

ICD-ITKE Research Pavilion, 2015–2016

Авторы: команда архитекторов и инженеров институтов ICD-ITKE

Каждый год в институтах ICD и ITKE в Штутгарте студенты строят павильон — он становится итогом двухлетних студенческих исследований.

Любой павильон ICD — это попытка протестировать новые строительные технологии,  разработанные в результате исследования принципов формообразования, существующих в природе. Здесь важно не столько то, как павильон будет выглядеть, сколько то, как он будет реализован с точки зрения производства, а также с точки зрения логики работы материала. Каждый год студенты исследуют разные природные феномены и соединяют эти принципы с самыми современными технологиями цифрового производства.

В проекте 2015–2016 годов соединились несколько исследований. Отправной точкой стали принципы формирования панцирей морских ежей: опираясь на них, команда разработала ячеистую самонесущую оболочку из ламинированной фанеры. Важной частью этого проекта стал структурный анализ, или анализ нагрузок.

  • Структурный анализ: максимальный прогиб модулей под нагрузкой  
  • Соединение биологических, архитектурных и конструктивных принципов  
  • Схема интеграции природных, конструктивных и архитектурных элементов в процессе студенческого исследования  
  • Производство одного модуля  
  • Возведение павильона  

По проекту фанерная оболочка состоит из 151-й выпуклой ячейки разного размера. Специфика технологии, выбранной для этого павильона, предполагала, что выпуклость ячейки влияет на её несущую способность. Поэтому у каждой из ячеек своя степень выпуклости — в зависимости от её положения на оболочке. Чтобы рассчитать степень выпуклости, то есть оптимальные параметры углов изгиба материала, модель павильона из Grasshopper передавалась в Sofistik — программу для структурного анализа, позволяющую рассчитать конструктивные нагрузки. Затем на основе полученных данных о нагрузках в той или иной точке оболочки с помощью Grasshopper создавалась геометрия самих ячеек: алгоритмически моделировалось всё, вплоть до направления волокон фанеры, чтобы потом эти ячейки можно было изготовить с помощью возможностей цифрового производства.

Весь этот процесс стал возможен благодаря использованию нескольких плагинов на Grasshopper, но совсем сложные вещи решались уже настоящим программированием собственных компонентов для Grasshopper на языке С#2.


Формы обоих павильонов получились выразительными и запоминающимися. Однако отсутствие прямых углов и визуальная сложность — не обязательное следствие использования инструментов алгоритмического проектирования. На этапе анализа возможности этих инструментов выполняют скорее техническую функцию, даже в случае павильонов IaaC и ICD-ITKE. А вот о том, как алгоритмические инструменты влияют на методологию проектирования и, как следствие, на форму, мы расскажем в следующем материале.


Все материалы цикла:

Часть 1. Анализ и симуляция
Часть 2. Проектирование
Часть 3. Презентации (публикация в феврале 2020)
Часть 4. Производство (публикация в феврале 2020)


Пожалуйста, подождите...