10 phần mềm hỗ trợ thiết kế Kiến Trúc Tham Số các kiến trúc sư cần biết

Khi chúng ta bước vào một kỷ nguyên mới trong lĩnh vực kiến trúc và thiết kế đương đại (contemporary), xuất hiện những nhu cầu rất lớn về hình học phức tạp có khả năng tùy biến cao (highly customizable convoluted geometry), đóng vai trò quan trọng trong hình thức, hình dạng và kích thước (form, shape & size) tổng thể của các tòa nhà.

"Chủ nghĩa Tham số" không phải là một thuật ngữ hiện đại; bạn có thể lướt qua các hình thức kiến trúc được thiết kế theo kiểu tham số này để khám phá thêm về nguồn gốc của thuật ngữ này.

Trở lại hiện tại... Những yêu cầu ngày càng dai dẳng đối với các hình thức “hiện đại” và “tương lai”, đã mở đường cho những kỹ thuật và công cụ mới mang tính đổi mới cho các kiến trúc sư ngày nay – Thiết kế hỗ trợ máy tính (CAD). Nó đề cập đến việc sử dụng các thiết bị máy tính để tăng khả năng nhận thức và hình dung (perceiving and visualizing) tốt hơn một ý tưởng...

Ý nghĩa của tham số là gì?

Nó thường được sử dụng để tạo, phân tích, chỉnh sửa (create, analyze, modify) và cuối cùng là trình bày thiết kế (present the design), do tính chính xác và chất lượng nên nó có khả năng quản lý nhất quán (consistently administering). Mặt khác, thiết kế tham số đề cập đến việc sử dụng các tham số như sự ràng buộc (constraints), mối quan hệ giữa các thực thể hình học, kích thước, hình dạng và kích thước của các thực thể, v.v... Các tham số này chịu trách nhiệm cơ bản trong việc xác định mối quan hệ giữa mục đích thiết kế (design intent), thiết kế phản hồi (design response) và tổng thể (overall), thuật toán tạo ra khuôn khổ (framework) và hình thức (form) mong muốn của mô hình, chúng sẽ được trực quan hóa (be visualized) rõ ràng.

10 Plugin Tham số bạn nên biết!

Thách thức trong việc trực quan hóa các hình thức phức tạp đã được đáp ứng với sự xuất hiện của phần mềm và phần mềm CAD tham số. Thiết kế tham số cho đến nay là một trong những quy trình mô hình hóa được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay, để tạo ra một loạt các mẫu hình học tương tự nhưng phức tạp một cách hiệu quả trong giới hạn thời gian kỷ lục.

Trong một thế giới đang nhanh chóng trở nên ảo, bên cạnh các Plugin này, bạn cũng cần các phương tiện để kết nối với mọi người trên toàn cầu, đây là lúc phần mềm hội thảo trực tuyến tốt nhất trở nên hữu ích. Một số plugin tham số (dành cho công cụ tạo mô hình 3D có tên Rhinoceros) được sử dụng tích cực ngày nay bao gồm Grasshopper 3D, Ladybug, Honeybee, Geco, Kangaroo Physics, Karamba, BullAnt, Hummingbird, Heliotrope-Solar, Mantis, cùng nhiều plugin khác. Vì Rhinoceros/Grasshopper là nguồn mở nên các nhà phát triển bên thứ ba tích cực phát triển vô số plugin và tiện ích bổ sung miễn phí cho chúng. Hãy xem xét ngắn gọn từng phần mềm trong số chúng dưới đây.

1. Grasshopper 3D

Grasshopper 3D là một công cụ tạo biểu mẫu tham số đồ họa, được tích hợp vào Rhinoceros 3D. Nó không yêu cầu kiến thức trước về lập trình và viết kịch bản mà vẫn cho phép các kiến trúc sư và nhà thiết kế tạo ra các dạng tham số phức tạp. Kích thước của biểu mẫu phải chịu các ràng buộc và có thể dễ dàng thay đổi bằng cách trượt các thanh trượt tham số khác nhau trong không gian mô hình Grasshopper [2,7].

Courtesy of Seth Moczydlowski

2. Ladybug (Environmental analysis)

Courtesy of Chris Mackey

Một plugin tham số nguồn mở có tên là “Ladybug” được sử dụng để hỗ trợ phân tích môi trường sâu hơn bên trong Giao diện Rhinoceros/Grasshopper. Ladybug nhập các tệp “Energy Plus Weather” tiêu chuẩn (.EPW) vào Grasshopper 3D và mang theo nhiều loại đồ họa tương tác 2D và 3D để tiến hành nghiên cứu môi trường chính xác cho việc tạo hình dạng của tòa nhà. Nó đơn giản hóa quá trình phân tích và tự động hóa các phép tính, đồng thời cung cấp trực quan hóa đồ họa dễ hiểu trong giao diện mô hình 3D của Grasshopper. Nó còn cho phép người dùng làm việc với các công cụ chiếu sáng ban ngày và năng lượng đã được xác thực như “EnergyPlus”, “Radiance” và “Days”, cho phép kiến trúc sư đưa ra các lựa chọn thiết kế tốt hơn một cách hiệu quả [1,3,2,8].

Courtesy of La Masa

3. Honeybee (Environmental analysis)

Honeybee là một plugin tham số khác dành cho Grasshopper, cũng kết nối Grasshopper3D với “EnergyPlus”, “Radiance”, “Daysim” và “OpenStudio”, để xây dựng mô phỏng mức tiêu thụ năng lượng (building energy consumption) và ánh sáng ban ngày [2,3,4].

Courtesy of Chris Mackey

4. Geco (Environmental analysis)

Geco cho phép một người xuất và tích cực cộng tác hiệu quả với một phần mềm khác có tên Ecotect, để đánh giá thiết kế của một người bằng nhiều dữ liệu hiệu suất khác nhau (various performance data), Geco một lần nữa cho phép nhập kết quả dưới dạng phản hồi vào Grasshopper. Giờ đây, Ecotect là phần mềm trực quan dành cho kiến trúc sư, cho phép họ kiểm tra các vấn đề về hiệu suất môi trường và mô phỏng các điều kiện khí hậu và môi trường khác nhau để thiết kế các cấu trúc tham số xanh và hiệu quả hơn [4].

Courtesy of grasshopper 3d

5. Heliotrope-Solar (Environmental analysis)

Nó là một plug-in Grasshopper để thao tác hình học dựa trên vị trí động của Mặt trời. Công cụ này tính toán vị trí biểu kiến của mặt trời (sử dụng vật lý vectơ) vào các ngày và giờ cụ thể trong ngày, đồng thời sử dụng dữ liệu này để tính toán và cung cấp nhiều thành phần khác nhau để thao tác tham số cho thiết kế dựa trên vị trí của mặt trời vào những ngày cụ thể đó. Nó được sử dụng để tạo ra các thiết kế nhận biết năng lượng mặt trời, suy ra vị trí của đèn hiển thị và thiết kế các thiết bị che nắng cho cấu trúc [4].

Các ứng dụng của 'Ladybug', 'Honeybee', 'Geco' & 'Heliotrope-Solar', trong môi trường 'Grasshopper 3D', có thể được mở rộng để tạo ra kiến trúc đáp ứng (Mặt tiền động), trong đó các lớp vỏ tòa nhà thích ứng với các hệ thống tự nhiên, chẳng hạn như sự chuyển động năng động của mặt trời. Ban đầu, tòa nhà được mô phỏng theo Rhino, được định hướng xây dựng trong thế giới thực và chịu sự tác động của Mặt trời ảo, tái tạo các điều kiện ngoài đời thực của Mặt trời.

Sau đó, nó được phân tích rộng rãi vào các thời điểm khác nhau trong ngày, liên quan đến đường đi của Mặt trời. Tiếp theo, Grasshopper 3D được sử dụng để tạo tham số hình học cần thiết cho cấu trúc, xác định kích thước và hướng của các lỗ cũng như tạo ra các thiết bị và cơ chế tạo bóng khác nhau cho mỗi bảng [3,5,8]. Những tấm này mở và đóng theo vị trí của mặt trời và tuân theo chuyển động của nó suốt cả ngày, từ đó mang lại nhiều ánh sáng khuếch tán hơn, ít gây nóng và chói hơn, và quan trọng hơn là cắt giảm chi phí cho hệ thống điều hòa không khí bên trong tòa nhà.

Courtesy of Aedas Architects

Ví dụ điển hình về các tòa nhà đã triển khai công nghệ này là Tháp Al Bahr (đóng vai trò là Trụ sở Hội đồng Đầu tư Abu Dhabi), do Aedas và Arup thiết kế, và Viện Thế giới Ả Rập, đặt tại Paris, do Jean Nouvel thiết kế. Các tấm này hoạt động như một bộ đệm nhiệt và cũng làm giảm lượng khí thải carbon bằng cách giảm nhu cầu về hệ thống điều hòa không khí, giúp tòa nhà bền vững, cân bằng và xanh.

Các plugin phân tích môi trường này cho phép các kiến trúc sư xây dựng các cấu trúc cân bằng, xanh và bền vững hơn nhiều bằng cách đưa ra nhiều cải tiến khác nhau trên mặt tiền để tận dụng tối đa các điều kiện thời tiết bên ngoài. Lớp vỏ tòa nhà đóng vai trò là giao diện giữa môi trường tự nhiên bên ngoài và môi trường bên trong được kiểm soát. Sự thay đổi hình dạng trên mặt tiền của tòa nhà không được tạo ra một cách ngẫu nhiên mà được biến đổi và kiểm soát theo tham số, tương ứng với dữ liệu môi trường [3,4].

6. Kangaroo Physics (Structural Analysis)

Courtesy of Arturo Tedeschi

Kỹ sư kết cấu sử dụng plugin Vật lý Kangaroo bên trong Grasshopper để mô phỏng thực tế tương tác, tạo biểu mẫu, tối ưu hóa và phân tích các thành phần cấu trúc cũng như xem xét nội tâm ràng buộc.

Courtesy of Arturo Tedeschi

7. Karamba (Structural Analysis)

Các plugin thiết kế tham số như “Karamba”, xác định những chân trời mới trong lĩnh vực kỹ thuật kết cấu. Karamba là một plugin phân tích cấu trúc tương tác trong môi trường tham số của Grasshopper 3D. Plugin này giúp việc kết hợp các dạng hình học phức tạp được tham số hóa, tính toán tải trọng, phân tích phần tử hữu hạn, v.v. Nó cực kỳ đơn giản. Nó cung cấp phân tích chính xác về giàn, khung và vỏ không gian ở giai đoạn thiết kế ban đầu. Người dùng có thể tạo các hệ thống phẳng được nối bằng pin cơ bản, từ đó các số liệu thống kê đồ họa được tạo ra và phân tích, để hiểu mức độ tự do có sẵn trong các hệ thống này, nhằm tận dụng chúng về mặt cấu trúc [7,8].

Courtesy of Clemens Preisinger + Jens Böke

8. BullAnt (Structural Analysis)

Nó là một plug-in Grasshopper3D, chủ yếu dành cho Kiến trúc sư và Kỹ sư. Nó có các công cụ độc đáo giúp nâng cao và mở rộng khả năng của chương trình gốc. Nó có một loạt các lệnh bao gồm lưới thư giãn và lạm phát (mesh relaxation & inflation), tự động hóa đối xứng, sắp xếp, phân tích cấu trúc (mô hình hóa và phác thảo) và tạo tham số trong Grasshopper. Nó cũng có tính năng xử lý mạng lưới đường cong và mái vòm trắc địa.

Courtesy of Jon Mirtschin

9. Hummingbird (Structural Analysis)

Nó mở rộng khả năng của Grasshopper bằng cách thêm một bộ thành phần giúp chuyển đổi và tạo các tệp Revit chứa các thuật toán hình học được hỗ trợ cho tệp được mô hình hóa Rhino. Nói cách khác, một hình học được thiết kế theo tham số phức tạp có thể được thiết kế trong phần mềm BIM, để làm cho cấu trúc trở nên thực tế hơn nhiều trước khi trình bày hoặc đề xuất nó.

Về cơ bản, Hummingbird cho phép quy trình làm việc hai chiều giữa Autodesk Revit và Rhinoceros 3D, loại bỏ nhu cầu tạo đối tượng tham chiếu. Điều này cũng giúp hình dung và phân tích tốt hơn các thành phần cấu trúc sẽ xuất hiện trong bức tranh [8,9].

Courtesy of Tim Meador

10. Mantis (Structural Analysis)

Mantis là một plugin dành cho Grasshopper liên kết trực tiếp với Rhinoceros và Mathematica. Mathematica là một công cụ tính toán kỹ thuật được các nhà toán học, kỹ sư và nhà phân tích sử dụng. Nó nổi tiếng là ứng dụng tính toán tốt nhất thế giới.

Courtesy of first_1

Các hệ thống kết cấu được hình thành bằng cách giải thích các đường, đường cong và điểm dưới dạng các phần tử và lực kết cấu, thông qua các thành phần tùy chỉnh. Sau đó, tất cả dữ liệu được phân tích sẽ được xuất từ Rhinoceros sang phần mềm phân tích FEM (Phương pháp phần tử hữu hạn) như “SOFiSTiK”. Phần mềm sử dụng kỹ thuật số để tìm nghiệm gần đúng cho các bài toán giá trị biên (boundary value) của các phương trình vi phân từng phần được khai thác từ phân tích cấu trúc trước đó.

Về cơ bản, nó chia một vấn đề phức tạp thành những phần đơn giản hơn, sau đó bắt đầu tính toán và giải chúng. Cách tiếp cận “từ phần đến toàn bộ” này thực sự loại bỏ được một tỷ lệ sai sót lớn và mang lại kết quả phân tích cấu trúc chính xác hơn, hỗ trợ cho cấu trúc được thiết kế tham số cân bằng, ổn định và mạnh mẽ hơn.

Courtesy of archi star

Phần mềm và plugin thiết kế tham số như vậy cũng cho phép người dùng tạo ngay lập tức nhiều dạng động khác nhau chỉ bằng cách nhập các cường độ khác nhau và gán các ràng buộc phù hợp. Khả năng nhận biết những thay đổi được thực hiện trong thời gian thực này cho phép kiến trúc sư tạo ra hình thức phức tạp mà có thể chưa được nghĩ tới do sự phức tạp tuyệt đối về hình thức, hình dạng hoặc cấu trúc của thiết kế.

Các công cụ và plugin được đề cập cực kỳ thân thiện với người dùng và yêu cầu người dùng có hiểu biết cơ bản về nguyên tắc lập mô hình 3D để bắt đầu. Những khoảng trống lớn giữa các lĩnh vực kiến trúc hợp tác, nghiên cứu môi trường và kỹ thuật kết cấu đều được giải quyết và thu hẹp. Chúng tích hợp thiết kế tham số với phân tích thống kê (statistical analysis) vào một mô hình duy nhất, làm cho tòa nhà trở nên thiết thực (practical), độc đáo (unique), năng động (dynamic), cân bằng (balanced) và bền vững (sustainable) hơn – vì một tương lai xanh hơn.

Fudozon tổng hợp & dịch

(Link gốc...)

[1] “Ladybug: A Parametric Environmental Plugin for Grasshopper to help designers create an environmentally-conscious design”, (Pg nos. 3128, 3130) Mostapha Sadeghipour Roudsari, Michelle Pak Adrian Smith + Gordon Gill Architecture, Chicago, USA http: / /www.ibpsa.org/proceedings/BS2013/p_2499.pdf
[2] “Paneling Tools for Grasshopper”, (Pg nos.3-89) (to understand the various complex geometries the tools enable it to generate & model), Rajaa Issa, Robert McNeel & Associates. http://wiki.mcneel.com/_media/labs/panelingtools4grasshopperprimer.pdf
[3] “Integration of Outdoor Thermal and Visual Comfort in Parametric Design” (Pg nos. 1, 3, 9) Emanuele Nabonii. http://www.plea2014.in/wp-content/uploads/2014/12/Paper_3B_2882_PR
[4] “Daylight Optimization: A Parametric Study of Atrium Design”. (Pg 1, 3)
[5] “ Performative Parametric Design of Radiation Responsive Screens”, (Pg nos. 580, 582) Henry Marroquin, Mate Thitisawat and Emmanouil Vermisso. https://www.brikbase.org/sites/default/files/ARCC2013_UNCC_Conference_Proceedings_597.pdf
[6] “Form Finding, Force and Function: Mass-Spring Simulation for a Thin Shell Concrete Trolley Barn“, Michael W. Weller. http://dmg.caup.washington.edu/pdfs/MArch.Thesis.MikeWeller.2011.pdf
[7] “Optimizing a Trussed Frame Subjected to Wind Using Rhino, Grasshopper, Karamba, and Galapagos”, Evan J. Gerbo, Edmond P. Saliklisa. http://content-calpoly-edu.s3.amazonaws.com/arce/1/people/documents/Genetic%20Algorithm%20Paper%20v4.pdf
[8] “Parametric Tools & The Evolving Design Process”, Liam Taylor. http://www.aceuoa.org.nz/resources/Parametric_Design_Presentation_Slides.pdf
[9] “Bio-Origami, Form finding and evaluation of origami structures,” Daniel Baerlecken, Matthew Swarts, Russell Gentry, Nixon Wonoto. http://cumincad.architexturez.net/system/files/pdf/ecaade2012_250.content.pdf