Progetto 3DArchiMod – Conclusione fase I

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SINTESI DEL PERCORSO

Il progetto di ricerca descritto all’interno del precedente intervento, “Sistemi morfo-generativi per la modellazione“, è giunto al termine, con la realizzazione di un software su base parametrica per la progettazione architettonica. Il lavoro, svolto in collaborazione con l’Università dell’Insubria di Varese, ha portato ad uno strumento utile per indagare lo sviluppo di forme complesse basate su logiche di tipo strutturale.

Scopo principale dell’inter lavoro è la valutazione di come, attraverso l’utilizzo di sistemi informatici sempre più specifici e personalizzati, sia possibile sviluppare un approccio innovativo alla progettazione architettonica, il quale possa trarre grande giovamento dalle possibilità emergenti della rivoluzione informatica, senza però dimenticare tutto quel bagaglio di conoscenze che permette una valutazione critica del progetto, per far sì che questo prosegua nella direzione giusta. Il software in questione ha, come caratteristica fondamentale, quella di rappresentare un sistema parametrico ed interattivo per lo sviluppo a livello formale forme complesse ed in particolare grandi coperture. Questa prerogativa, che costituisce l’anima dello strumento, deriva direttamente dalle considerazioni fatte in merito al computing ed alla progettazione parametrica. Naturalmente una scelta di questo tipo deve essere perseguita con l’intento di trarre un chiaro e consistente miglioramento nel metodo di progettazione. Ed è qui che l’esperienza di Frei Otto permette di creare quel “delta” così importante: l’applicativo che si intende realizzare permetterà lo sviluppo di modelli pendenti basati su una serie potenzialmente illimitata di configurazioni spaziali a tre dimensioni. In questo modo l’output generato dal software sarà già dotato di una logica che permetterà un notevole risparmio di materiali da costruzione, data l’assenza di stati flessionali all’interno degli elementi strutturali, caratteristica fondamentale in base alla quale la tecnica viene adoperata. er meglio comprendere contenuti, funzionamento ed obiettivi relativi al software in questione vengono forniti una serie di passaggi che andrebbero a costituire la routine di funzionamento dello stesso:

- Impostazione di una griglia, posizionata su di un piano cartesiano xy, di forma rettangolare o quadrata, mediante la definizione di n righe e m colonne e delle dimensioni dei lati di un singolo elemento (che determinano successivamente le dimensioni complessive della griglia);

- Impostazione di una serie di valori di quota (asse z) in alcuni nodi della griglia, scelti arbitrariamente in base a logiche legate alla progettazione euristica architettonica. Tale processo può avvenire per selezione del singolo punto o mediante tabella specifica;

- Avviamento dell’algoritmo in base al quale la griglia viene assoggettata all’inverso della forza di gravità, in modo che il risultato conclusivo sia interpolante rispetto ai punti dei quali è stata definita la quota;

- Eventuale possibilità di modificare in tempo reale la superficie, agendo quantitativamente sui singoli punti di intersezione, sempre secondo la logica delle membrane soggette ad anti-gravità;

- Possibilità di esportare mesh quadrangolari o serie di spline in formato .obj, il quale permette l’acquisizione del risultato da parte di 3D Studio Max, software ampiamente utilizzato per la modellazione digitale.

Come è possibile osservare si tratta di un applicativo abbastanza semplice, che assume come input una griglia la quale sarà direttamente rapportata con il contesto relativo al progetto. Le altezze definite sono anch’esse espressione della volontà progettuale, in quanto verranno applicate in base ad una serie di criteri legati alla funzione degli spazi interni, ma di questo verrà discusso più approfonditamente in seguito.

SVILUPPO DEL SOFTWARE

La ricerca di un consulente in grado di risolvere i problemi relativi alla programmazione informatica di un software costruito dal nuovo ha condotto verso il prof. Marco Tarini, ricercatore presso il DICOM – Dipartimento di Informatica e Comunicazione, Facoltà di Scienze MM.FF.NN., Università dell’Isubria, Varese. Il prof. Tarini, oltre a svolgere attività di ricerca ed insegnamento all’interno della suddetta Università collabora presso il Visual Computing Lab – ISTI – CNR, dove svolge attività di ricerca a livello internazionale. Dopo aver appreso del progetto di ricerca in atto ed informato della necessità dello sviluppo di un software come sopra accennato, Tarini ha dimostrato un interesse nello stabilire una collaborazione a carattere temporaneo che permettesse al DiAP l’ottenimento di un applicativo rispondente alle richieste ed al DICOM la presenza di un tema da utilizzare per due tesi di laurea dedicate allo sviluppo di applicativi software. Il prof. Tarini ha espresso la possibilità di introdurre alcuni elementi aggiuntivi rispetto alla richiesta, che avrebbero certamente migliorato il software nella propria forma conclusiva. Nello specifico Tarini ha suggerito di prevedere come input, oltre alla griglia piana di forma quadrata o rettangolare, anche una superficie NURBS proveniente da un programma di modellazione. In questo modo sarebbe possibile affidare la progettazione euristica non solamente ad un processo parametrico ma, volendo, avvalersi anche dei processi progettuali come quello presentato all’interno del libro “Figure progettuali e modellazione digitale“. All’interno dei laboratori di progettazione architettonica condotti dal prof. Ernesto D’Alfonso e la prof. Antonella Contin, oltre ai laboratori di sintesi finale per le tesi di laurea, è già presente un’esercitazione specifica che conduce gli studenti ed i laureandi attraverso la progettazione mediante lo sviluppo di schizzo, linee generatrici, modello fisico e modello digitale. Grazie a questa modifica del software è possibile comprendere nello stesso pacchetto entrambi gli approcci, sia quello appena descritto che quello morfo-generativo di tipo parametrico. Un’ulteriore aggiunta è l’implementazione di un sistema di vincoli più raffinato rispetto alla sola definizione del valore di quota lungo l’asse z. Tarini, considerando le problematiche macroscopiche legate alla simulazione di un modello pendente ha sollevato problemi circa la possibilità di movimento nelle tre direzioni dei nodi che costituiscono la griglia: da qui il suggerimento di vincolare in maniera specifica questi ultimi (sempre in modo arbitrario) in modo che possano traslare solo rispetto a determinati piani. Quanto appena detto verrà trattato in maniera approfondita durante l’illustrazione del software nella sua forma conclusiva.

“Si tratta di un sistema detto “a masse e molle” con forza di gravità pur capovolta (applicata alle masse). E’ risolto (viene cioè trovata una configurazione di minima energia) con un sistema di Eulero (ovvero un sistema iterativo che può essere visto come una discesa del gradiente: ad ogni passo si calcolano le forze, dovute a gravità e trazione delle molle, e si applicano alle masse) ulteriormente semplificato. Specificatamente si ignora la velocità accumulata, dunque l’inerzia: la soluzione trovata non ne risente per nulla in quanto per la committenza è sufficiente trovare la configurazione finale statica, senza interesse per l’evoluzione temporale dinamica che il sistema segue per arrivare alla soluzione). Per una maggiore stabilità numerica, è stato applicato l’algoritmo noto come “leapfrog” (a salto di rana). I vincoli previsti (definiti sulle masse) consistono nel mantenimento di nessuna, una, due o tutte e tre le coordinate. Essi vengono applicati durante l’evoluzione del sistema. Per evitare che i travi cambino di lunghezza durante l’evoluzione, “difetto” dovuto alla scelta semplificatrice di aver modellato un trave rigido con una molla parzialmente estendibile/contraibile, si usa un espediente che consiste nel correggere appositamente (ed automaticamente) la lunghezza a riposo delle molle. La forma originale del cupola “ideale” è riflessa dalle lunghezze a riposo assegnate ai travi del modello digitale, mentre la correttezza statica del risultato è garantita dal fatto che nella configurazione finale, per ogni nodo, la somma di tutte le forze applicate a quel nodo è nulla o annullata dai vincoli dello stesso (vincoli che modellano costrizioni fisiche dell’oggetto reale, come ad esempio colonne ed altri elementi di supporto/vincolo).“

Una volta concluso il lavoro di progettazione, implementazione ed assemblaggio delle varie componenti, tramite il linguaggio di programmazione C++, è stata preparata una Demo dell’applicativo, attraverso la quale poter valutare le principali caratteristiche dello stesso. Il software, come è possibile osservare nelle immagini in fondo al testo, presenta una finestra di dialogo semplice e ben organizzata. E’ presente un grande riquadro principale, all’interno del quale osservare il lavoro svolto avvalendosi di diverse forme di rappresentazione: sono disponibili viste dall’alto, dai vari lati ed un sistema di controllo interattivo che permette di far “orbitare” la struttura per una visione tridimensionale personalizzata. Sul lato destro è presente una fascia verticale, che mostra una rappresentazione fissa in pianta della struttura ed una lista delle informazioni relative alle operazioni in atto, con la possibilità di editare determinati parametri. Escludendo la rappresentazione in pianta è possibile descrivere tale fascia come la vera e propria finestra di dialogo riguardante le operazioni in corso. Superiormente è presente la barra dei comandi, da dove è possibile selezionare tutte le operazioni che si intende compiere. Oltre alle classiche “tendine” ad estensione verticale, tipiche dell’interfaccia Windows, sono presenti due classi di icone: una di queste permette di vincolare i punti della griglia in maniera arbitraria. Selezionando un punto a piacimento è possibile vincolarne la traslazione all’interno di un piano oppure lungo una sola direzione. Oltre a queste due possibilità vi sono, naturalmente, i due casi estremi: quello di assoluta libertà del punto e di assoluta rigidezza. In quest’ultimo caso il punto è da ritenersi vincolato rispetto alle tre coordinate x,y,z di partenza. Unica libertà concessa è la rotazione dei segmenti ad esso collegati intorno al proprio baricentro. Vi è anche un insieme di icone in grado di semplificare il lavoro. Dato che, volendo vincolare i bordi della griglia, è necessario selezionare i punti singolarmente, questi tre tasti permettono una selezione immediata dei contorni, definendo già la tipologia del vincolo, esattamente come descritto per i punti. All’interno delle tendine è prevista la possibilità di selezionare velocemente anche singoli lati della griglia o del modello, scegliendo in base ai punti cardinali quali selezionare e, successivamente, vincolare. Vi è, in fine, la possibilità di rendere rigidi o elastici i singoli elementi, selezionando un apposita coppia di icone. Nel caso in cui si scelga una configurazione elastica degli elementi è possibile regolare tale caratteristica, mediante una barra di comando.

A seguito dei primi test, relativi al funzionamento del software, il prof. Tarini ha riscontrato alcune problematiche relative all’eccessiva riduzione degli angoli interni dei singoli quadrilateri che compongono la griglia. Una volta che questa viene fatta pendere  avviene una rotazione delle aste intorno al baricentro dei nodi, per cui vi è una riduzione degli angoli interni dei quadrilateri, che si trasformano così in romboidi. Regolando le capacità elastiche degli elementi al massimo concesso dal software si nota come gli elementi maggiormente sollecitati presentino una riduzione eccessiva degli angoli suddetti. Per questo vi è la possibilità di introdurre delle diagonali di rinforzo, in modo da ridurre la deformazione degli elementi. E’ possibile inserire le diagonali sia in fase di import della superficie che durante il successivo editing, garantendo così un elevato grado di interattività. E’ anche presente l’opzione per una dinamica di inserimento basata sulla valutazione di ogni singolo quadrilatero, al fine di inserire elementi solo dove necessario. In ultimo viene affrontato l’aspetto legato alle tempistiche di elaborazione dei sistemi di calcolo. Una prima e più semplice versione del software permetteva la corretta risoluzione di griglie fino ad un massimo di 30² elementi. Oltre questo quantitativo i tempi superavano le aspettative, producendo risultati in tempi superiori ai 2-3′ previsti come limite. Per una maglia di 100² elementi era necessario un processo iterativo della durata ci circa 150′. Successivamente è stato pensato un sistema di risoluzione più efficiente, che ha abbassato notevolmente i tempi, portandoli al di sotto dei 5′. In questo modo risulta possibile operare una serie di prove sulle griglie mantenendo l’approccio interattivo con risoluzione in tempi rapidi, che naturalmente rappresenta uno degli obiettivi fondamentali da raggiungere.

CONCLUSIONI

Una volta concluso lo sviluppo del software, ad opera del team guidato da Tarini, è necessario fare il punto della situazione per individuare i passi successivi, in merito ad un percorso di ricerca che non può considerarsi concluso con il raggiungimento dell’obiettivo a medio termine appena conseguito. Il passo immediatamente successivo sarà certamente verso un’ulteriore implementazione e perfezionamento del software, oltre che la verifica tramite FEM della rispondenza del sistema progettato alle aspettative (oggettiva assenza di stati flessionali all’interno degli elementi che costituiscono la griglia), oltre al dimensionamento della struttura. In seguito a questo processo di consolidamento del pacchetto applicativo, si procederà verso lo studio delle tecnologie e dei materiali più adatti per riuscire a concretizzare i progetti sviluppati mediante il software. Al termine di questa fase verrà quindi individuato un ventaglio di soluzioni tecnologicamente all’avanguardia in grado di compiere il fondamentale passaggio dal progetto alla realizzazione. Una prospettiva ben definita, quindi, che manifesta l’intenzione di rendere il processo progettuale fin qui consolidato capace di compiere l’ultimo e più importante passo: consentire la realizzazione delle strutture verso le quali è stato specificamente sviluppato, in modo da costituire un sistema applicativo che possa trovare sbocco all’interno di un mercato internazionale e competitivo come è quello dedicato ai sistemi informatizzati per l’architettura d’avanguardia.

Hanno collaborato allo sviluppo del progetto:

prof. Ernesto D’Alfonso – DiAP

arch. Matteo Fraschini – DiAP

prof. Marco Tarini – DICOM

ing. Paolo Brivio – DICOM

Gianfranco Femia e Maurizio Macchi (tesisti)

Riferimenti:

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