parametrisch ontwerpen

Ook: parametrisch en associatief ontwerpen, algoritmisch ontwerpen, algoritmic design, parametrisch design, computational design, soms: geïnformeerd ontwerpen. Parametrisch ontwerpen is ontwerpen waarbij aan de hand van een aantal variabelen (bouwstenen met kenmerken en de relaties tussen de bouwstenen) een ontwerp van bijvoorbeeld een gebouw of gebouwdeel wordt gegenereerd. De relaties tussen verschillende onderdelen worden in het ontwerp in een algoritme vastgelegd. Door het algoritme of de invoerwaarden van de variabelen te wijzigen worden nieuwe ontwerpen gegenereerd en onstaan meer ontwerpalternatieven.

Doel van parametrisch ontwerpen is een snel aan te passen visuele ontwerpmethode die zonder "programmeren" het ontwerp genereert en dat bijvoorbeeld in Archicad geladen kan worden voor verdere verwerking. Met parametrisch ontwerpen wordt eigenlijk geen ontwerp voor een gebouw gegenereerd maar een systeempje dat het waarschijnlijk-zo-bedoelde-gebouw ontwerpt: aanpassen is zeer gemakkelijk, tot in een zeer laat stadium, waarbij simpelweg een nieuw, aangepast 3D-model zichtbaar is. 
Door parameters (varaibelen) aan te passen zijn verschillende scenario's (alternatieven) eenvoudig in te geven en te testen wat voor zowel architect als opdrachtgever een openbaring kan zijn.
Door deze mogelijkheden kan het ontwerpproces veel impulsiever en vrijer plaatsvinden en wordt men niet weerhouden een aanpassing te doen in het ontwerp om te zien wat het resultaat is.

Parametrisch ontwerpen wordt vergeleken met een recept waarbij je bijvoorbeeld een taart kunt maken aan de hand van:
- materiële variabelen (ingrediënten suiker, bloem enz.)
- variabelen van een andere soort (rijstijd, omgevingsfactoren, oventemperatuur, baktijd, maar ook de volgorde van samenbrengen, max. aantal calorieën en andere functies). 
Een recept geeft naast de ingrediënten dus ook het proces weer dat doorlopen moet worden. Als je iets anders wilt (veranderde klantwens o.d.), hoef je niet het hele recept opnieuw te bedenken, maar verander je een aantal variabelen (grotere hoeveelheid van alles, of iets extra's erbij o.d.). Dat maakt elk recept breder inzetbaar.

Parametrisch ontwerpen houdt in dat het ontwerpproces bestaat uit bouwstenen die: 
- kenmerken hebben (de variabelen, parameters; bijvoorbeeld materiaal hout, beton, staal; type profiel; geometrie vorm, lengte; overspanning; dikte vloer)
- relaties met elkaar hebben die ook de volgorde bepaalt waardoor een proces ontstaat (het associatieve deel van het proces, wat betekent dat er relaties bestaan tussen de componenten en er een bewerkingslogica bestaat tussen de parameters).

Normaal gesproken moet er veel geprogrammeerd worden om iets te genereren, maar parametrisch ontwerpen gaat vooral uit van de bouwstenen en de variabele kenmerken daarvan die bij het ontwerpproces van een gebouw een rol spelen. Door de bouwstenen te definiëren, de kenmerken er aan toe te voegen en de relaties met andere bouwstenen aan te geven kun je een ontwerp/model van een gebouw genereren. Zowel de bouwstenen als de kenmerken als de relaties tussen de bouwstenen kun je als parameters beschouwen in dit proces.

Het ontwerp zit vaak een tijd lang in het hoofd van de ontwerper/architect. Door het benoemen van de onderdelen wordt het een ontwerp. Een deel van dat denkmatige proces moet uiteraard wel plaatsvinden: je moet eerst de onderdelen (bouwstenen) ervan definiëren of kiezen, de relaties leggen e.d., maar dan heb je verder een ontwerpproces dat snel is aan te passen en onmiddellijk het 3D-model toont.

grasshopper, rhino, archicad; live presentatie van bouwstenen, kenmerken, relaties in grasshopper naar rhino en archicad; in één scherm kun je het totaal overzien; de bouwstenen of componenten wordt door de vorm ook wel "batterijen"genoemd; klik voor een voorbeeld van het kiezen van een parameter (graphisoft):

hessing, "cockpit" gebouw annex geluidswal a2; parametrisch ontwerp helpt bij 40.000 stalen knopen en 10.000 glasplaten waarvan de meeste uniek; parametrisch expert gijs joossen (royal haskoningdhv):

• Methode: bouwstenen, kenmerken, relaties, verificatie, 3D-model

• Voordelen parametrisch ontwerpen

• Nadelen parametrisch ontwerpen

• Aandachtspunten

• Geschiedenis

• Extra onderdelen

Methode: bouwstenen, kenmerken, relaties, verificatie, 3D-model

"Genereer en manipuleer BIM-elementen in Archicad rechtstreeks vanuit Grasshopper".

Het onderdeel waarin de bouwstenen worden aangegeven en de relaties e.d. gebeurt in Grasshopper.
Het gekoppelde softwarepakket Rhino toont de gegenereerde versie van het ontwerp. 
Archicad toont de gegenereerde versie in Archicad zelf, indien dat gekoppeld is met Grasshopper/Rhino. (Ook andere pakketten zijn koppelbaar.)
Ook kan door Grasshopper een onderdeel uit Archicad worden gebruikt om verder mee te "stoeien" om de aangepaste versie daarna weer terug te geven aan Archicad. Na het overhalen van een onderdeel naar Grasshopper, voert het een deconstruct uit zodat alle bestanddelen in Grasshopper gebruikt kunnen worden; aanpassen en du moment is het model in Archicad zichtbaar.

Parametrisch ontwerpen gebeurt in Grasshopper. Grasshopper is een plug-in/add-on van Rhino en kan een directe koppeling met Archicad hebben. Grasshopper bestaat uit bouwstenen (componenten, "batterijen", graphs) die met elkaar in verband kunnen worden gebracht door relaties te leggen (de "touwtjes" tussen de bouwstenen). 
De attributen (kenmerken) van de bouwstenen en de relaties ertussen bepalen het 3D-model.

Op een visuele manier worden alle karakteristieken ("parameters", bouwstenen met kenmerken en relaties) van het 3D-model ingegeven. Een bouwsteen heeft meestal meer attributen. Door die attributen te benoemen (te kiezen uit een bij die specifieke bouwsteen behorende selectie), de waarde van de attributen variabel te maken (en te begrenzen) en de relatie met andere bouwstenen te leggen is een snel aanpasbaar 3D-model te genereren. Grasshopper zorgt voor de rest en herberekent onmiddellijk tot een nieuw model. Grasshopper geeft door de kleur van de aangepaste bouwsteen aan of er voldoende informatie is om tot een 3D-model te komen (bij rood ontbreekt iets essentieels, bij oranje ontbreekt er nog wat, en groen is OK).

Zonder programmeren/coderen van de gebruiker wordt een 3D-model gegenereerd dat rechtstreeks in Archicad gebruikt kan worden. Ook kan een object in Archicad worden geïmporteerd in Grasshopper en daar wijzigingen worden aangebracht waardoor het model in Archicad wordt geupdate.

Bij een balk definieer je bijvoorbeeld als attributen:
- materiaal (hout, beton, staal e.d.)
- type profiel (I-balk e.d.)
- geometrie (vorm, lengte e.d.).

Bij een vloer bijvoorbeeld als attributen:
- materiaal (beton, hout)
- overspanningen in twee richtingen
- dikte van de vloer.

Je kunt "spelen" met Grasshopper en Rhino tot je het gewenste resultaat hebt.
Met één handeling update je het gehele ontwerp. (Oude versies bewaar je in releases.)

Voordelen parametrisch ontwerpen

- Flexibiliteit en snelheid: snel aanpasbaar naar nieuw model (gewoon aanpassen van bijvoorbeeld een parameter in Grasshopper en het gekoppelde Archicad-model toont onmiddellijk het nieuwe resultaat). Bijvoorbeeld afmetingen en materiaal, maar ook relaties tussen ruimtes kunnen aangepast worden. Bij wijzigingen in het ontwerp hoeven dezelfde handelingen niet opnieuw te worden uitgevoerd. 
- Creatieve proces: je kunt vrijer en impulsiever te werk gaan en het resultaat bekijken. Alternatieven kunnen snel getoond worden.
- Vormgeving: onbepaalde, vrije vormgeving (vloeiende lijnen, complexe vormen zoals dubbelgekromde vlakken of andere sferische constructies; repetities met kleine variaties).
- Door de tijdwinst kan de architect zich beter concentreren op het creatieve deel en op de keuze van materialen e.d.
- Wiskundige precisie.
- Gebruik maken van de bewuste onregelmatigheid van Grasshopper (daaruit zijn mooie willekeurige vormen te maken voor wanden enz.).
- Er kan worden geanticipeerd op wijzigingen (een parameter meer is gemakkelijk).
- De hele keten van het ontwerpproces kan worden doorlopen.
- Het model kan tonen wat mogelijk is binnen de gestelde randvoorwaarden. 
- Productie: modellen kunnen worden gekoppeld aan productie, waardoor een efficiency-slag gemaakt kan worden (hoge mate van herhaling van dezelfde soort berekeningen versnelt het productieproces, vooral als er automatisch hoeveelheden, rapporten en ontwerptekeningen worden gegenereerd).
- Optimalisatie: "constructies waarvoor een volledig parametrisch model is gemaakt, zijn vaak geschikt voor optimalisatiestudies. Evolutionaire algoritmes worden ingezet om efficiëntere optimalisaties uit te voeren. Galapagos van Grasshopper is een voorbeeld van een dergelijk algoritme."
- "Door een combinatie van 3D-scannen, parametrisch ontwerpen en gerobotiseerde freestechniek kan elke ruimte getransformeerd worden tot een nieuwe bestemming" (Respace), een vorm van massa-maatwerk.
- Voor de constructeur is er ook de Grasshopper-plug-in Karamba3D waardoor directe integratie van FEA-componenten (voor sterktebepalingen e.d.) in Grasshopper zichtbaar zijn als het model wordt aangepast. FEA staat voor Finite Element Analysis (eindige elementen analyse); FEA maakt gebruik van de Finite Elemens Method (FEM). "Ingenieurs gebruiken FEA-software om het aantal fysieke prototypes en experimenten te verminderen en componenten in hun ontwerpfase te optimaliseren om betere producten te ontwikkelen, sneller en kostenbesparend." 

Nadelen parametrisch ontwerpen

- Het is een andere werkwijze, waar bijvoorbeeld inzicht nodig is van de kenmerken van de bouwstenen (componenten) en van de relaties tussen de bouwstenen. Samenwerking tussen architect en programmeur/constructeur vereenvoudigt het ontwerpproces. De rol van de architect kan meer die van "hoofdredacteur"/bouwmeester zijn, maar voor velen is dat ook interessanter.
- "Parametrisch ontwerpen zal een niet te onderschatten invloed hebben op het werk van de constructeur". De taken van de constructeur worden wellicht verkleind of wijzigen meer naar de programmeurskant. De constructeur is vanuit zijn technische achtergrond waarschijnlijk ook juist degene die mee kan helpen met de parameterisering.

Aandachtspunten

- Parametrisch ontwerpen komt (nu nog) vooral voor bij complexe, zich herhalende vormen zoals glooiende lijnen, gebouwen die enigszins om hun as gedraaid zijn, maar ook bij bijvoorbeeld het ontwerp van schepen en sieraden.
- Ook toe te passen bij eenvoudige vormen i.v.m. grote tijdwinst bij aanpassingen: "Je hoeft soms maar één parameter aan te passen en het programma rekent automatisch het nieuwe model uit en toont het in 3D."
- Parametrisch ontwerpen is minder foutgevoelig dan "handmatig" ontwerpen. En de fouten zijn onmiddellijk zichtbaar.
- Vooral voor vloeren en gevels wordt parametrisch ontwerpen toegepast.
- Er zijn bijvoorbeeld ook koppelingen beschikbaar voor fabricage-informatie ten behoeve van computer-aided manufacturing CAM. Voor de techneuten zijn er verder uitbreidingen mogelijk via scripting en programmering. Veel apps zijn beschikaar via Food4Rhino, gratis of tegen een kleine vergoeding.
- Omdat verschillende pakketten op diverse platforms draaien (Mac, Windows) en door verschillende softwarebedrijven gebouwd worden, kan het wel eens "schuren" als er een nieuwe versie van een andere plug-in is of van Grasshopper, Rhino of Archicad. (Dat geldt overigens voor heel veel softwarepakketten.)

Geschiedenis

"In 2007 ontstond Grasshopper. Het werd ontwikkeld door de Nederlandse Rhino-expert David Rutten. Het was in eerste instantie een work-in-progress-project met de bijnaam Explicit History. Grasshopper werd zeer snel immens populair in de grote en actieve Rhino-gemeenschap." (dr. ir. Jeroen Coenders in CementOnline 7-2018)

Extra onderdelen en toevoegingen van parametrisch ontwerpen

Er zijn veel andere plug-ins/add-ons beschikbaar, voor allerlei toepassingen, zoals Geometry Gym (BIM, Structural Analysis; voor Rhino3d, Grasshopper, Revit) en veel kleinere apps via Food4Rhino, en voor constructeurs Karamba3D.

Een citaat van ir. Ron van Leeuwen, architect van Kokon Architectuur & Stedenbouw (Bouwwereld 2022-03): 
"We tekenen een overkoepelend model in Revit. Daar worden de elementen uit gedistilleerd in Rhino. Na checks door verschillende partijen als een constructeur, aannemer, leverancier of onderaannemer, worden deze modellen gebruikt om de printer mee aan te sturen. Dat is ontzettend mooi en efficiënt. Iedereen werkt in hetzelfde model en er ontstaat geen verwarring door discrepanties tussen verschillende modellen".
Van zo'n bouwproject wordt het risico op fouten kleiner en de doorlooptijd korter.

Naast parametrisch ontwerpen krijgt ook generative design meer aandacht: "Generative design is een ontwerpproces waarbij er op basis van bepaalde voorwaarden van de ontwerper softwarematig verschillende ontwerpen van een object worden gemaakt. Aan de hand van formules berekent de computer welk object het best aan bepaalde voorwaarden voldoen." (Met dank aan Cad&Company.)

Kritische noot
Algemeen gezien is een model een idee, een mening en afhankelijk van invoer, parameters (variabelen) en relaties: je bepaalt zelf wat je er in stopt, welke variabelen er zijn, de grootte daarvan en de relaties met andere variabelen. Gelukkig kunnen we met een parametrisch ontwerp (nog steeds) nagaan wat invoer en variabelen zijn én wat het daaruit voortvloeiende resultaat is. (Anders dan bij modellen van om verkiezingsprogramma's e.d. door te rekenen, modellen waar politici en publiek geen weet hebben van de parameters en beslissingen. Met Artificial Intelligence (AI) speelt dat nog meer, dan is een model veelal een black box waar we eigenlijk niet op zouden kunnen en mogen vertrouwen als we niet alle bepalende gegevens hebben.)

diamantbeurs, amsterdam; opgezet met parametrisch ontwerpen; vogelblik en vanuit de koepel gezien; klik voor groter (octatube):

Met dank aan o.m. Graphisoft, Kubus Archicad en BIM, BIM Advies, Food4Rhino, Karamba3D, Studio RAP.

Zie eventueel BIM.