Dimensioni BIM a impatto zero: un esempio di BIM 7D in Archicad

Tag: Lavorare in BIM

Nell'articolo precedente abbiamo intrapreso una riflessione sugli utilizzi e le declinazioni del BIM nelle PMI italiane. A tal proposito, abbiamo lasciato un quesito aperto: è possibile implementare nel proprio studio alcune declinazioni BIM senza dover fare i cosiddetti salti mortali? Oggi vediamo un esempio sperimentale di BIM 7D implementato in Archicad tramite la Live Connection con Grasshopper.

Lo sviluppo di due algoritmi sincronizzati

Come ho anticipato nell’articolo precedente, la mia tesi di Laurea Magistrale è stato un ottimo punto di partenza per testare i primi approcci di metodologia BIM interdisciplinare e multiscalare.

Vi parlo di quasi 6 anni fa, quando tutto è nato dalla curiosità e dai primi esperimenti con Grasshopper. Chi ha letto l'articolo in cui racconto i miei primi passi da nativo BIM, sa come il plugin di Rhino abbia fatto scattare quella scintilla da cui ho iniziato a comprendere l’importanza del dato nel flusso di lavoro digitale.

Potreste dire: Ma come? Grasshopper non è un software BIM! Vero, ma la logica di un software di programmazione visuale (in gergo tecnico VPL) è completamente diversa dai tipici software di progettazione CAD o BIM.

Per poter sviluppare un algoritmo davvero efficiente bisogna ampliare le proprie conoscenze verso due aspetti: il problem solving e il data management. Traducendo il secondo aspetto: qualsiasi algoritmo generato con questa tipologia di software deve fare i conti con una struttura ordinata di dati (spero per voi che sia quanto più ordinata possibile).

Questa struttura viene più volte manipolata dall’utente tramite componenti, nient’altro che la rappresentazione visiva di righe di codice testuale, in modo da poter raggiungere un determinato scopo. Da un input a un output, componente dopo componente, da sotto-problema al problema, fino alla soluzione.

Il mio elaborato finale voleva mettere in evidenza un ideale e parametrico flusso di lavoro per gestire la progettazione di un intero edificio a torre all’interno di Archicad tramite Grasshopper. Erano i primi esperimenti sulla Live Connection, che, se la memoria non mi inganna, non aveva nemmeno un anno di vita.

Gli obiettivi erano principalmente due:

Comprendere potenzialità e inefficienze di una progettazione algoritmica propria del Computational BIM rispetto alla classica progettazione BIM;

Riuscire a guardare oltre questa semplice dimensione spaziale verso un’implementazione di un flusso dati bidirezionale tra i due ambienti per quanto riguardava le prestazioni energetico-ambientali dell’edificio. Un approccio “from cradle to cradle” comprendente anche la fase di riciclaggio.

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Diagramma di flusso per la creazione di un modello BIM 7D algoritmico

Insomma, difficile a dirsi e anche a farsi. Non nego che partire da zero con Grasshopper sia stata una bella sfida, sembrava quasi impossibile all’inizio. Figuriamoci sviluppare due algoritmi, uno progettuale e uno di analisi energetica, da sincronizzare in un flusso continuo di dati fra Archicad e Grasshopper.

Prima di descrivervi in concreto questa parte pratica è doveroso chiarire come per la definizione del secondo algoritmo per il calcolo delle prestazioni energetico-ambientali si sia presa come riferimento la tesi di Laurea Magistrale dell’Arch. Enrico De Maria e Arch. Angela Duzel e del loro file Excel capace di calcolare alcuni indici prestazionali dell’edifico come l’Embodied Energy, l’Indice di Rinnovabilità e la certificazione svizzera Minergie.

A proposito dell’Embodied Energy, chiariamo anche in questo caso cosa si intende quando si parla di energia grigia.

Una componente da considerare: l'energia

A differenza di quanto avveniva in passato, quando i materiali venivano scelti per la sola componente estetica, negli ultimi anni si sta dando sempre più importanza a quella che è la componente energetica incorporata all’interno dei materiali da costruzione: sia durante la loro fase di produzione sia per la messa in opera in cantiere.

Come già detto, il bilancio dell’edificio deve tener conto dell’intero ciclo di vita dello stesso e non solo della sua fase operativa. Per questo motivo, quando si fa riferimento all’energia dei materiali da costruzione, bisogna parlare di Life Cycle Energy Analysis (LCE): l’energia totale del ciclo di vita di una costruzione, data dalle singole componenti.

L’energia totale viene divisa in due tipi di energia, provenienti entrambe da fonti rinnovabili e non rinnovabili:

Operational Energy (OE): tiene conto dell’energia necessaria al soddisfacimento del benessere termoigrometrico, alla produzione di acqua calda e dell’impianto elettrico. È un’energia che ricopre tutto il periodo d’uso effettivo dell’edificio;
Embodied Energy (EE): riguarda la somma di tutte le energie necessarie per il trasporto, la fabbricazione, il montaggio, l’installazione, lo smontaggio e la decomposizione dei materiali da costruzione.

Senza entrare troppo nel dettaglio, l’Embodied Energy può essere a sua volta scomposta in più tipologie di energia. In un'analisi Life Cycle Energy Analysis le quote di Embodied Energy che entrano in gioco sono:

Embodied Energy iniziale (EEi): l’energia necessaria alla produzione del materiale, comprendente l'estrazione, la fabbricazione e il trasporto in cantiere;
Embodied Energy di costruzione (EEc): l’energia per la messa in opera dei componenti edilizi, per il loro trasporto in sito, prefabbricazione e, quindi, per la costruzione dell’edificio stesso;
Embodied Energy periodica o sostituzionale (EEr): l’energia utilizzata nelle fasi di manutenzione e sostituzione dei materiali, tenendo conto dei vari cicli sostitutivi;
Embodied Energy di demolizione o smaltimento (EEfd): l’energia utilizzata per lo smontaggio e/o demolizione dell’edificio, comprendente anche il trasporto in discarica o negli impianti di riciclaggio.

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Diagramma dei vari processi di trasformazione dell'energia a partire dall'estrazione delle materia prima fino alla creazione del materiale da costruzione

Il calcolo del Life Cycle Energy Analysis, come secondo obiettivo dell’elaborato finale, può essere riassunto nella seguente formula:

LCE = EEi + EEc + OE + EEr + EEfd

La prima parte di ricerca: la progettazione parametrica architettonica

Andiamo a passo veloce con la prima parte della ricerca per la progettazione parametrica architettonica.

Nel caso della scomposizione del problema del caso studio si sono andati a definire tutta una serie di sotto-problemi in relazione alle differenti tipologie di elementi edilizi. Un esempio possono essere partizioni verticali, partizioni orizzontali, sistema di ombreggiamento, sistema d’involucro e così via. Oltre che facilitare la scomposizione del problema, tale suddivisione è stata funzionale anche in vista della scrittura dell’algoritmo di analisi LCE visti i differenti dati in entrata per i vari componenti edilizi.

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Flusso dati geometrici da Grasshopper verso Archicad. In ambiente VPL sono stati generati circa l’87% degli elementi BIM, in arancione sono evidenziati i restanti modellati in Archicad

La progettazione completamente parametrica ha evidenziato come, nonostante i tempi di modellazione in Grasshopper siano di circa un ordine di grandezza superiori rispetto a una modellazione BIM, si riuscisse a controllare circa l’87% degli elementi costituenti il modello informativo. E per "controllo" intendo modificare un gran numero di elementi in poche manciate di secondi, giusto il tempo di calcolo della macchina.

Un notevole risultato vista anche la complessità del caso studio, costituito da superfici complesse tramutate poi nei corrispettivi elementi edilizi come curtain wall e profili a sezione variabile per i frangisole. Non a caso ci si era ispirati alle architetture di Herzog & de Meuron.

A parte la velocità di modifica e l’alta componente parametrica, potreste domandarvi quale possa essere il vantaggio effettivo di progettare in Computational BIM. Voglio mettervela così: provate a immaginare dimezzati i tempi di progettazione, magari aggiornando il modello tramite ambiente VPL la fase definitiva potrebbe risultare quasi superflua. Vale la pena dare un’opportunità a questa architettura informatica.

La seconda parte di ricerca: lo sviluppo dell'algoritmo energetico

Lo sviluppo dell’algoritmo energetico, invece, è partito dalla trascrizione di alcuni dati in un foglio di calcolo Excel. In questo modo si è creata una banca dati aperta in cui nel tempo si potessero aggiornare e aumentare informazioni come densità, peso superficiale, cicli sostitutivi e simili per ogni materiale edilizio.

Un ringraziamento va anche ad alcuni plugin per Grasshopper che hanno poi permesso la sincronizzazione del database Excel in ambiente VPL. La formula matematica dell’LCE del paragrafo precedente ha permesso di scomporre anche in questo caso il problema in sottocategorie.

Col senno di poi devo dire che questa seconda parte di ricerca della tesi non fu complicata: si trattava di una semplice scrittura visuale di formule matematiche. E non sminuisco il lavoro svolto, è per dimostrarvi che tutto ciò è alla portata di tutti. O per meglio dire di chi vuole e ne ha necessità.

Da non dimenticare: questa struttura dati doveva presentare alcune varianti in relazione alla destinazione d’uso dell’edificio, alla stima del suo ciclo vita e di altre informazioni che “condizionavano” l’apporto di Embodied Energy in base al numero di sostituzioni/manutenzioni per elemento edilizio. Qui forse la situazione si era leggermente complicata, ma non era impossibile.

Le fasi del flusso bidirezionale

La prova del nove per generare il flusso bidirezionale desiderato poteva essere divisa in due fasi:

La prima metteva in relazione i dati dimensionali estratti dai vari componenti Grasshopper, generanti gli elementi Archicad, con i relativi input per i vari calcoli energetici.

La seconda consisteva nell’importare i dati energetici di output dei singoli elementi e della totalità dell’edificio per mezzo di Proprietà custom richiamate in Grasshopper.

algoritmo-bim7d

Algoritmo modello BIM 7D. A sinistra la prima parte per la progettazione parametrica, a destra la seconda parte per il calcolo delle prestazioni energetiche-ambientali per ogni tipologia di elemento

Mi rendo conto di come tutto ciò sia molto difficile e probabilmente nemmeno la lettura dell’intera tesi potrebbe risolvere i dubbi di qualcuno. Ne sa qualcosa la commissione di laurea.

L’intento, invece, è quello di farvi comprendere quali possono essere le potenzialità del Computational BIM verso le dimensioni del BIM e che queste possono essere alla portata di tutti. Mettendo in conto circa un anno di pratica con Grasshopper.

modello-bim7d

Modello BIM 7D in Archicad ad analisi energetica conclusa. Nel pannello impostazioni dell’elemento Muro sono visibili come Proprietà i valori importati da Grasshopper di Embodied Energy ed Indice di Rinnovabilità

Una considerazione finale

Ma proviamo a fare un'ultima considerazione. La progettazione algoritmica, che si voglia far riferimento ai software VPL o ai linguaggi di programmazione testuale, non deve essere intensa come un semplice uso avanzato di programmi per la progettazione architettonica o come un nuovo modo di concepire l’architettura stessa.

Il design algoritmico può essere inteso come uno strumento attraverso il quale superare i limiti non solo dei modellatori tridimensionali ma, soprattutto, dell’approccio mentale al progetto, proiettando le abilità umane verso più alti livelli di complessità e controllo dell’architettura.

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