Il blog di Archicad Italia

La facciata è probabilmente l’elemento più caratterizzante dell’architettura contemporanea: non demarca soltanto il confine fra interno ed esterno ma è diventato il principale elemento espressivo degli edifici. Molte architetture sono infatti quasi del tutto caratterizzate dall’involucro esterno più che dalla loro forma complessiva. È il caso del Centro Acquatico Nazionale di Pechino dello studio australiano PTW Architects, noto come Water Cube. Se non fosse per l’involucro non sarebbe che un anonimo parallelepipedo, più simile a un capannone che a una rinomata struttura sportiva.

Il Water Cube

Il nome Water Cube, sintetizzato anche come [H₂o]³, ne descrive bene le caratteristiche: un cubo formato da bolle d’acqua, richiamo alle attività sportive che vi sono ospitate. Le bolle sembrano voler fuoriuscire dalla sagoma che a malapena riesce a contenerle. Pur trattandosi di un edificio di 90.000 mq e circa 150 metri di lato, colpisce la leggerezza e l’armonia d’insieme, marcata dagli effetti illuminotecnici che abbiamo potuto ammirare durante le olimpiadi di Pechino del 2008.

La disposizione delle bolle sembra casuale e al contempo obbedire a una qualche legge della natura. Qual è il segreto di questa armonia che accomuna ogni singola bolla con il tutto? Per rispondere, abbiamo rimodellato l'edificio usando Archicad.

I diagrammi di Voronoi

Dobbiamo al matematico russo Georgii Fedoseevich Voronoi la definizione di questo particolare tipo di diagramma o tassellazione dello spazio. Osservando la disposizione delle bolle di sapone in uno spazio confinato, Voronoi scoprì come queste si comprimono a vicenda fino al raggiungimento di una configurazione stabile, e da elementi sferoidali diventano dei poliedri di 12 o 14 facce.

In natura abbiamo numerosi esempi di tassellazioni Voronoi, perché è il sistema che gli organismi utilizzano per disporre le cellule. Le venature delle foglie o le macchie del manto delle giraffe, per citare alcuni esempi, obbediscono a questa legge.

Questo tipo di diagramma ha un ampio uso per generare le cosiddette mappe di prossimità, che valutano il raggio d’azione rispetto a determinati punti. Con i diagrammi di Voronoi l’epidemiologia individua i focolai delle infezioni, mentre i sistemi aeroportuali internazionali stabiliscono quali sono le piste d’atterraggio più vicine. L’immagine qui sotto è di Jason Davies, che ha approfondito gli usi dei diagrammi Voronoi e la loro generazione tramite algoritmi.

L’utilizzo dei diagrammi Voronoi in architettura è sempre più diffuso, sia in grandi che in piccole scale. Non solo sistemi complessi e grandi edifici, ma anche camminamenti e controsoffitti vengono caratterizzati da questo tipo di composizione.

Come si ottiene una tassellazione Voronoi?

1. Si parte dalla disposizione casuale di punti su un piano;
2. Si congiungono i punti con dei segmenti di costruzione (detti triangoli di Delaunay);
3. Nella mezzeria del segmento si traccia una retta perpendicolare al segmento di costruzione;
4. Infine si intersecano le rette ottenute.

Tutto qui. Maggiore è la distanza reciproca fra i punti, maggiori le dimensioni della regione: ecco perché nella mappa di prossimità aeroportuale, agli aeroporti più remoti e isolati corrispondono le regioni più grandi.

È possibile sviluppare con lo stesso principio un diagramma di Voronoi in 3D, partendo da un reticolo di punti nello spazio e considerando piani e superfici anziché rette e segmenti. Il principio è intuitivamente semplice, applicarlo un po’ meno.

L’involucro del Water Cube modellato con Archicad

Per riprodurre le facciate del Water Cube o di qualsiasi altra architettura basata sulla tassellazione Voronoi, utilizziamo lo strumento Curtain Wall. Dobbiamo innanzitutto considerare che le 5 facciate (comprendendo anche la copertura) non sono fra loro indipendenti: le bolle agli angoli sono contigue, dove finisce una riprende l’altra sull’altra superficie.

Abbiamo due modi per procedere:

• Manualmente, partendo dai disegni dei prospetti, possiamo ricalcare il pattern delle facciate all’interno dell’ambiente di editing dello strumento Curtain Wall;
• Con gli strumenti computazionali, come Grasshopper, possiamo generare uno schema Voronoi 3D e quindi creare quante facciate si voglia.

Il metodo manuale

In questo caso dobbiamo partire dai disegni esistenti, altrimenti le bolle agli angoli non sarebbero coincidenti, anche se disegnassimo lo schema Voronoi col metodo sopra illustrato. Quest'ultimo è valido se dobbiamo disegnare un’unica facciata senza relazioni con superfici contigue.

Nel caso del Water Cube si tratta di ricalcare quattro diverse superfici da 150x26 metri e la copertura da 150x150 metri. Non esiste un pattern che si ripeta (che nel nuovo Curtain Wall, da ARCHICAD 22 in avanti, è ben gestibile), ogni bolla è diversa da tutte le altre. Diciamo quindi che il metodo manuale si può applicare in caso di superfici più piccole e che non hanno contiguità con altre superfici. La facciata di un edificio, ad esempio, è perfettamente gestibile in questo modo e non comporta nemmeno tempi di esecuzione troppo lunghi: per sviluppare l'esempio riportato nel filmato ci sono voluti non più di una decina di minuti.

I passaggi per ottenere una trama personalizzata del Curtain Wall sono i seguenti:

1. Creare un Curtain Wall delle dimensioni volute e costituire un'unica pannellatura: nell'esempio del video la facciata misura 30x9 metri e quindi creiamo un unico pannello di tali misure. Se la trama fosse ripetibile potremmo impostare un pannello pari alle dimensioni del motivo ripetibile;
2. Attivare il Sottolucido di Riferimento in cui avrai posizionato la trama da ricalcare;
3. Ricalcare il disegno sottostante nell'ambiente di editazione del Curtain Wall, utilizzando il componente Profilo: potrai modificarlo anche in seguito, l'importante in questa fase è utilizzare un tipo di profilo per gli elementi della trama ed eventualmente un altro tipo per i bordi della facciata.

Una volta ricalcati tutti gli elementi, esci dall'ambiente di editazione. Potrai modificare il Curtain Wall anche in un secondo momento, modificando la trama o lavorando sulle caratteristiche dei profili o dei pannelli.

Il filmato qui sotto mostra come lavorare con una trama ripetuta per generare i motivi decorativi tipici delle architetture mediorientali.

Come risultato abbiamo una facciata continua unica, un oggetto costituito da più componenti che possono essere gestiti e personalizzati a piacere con ottimi livelli di finitura.

Il metodo computazionale

Con il metodo computazionale possiamo generare quante configurazioni vogliamo preservando la contiguità delle celle da una superficie all’altra. Partiamo da un insieme di punti nello spazio e generiamo i solidi utilizzando la funzione Voronoi 3D in Grasshopper. Dei solidi consideriamo soltanto i bordi delle celle che giacciono sulle 5 superfici esterne.

Con la Live Connection Rhino Grasshopper - Archicad possiamo trasformare le regioni individuate in Curtain Wall, ma avremo tanti Curtain Wall quante sono le celle - nel nostro caso ben 988. Inoltre con questo metodo non è possibile generare i pannelli a forma di bolla.

Possiamo generare i pannelli in Grasshopper e poi importarli in Archicad come elementi Forma. È preferibile quindi generare separatamente i profili della facciata continua da una parte e le bolle dall'altra. In questo esempio i profili sono stati generati in Grasshopper e importati in Archicad come Forme per la difficoltà a gestire le travi su un piano verticale con diverse inclinazioni, mentre una trave può avere un angolo compreso fra -89 e + 89 °.

I vantaggi sono indubbi: velocità di esecuzione e la possibilità di generare infinite possibili configurazioni. Di contro, non avremo un unico elemento Curtain Wall ma tutti i sub-componenti come entità indipendenti: è importante quindi che ad ogni elemento sia assegnato un proprio identificativo.

Le bolle sono state generate con WeaverBird, un plug-in sviluppato da Giulio Piacentino per generare e modificare le superfici di tipo mesh. La profondità delle bolle è in relazione con la dimensione delle celle: maggiore è la superficie della cella, più sporgente sarà la bolla.

Il metodo misto

Esiste una terza strada ed è quella che combina i due metodi: si genera la trama di ogni facciata in Grasshopper e la si ricalca in Archicad nell’editor del Curtain Wall. Nel frattempo avremo generato le bolle e le avremo salvate una a una come oggetto Pannello Curtain Wall. Questo è probabilmente il miglior compromesso fra velocità e qualità. per quanto il concetto di velocità è relativo e commisurato all'obiettivo... ma del resto non capita tutti i giorni di progettare un Water Cube.

Architettura, Design Generativo e Voronoi

Il design generativo ha cambiato il modo in cui concepiamo l'architettura e, di conseguenza, il suo aspetto. Ciò non significa che dobbiamo rinunciare al modo di fare architettura tradizionale, laddove l'utilizzo di strumenti computazionali comporterebbe una complicazione immotivata e non necessaria. D'altro canto, alcuni elementi delle grandi architetture divenute patrimonio comune possono influenzare e arricchire il repertorio di forme e tecniche a disposizione dei progettisti. I diagrammi Voronoi, di cui in pochi conoscevamo l'esistenza prima dell'avvento del design computazionale, sono uno di questi.

Qui sotto puoi scaricare il file di Grasshopper/Archicad utilizzato in questo articolo. Ricorda di installare WeaverBird, o non potrai visualizzare le bolle. Per eliminare le linee duplicate ho utilizzato Kangaroo 2.

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