O que é design computacional?

Computadores e software, agora comuns no projeto de construção, chocaram o sistema quando introduzidos na indústria no final da década de 1980. O design computacional está posicionado para fazer uma mudança semelhante na maneira como projetamos, substituindo livros de código por algoritmos e análise humana por inteligência artificial.

O design computacional é um método de design emergente definido para mudar o cenário de nossa indústria como a conhecemos. No Digital Agility Summit de 2022, Anthony Zuefeldt, líder em transformação tecnológica dentro da indústria de AEC, proclamou: "Cada faceta da indústria de AEC acabará sendo afetada pelo [design computacional], e alguns chamaram isso de 'momento decisivo' desta década". 

Então, o que exatamente é o design computacional? E como isso afetará os processos de projeto e construção amplamente utilizados agora? 

O que é design computacional?

O design computacional é um método de design que usa uma combinação de algoritmos e parâmetros para resolver problemas de projeto com processamento avançado de computador.  Cada etapa do processo de um projetista é traduzida para uma linguagem de computador codificada. O programa de software usa essas informações juntamente com parâmetros específicos do projeto para criar algoritmos que geram modelos de projeto ou análises de projeto completas. Uma vez que a programação inicial é concluída, o design se torna um processo dinâmico e repetível.

Tradicionalmente, o design é passivo – um projetista usa seu conhecimento e intuição para criar projetos com um programa de design assistido por computador (CAD).  Este método de elaboração manual limita o número de opções de projeto que podem ser consideradas e é restrito pelo tempo e recursos disponíveis. Uma vez implementado, o design computacional é uma ferramenta eficaz e útil para aumentar a produtividade e criar projetos mais robustos.

Os projetistas devem dividir seu processo de design em etapas mensuráveis para implementar o design computacional. Essas etapas criam um conjunto de instruções, completas com padrões e tendências reconhecíveis, que estabelecem a estrutura para algoritmos resolverem problemas de projeto. 

Ferramentas de Design Computacional

O design computacional dá aos projetistas o poder da programação sem a necessidade de aprender código. Isso ocorre porque a maioria das ferramentas de design computacional usa programação visual em oposição a linhas de código baseado em texto. Com a programação visual, os usuários conectam saídas de um nó a entradas de outro, criando um programa que viaja de nó para nó por conectores. O resultado final é uma representação gráfica, ou essencialmente um fluxograma, do processo de design.

Essas ferramentas de programação visual são tipicamente plug-ins que combinam com software de modelagem de projeto como Tekla Structures,  Autodesk Revit, Trimble Quadri e Bentley MicroStation. Dois dos principais plug-ins de design computacional são o Dynamo, compatível com o Revit, e o Grasshopper, compatível com o Tekla, o Quadri e o Rhino.

O Dynamo é uma ferramenta de programação visual da Autodesk. Os usuários importam e exportam dados de seu modelo 3D, Excel ou até mesmo arquivos de imagem para preencher a interface de script. O programa exibe geometrias complexas, permitindo que os designers analisem seus projetos e façam modificações visuais.

O Grasshopper antecede o Dynamo e é provavelmente o plug-in de design computacional mais popular. Com essa ferramenta de modelagem algorítmica, os usuários criam regras de design com a interface baseada em nós. Os designers também podem tirar proveito da extensa biblioteca de nós e das ferramentas de design de terceiros. 

Tipos de Design Computacional

O design computacional está evoluindo e mudando à medida que os padrões são estabelecidos dentro do campo. Atualmente, existem três subconjuntos de design computacional: design paramétrico, design generativo e design algorítmico.

Projeto Paramétrico

O design paramétrico é um processo de design interativo que usa um conjunto de regras e parâmetros inseridos para controlar um modelo de projeto.  As regras estabelecem a relação entre diferentes elementos de projeto. Os parâmetros são valores específicos do projeto que definem o modelo de design, como dimensões, ângulos e pesos. Quando um parâmetro é modificado, os algoritmos atualizam automaticamente todos os elementos de design associados com base nas dependências definidas.

O design paramétrico é um passo acima da modelagem 3D tradicional, onde um projetista é responsável por atualizar cada elemento de design individualmente. Em vez disso, um projetista simplesmente atualizaria um parâmetro e os algoritmos paramétricos fariam todas as atualizações associadas. O design paramétrico é ideal ao projetar geometrias arquitetônicas complexas e incomuns.

Um modelo paramétrico é facilmente modificado e pode ser ajustado em tempo real. Isso permite que um designer explore muitas opções de design possíveis. Em vez de desenhar centenas de colunas, todas com compensações e dimensões independentes, os designers inserem parâmetros simbólicos que definem como as colunas se relacionam entre si e com o próprio edifício. Se as colunas precisarem ser deslocadas no futuro com base em novas informações de design, o parâmetro será atualizado e todo o modelo será ajustado com base no algoritmo armazenado.

O termo paramétrico deriva do parametricismo, cunhado em 2009 por Patrick Schumacher, diretor da Zaha Hadid Architects. Ele argumentou que um novo estilo de design havia surgido que estava "enraizado em técnicas de design digital e aproveita ao máximo a revolução computacional que impulsiona a civilização contemporânea". O parametricismo pode ser usado para descrever um estilo contemporâneo e vanguardista particular de estruturas de forma livre que são tipicamente projetadas com ferramentas de design paramétrico. 

Como o design paramétrico é usado

O design paramétrico já está infundido nos fluxos de trabalho de muitos designers. Com ferramentas de visualização como o Grasshopper pré-instalado no Rhinoceros 6, o design paramétrico é acessível e a programação visual é intuitiva. Os projetistas simplesmente inserem parâmetros, como dimensões, ângulos ou compensações, juntamente com os requisitos de projeto aplicáveis para receber uma saída. O processo de projeto paramétrico é feito em um programa de modelagem de informações de construção (BIM) ao vivo e será atualizado em tempo real se os atributos forem alterados.

Certos plug-ins de design computacional, como o Tekla Structures, vêm pré-programados com uma biblioteca de nós que produzem algoritmos baseados em códigos e padrões atuais do setor, eliminando a necessidade de inserir regras de design no front-end. O Tekla Structures permite que os engenheiros estruturais criem estruturas curvas complexas inserindo visualmente dados em um editor baseado em algoritmos. 

Design Generativo

O design generativo é um processo de design iterativo que usa entradas definidas pelo usuário para produzir vários conceitos de design que atendam a metas específicas. As entradas são regras e parâmetros que definem os requisitos de projeto, semelhante ao projeto paramétrico. Com o design generativo, o usuário também insere métricas de sucesso que avaliarão os resultados. A inteligência artificial (IA) e a computação em nuvem geram dezenas ou até centenas de opções de design, classificadas por essas métricas.

As métricas de sucesso são critérios usados para otimizar o projeto, como posicionamento do edifício, planejamento espacial, análise de segurança da vida, capacidade de carga estrutural, número de unidades de construção ou dados de custo. O programa produzirá uma ampla gama de opções de design e o projetista refinará os critérios de otimização de acordo. O design generativo combina o poder da IA para criar centenas de projetos possíveis com a intuição da escolha humana para restringir os resultados.

Projetistas deixados a sós com seus próprios dispositivos tendem a criar resultados previsíveis. Embora algum nível de tentativa e erro seja inerente ao processo de design, é inviável para um ser humano produzir e examinar todas as opções de design possíveis. Isso faz com que os arquitetos se apoiem em projetos testados e comprovados ou naqueles usados em projetos anteriores, às vezes, em vez da opção ideal.

O design generativo leva os projetistas a soluções que eles nunca imaginaram que estão além de seu processo normal de pensamento. Essas soluções são chamadas de "acidentes felizes" no mundo do design generativo. Os projetistas usam o processo de opção – a consideração aprofundada de várias opções de design – para avaliar todos os resultados, refinar seus critérios e chegar ao melhor resultado de design. 

Como o design generativo é usado

O design generativo é um processo para otimização de projeto. Os projetistas usam essas ferramentas para maximizar o número de locais atendidos por uma estrada, minimizar o número de membros estruturais necessários para atingir uma carga de projeto específica ou alcançar uma capacidade térmica especificada dependente de várias superfícies ou materiais de construção. 

Design algorítmico

O design algorítmico é um método de projeto guiado por algoritmos.  O termo é frequentemente usado de forma intercambiável com o design computacional e pode ser considerado um tipo de design generativo. O design algorítmico usa algoritmos — um conjunto de instruções que determinam a solução para um problema — para produzir modelos arquitetônicos. Em outras palavras, um conjunto de regras é usado para definir um sistema, em vez de definir cada elemento individualmente.

Enquanto o objetivo do design generativo é produzir o maior número possível de opções de projeto para análise, o design algorítmico é o oposto. Um nível mais alto de detalhe e escrutínio é colocado nas regras e parâmetros de entrada em um esforço para produzir apenas um ou alguns resultados desejados. Muitas vezes, o design algorítmico se parece com uma linha separada de código ou conectores entre nós que podem ser rastreados até cada elemento de construção individual gerado. 

Relação entre design paramétrico, generativo e algorítmico

Como esses diferentes subconjuntos de design computacional se relacionam entre si? Cabe à interpretação à medida que o campo do design computacional se desenvolve e padroniza.

Vamos primeiro simplificar a definição e a intenção de cada método de design: 

• O design paramétrico usa parâmetros e regras para criar uma solução de design que é facilmente modificada.
• O design generativo usa algoritmos para gerar um lote de opções de projeto para avaliação.
• O design algorítmico usa algoritmos para produzir um modelo de design. 

É fácil ver como há alguma sobreposição entre os termos, especialmente a definição ampla de design algorítmico. O design algorítmico é um tipo de design generativo porque usa algoritmos para produzir um resultado de projeto. Também pode ser considerado um tipo de projeto paramétrico se esses algoritmos dependerem de um conjunto de parâmetros.

Parâmetros e regras são componentes-chave do design paramétrico e generativo. Ambos os métodos de projeto também dependem de dados de entrada fortes para produzir resultados confiáveis.

Os engenheiros usam scripts visuais para desbloquear todo o poder do design paramétrico - criando fluxos de trabalho personalizados, automatizando tarefas de design repetitivas e lidando com formas complexas. Saiba mais sobre o design paramétrico usando o Tekla e o Grasshopper aqui. 

O design paramétrico é um processo interativo — os elementos do modelo de projeto são associados uns aos outros, permitindo modificações de projeto em tempo real que são atualizadas em todo o projeto. O processo usa plug-ins de software que dependem de parâmetros de entrada precisos e relações de elementos.

O design generativo é um processo iterativo — o software produz muitos resultados, classificados pelas restrições fornecidas pelo usuário ou métricas de sucesso. O processo usa algoritmos avançados e inteligência artificial, mas ainda requer intuição humana para finalizar a escolha do projeto.

Pesquisadores da Frontiers of Architectural Research detalham ainda mais a diferença entre esses subconjuntos de design computacional em seu relatório Computational design in architecture: Defining parametric, generative, and algorithmic design. 

Quais são os benefícios do design computacional?

A implementação de métodos de design computacional requer uma mudança cultural e uma programação extensiva no frontend, mas uma vez que uma empresa de design supere a curva de aprendizado inicial, eles serão capazes de: 

• Projetar melhores soluções – Os projetistas podem explorar centenas de opções de design, em vez de apenas as poucas que produziriam com o rascunho manual. Eles também podem tirar proveito das soluções de design exclusivas geradas que se afastam do pensamento convencional. Os algoritmos de design podem ser refinados para melhorar  continuamente os resultados.
• Automatizar tarefas repetitivas – Atualizar uma dimensão ou renomear uma superfície é simples quando ela se aplica apenas a um elemento, mas torna-se tediosa e o lucro diminui quando necessário aplicar em centenas. Com ferramentas de design computacional conectadas ao software de modelagem, um projetista pode criar um algoritmo que modifica todo o modelo em tempo real.
• Melhore a produtividade – Uma vez que os processos de projeto específicos da empresa são programados em uma ferramenta computacional, os projetistas podem essencialmente terceirizar tarefas de projeto para esses programas. Com o design computacional, os arquitetos podem projetar mais rapidamente com menos iterações, melhorando a produtividade e realizando mais com menos recursos.
• Reduza os riscos de projeto – Processos de design iterativos e ferramentas de programação visual fáceis de usar permitem que um designer melhore a qualidade do projeto acima das capacidades humanas. A inteligência artificial pode ser aproveitada para testar um projeto em vários cenários. Projetos livres de erros reduzem o risco e a responsabilidade de todas as partes envolvidas.
• Reduza os custos do projeto – Mudar tarefas de projeto tediosas e o pensamento de projeto para ferramentas de design computacional reduz o nível de pessoal necessário para um projeto. Além disso, os projetos produzidos por algoritmos terão menos erros, reduzindo a probabilidade de alterações no projeto de campo. Com menos recursos e mudanças,  os custos dos projetos diminuirão.

Projetar estruturas com formas interessantes, como as vistas no Twickenham Riverside Development Project, foi possível com o design computacional.  Leia mais sobre o projeto premiado aqui. 

Como o design computacional é usado agora

Embora o design computacional seja um conceito emergente para muitos na indústria, ele tem sido usado na prática em inúmeros projetos de construção e infraestrutura. 

Projeto Paramétrico no Aeroporto Internacional de Nova Orleans

O projeto do terminal do Aeroporto Internacional Louis Armstrong de Nova Orleans começou em 2011. Seria o primeiro grande aeroporto a substituir um terminal nos dez anos anteriores. Para cumprir um cronograma acelerado e alcançar o visual inspirado no crescente, a equipe de projeto, uma joint venture entre Atkins North America, eStudio Architecture e Leo A Daly, sabia que soluções inovadoras seriam necessárias para a abordagem de projeto.

Uma das soluções utilizadas foi um modelo paramétrico para auxiliar no processo de projeto. O telhado esférico e as grades radiais foram controlados parametricamente com o plug-in de programação visual Grasshopper habilitado com o software de modelagem Rhino. Com o modelo paramétrico, os projetistas foram capazes de ajustar sem esforço a geometria da estrutura à medida que o projeto era ajustado, permitindo que o processo de design terminasse dentro do cronograma, mesmo após inúmeras mudanças de projeto. 

Design generativo usado pelo Daiwa House Group do Japão

Há uma demanda inflada por habitação urbana no Japão. Com 9 em cada 10 cidadãos japoneses residindo em cidades densamente povoadas, o Daiwa House Group, o maior construtor de casas do Japão, tem a tarefa de maximizar as oportunidades de moradia em toda a escassa terra disponível. Para fazer isso, eles utilizam práticas de design generativo.

O Daiwa House Group usa ferramentas de design generativo para acelerar seu fluxo de trabalho e apresentar aos clientes planos de casa exclusivos que maximizam seu lote de construção, em vez de confiar em métodos convencionais. "Design generativo ... oferece possibilidades que se desviam das convenções de maneiras positivas. Acho que esse é o maior apelo da tecnologia", explica o diretor de projetos da Daiwa, Masaya Harita. 

Como o design computacional será usado no futuro

O design computacional está posicionado para alterar o cenário da indústria de AEC da mesma forma que o CAD e o software de gerenciamento de projetos. Uma vez que as barreiras iniciais à entrada sejam superadas, o design computacional será uma adição revolucionária ao projeto arquitetônico, engenharia e construção. 

Projeto Computacional na Construção Civil

Os métodos de design computacional estão começando a transcender o escopo do design e entrar em construção. Os empreiteiros inserirão parâmetros sobre seus canteiros de obras exclusivos e receberão dados otimizados sobre os procedimentos para aumentar a eficiência e reduzir custos, incluindo melhorias no local, como: 

• Posicionamento otimizado de equipamentos – Para alguns projetos de construção, todo o cronograma é baseado na disponibilidade e nos movimentos de equipamentos de construção integrais. Com o design generativo, os empreiteiros podem receber dados otimizados específicos do projeto sobre o número ideal e a localização de guindastes de torre e outros equipamentos pesados.
• Redução do desperdício de materiais – Desperdício zero, ou pelo menos minimizar o desperdício, é sempre o objetivo de um projeto, mas se mostra difícil na prática. Com ferramentas computacionais, um projeto de design poderia ser otimizado para reduzir o desperdício usando dados de matérias-primas e avaliações de resíduos gerados.
• Ordem de Operações Melhorada – Organizar a ordem de execução de cada disciplina é uma tarefa complexa que pode fazer ou quebrar o cronograma de um projeto. As ferramentas de design computacional permitem que uma equipe de projeto crie uma lógica que sequencie a instalação de componentes de construção. A sequência poderia então ser otimizada e melhorada para eficiência. 

A implementação do design computacional em toda a indústria de AEC exigirá uma mudança cultural.

Embora as ferramentas de design computacional sejam relativamente fáceis de usar graças à programação visual, implementar o método de projeto em uma empresa ou em toda a indústria não é pouca coisa. Portanto, projetistas, engenheiros e empreiteiros intrigados com as eficiências e otimizações que o design computacional oferece devem defender seu uso, um projeto de cada vez.