Algorithmically aided management of structure modularity at the design and execution stage

The interest in prefabricated building modules is constantly growing due to the increasing possibilities of analysing extensive data sets in computers and the popularity of BIM technology. The ability to manage the position, size and properties of many different elements make it easy to create and evaluate complete modular models at the design stage. Benefits of prefabrication include, among the others, decreased cost, minimisation of environmental impact, and reduced labour on-site. However, making structures and buildings suitable for prefabrication puts additional responsibility on the designer, who needs to choose the modular system, partition the structure and prepare detailed schedules. The article refers to digital control over modular design in the context of the increasing complexity of structures. It focuses on methods and tools that either reduce the designer’s labour or provide him with information that can be used to optimise the structure in terms of efficiency or cost. The article organises the existing trends and presents three experiments on algorithmic control of modular structures to outline the differences in computational methods suitable for particular technologies: masonry, steel, glass and timber construction. The research illustrated in the article was undertaken in response to the need to develop construction technologies in line with the sustainable development trend.

Wykorzystanie modularnych struktur tektonicznych jest głęboko zakorzenione w historii realizacji budowlanej i w teorii architektury. Początkowo budowanie z powtarzalnych porcji materiału było wyłącznie skutkiem uwarunkowan praktycznych. Rozmiar bloków kamiennych, belek drewnianych i cegieł dostosowywano do możliwości transportowych, technik wznoszenia budowli siłą ludzkich mięśni i charakterystyki najprostszych maszyn. Dyskurs teoretyczny renesansu rozszerza rozważania o modularności o aspekty estetyczne. Alberti wspomina o konieczności prowadzenia wątków kamiennych i ceglanych „według wyznaczonych linii i (. . . ) kątów”. Budowle nowożytne, wyrastające z fascynacji perspektywą i szerzej, teorią postrzegania, wykorzystuja modularność dla uwypuklenia wrażeń przestrzennych. Architektura wieków późniejszych skupiona była raczej na wizualnym odbiorze elementów budowlanych niż na ich tektonicznym uporządkowaniu. Dekoracja podporządkowana względom estetycznym przesłaniała wewnetrzne modularne struktury. Zmiany w wartościowaniu przyniósł dopiero wiek dziewiętnasty. Eugène Viollet-le-Duc zwrócił uwagę na piękno średniowiecznych budowli, które eksponowały strukturalny sens pojedynczych elementów i ich agregacji. John Ruskin, otwierając drogę dla dyskursu architektury nowocześnej, zastosował dla oceny dorobku wcześniejszych epok wartościowania bliskie etycznemu. Tektoniczna struktura budowli jest przez niego nazwana prawda w odróżnieniu od powierzchownej dekoracji. Na tle powyższych rozważan modernizm jawi się jako renesans zainteresowania modularnością. Widzimy to w powszechnym wykorzystaniu nietynkowanych murów, w ekspozycji wiązań, w tworzeniu nowatorskich prefabrykowanych elementów. Współczesne agregacje dodają do historycznych koncepcji komponent ery informacyjnej. Jest nim cyfrowe medium, które obecnie stanowi naturalny język reprezentacji projektów architektonicznych. W przeciwieństwie do medium analogowego składa się z części (bitów), co sprawia, ze lepiej służy do opisu struktur modularnych. Dzięki rosnącej mocy obliczeniowej komputerów wzrastają możliwości zarządzania rozległymi zbiorami danych, co pozwala zapisywać w projekcie dokładne informacje o rodzaju, położeniu, kształcie i innych właściwościach części składowych. Autorzy zestawiają eksperymenty dotyczące algorytmicznego wspomagania projektowania struktur modularnych o różnych naturach. Wykazują, że różne technologie wymagają zastosowania innych metod agregacji. Przedstawione są metody rozliczania prefabrykowanych bloczków w niedostosowanym planie architektonicznym, teselacje dwukrzywiznowych powierzchni za pomocą identycznych płaskich elementów oraz optymalizacja rozkładu desek elewacyjnych w kontekście określonych zasobów materiałowych.