Configureren in plaats van ontwerpen

Om de nodige kennis van het bouwsysteem te beperken, focussen we hier op het gebruik van "slimme modules" op muurniveau waarmee een gebouw systematisch kan worden opgebouwd. Deze modules laten de vrijheden toe die binnen het bouwsysteem mogelijk zijn, maar beperken en zetten de parameters vast die niet kunnen veranderen. Door deze modules te implementeren in bestaande BIM-software kunnen ontwerpers werken binnen de systeembeperkingen zonder zich zorgen te maken over de onderliggende complexiteit.

Binnen deze use-case werd er gekozen om te focussen op modules op muurniveau, maar afhankelijk van de beoogde toepassing kan deze aanpak gegeneraliseerd worden op verschillende niveaus. Bijvoorbeeld bij het maken van een modulaire keuken of badkamer kunnen de modules op een kleiner niveau gemaakt worden. Hierbij zal er aandacht gegeven moeten worden aan de manieren waarop dat de modules op elkaar aansluiten.

In deze use-case wordt de configurator geïmplementeerd in bestaande BIM software door gebruik te maken van de functies rond parametrisch ontwerp en scripting. Specifiek binnen Revit gebruiken we de mogelijkheden rond families voor de modules en Dynamo scripting om de optimalisatie voor de productie uit te voeren.

De integratie van modulaire configuratie in bestaande BIM-software levert significante voordelen op. Door gebruik te maken van bestaande software worden “custom ontwikkelingen” vermeden en profiteert men automatisch van software-updates. Het onderhoud van de configurator kan door een modelleur in plaats van een programmeur worden uitgevoerd wat ervoor zorgt dat de kennis binnen het ontwerpteam blijft. Het behouden van de bestaande interface zorgt voor naadloze integratie in bestaande BIM-workflows, waardoor de volledige toolchain efficiënt kan worden ingezet. De BIM-modelleurs kunnen blijven werken in hun vertrouwde omgeving.

Sagoma Group NV, de R&D afdeling van Marchetta, heeft een bouwsysteem ontwikkeld waarbij een robot verschillende maten gevelsteenmodules produceert. Door deze modules als puzzelstukken samen te voegen, ontstaan muurmodules die op hun beurt gecombineerd kunnen worden tot een volledige woning. Deze muurmodules hebben een aantal vrijheidsgraden waardoor ze verregaand aangepast kunnen worden aan de noden van het gebouw. Figuur 1 toont de gevelmodules en de combinatie van verschillende gevelmodules tot één muurmodule.

Er zijn verschillende soorten muurmodules: rechte muren, muren met raamopeningen en hoekoplossingen. De modules kunnen door een uitgekiend ontwerp vrij met elkaar gecombineerd worden. Deze focus op modulaire componenten vormt de basis van een volledig bouwsysteem voor woningbouw.

Om modulair ontwerpen te integreren in het proces van Marchetta onderscheiden we 3 stappen van ontwerp naar productie: configureren, omzetten van het ontwerpmodel naar een productiemodel en de uiteindelijke uitvoer naar de productie. In de rest van dit artikel zullen we aantonen hoe deze 3 stappen geautomatiseerd kunnen worden in bestaande BIM software.

Bij het ontwerpen van een gebouw met  het bouwsysteem van Marchetta moet er bijvoorbeeld rekening gehouden worden met een vooraf bepaalde afstand tussen muurhoeken en expansievoegen en een vaste hoogte per verdiep. Dit zijn parameters die vastliggen voor het volledige project en kunnen niet vrij aangepast worden per muurmodule.

Daarentegen bevat het bouwsysteem van Marchetta ook een aantal parametrisch instelbare vrijheden, zoals de lengte van een muur of de breedte van een raam. Deze zijn vrij aanpasbaar in de module. Figuur 3 geeft dit in een animatie weer.

Voor de implementatie hebben we gekozen voor Revit van Autodesk. De muurmodules zijn opgezet als Revit families waarbij aanpasbare elementen gedefinieerd zijn als instance parameters en de vaste afmetingen en eigenschappen als type parameters. Door deze inrichting kunnen de variabelen die via een instance parameter gedefinieerd zijn vlot aangepast worden in de algemene interface van Revit. Wanneer er veranderingen nodig zijn aan de vaste parameters, kunnen de type parameters aangepast worden voor de hele family.

Met deze structuur kan een modelleur gebouwen ontwerpen zonder diepgaande kennis van de technische vereisten van het bouwsysteem, aangezien deze vereisten reeds in de parametrische beperkingen van de families zijn verwerkt. Door gebruik te maken van verschillende families worden alle verschillende modules uiteindelijk verwerkt in de configurator. Een proof of concept hiervan is zichtbaar in figuur 4.

Na plaatsing van de muurmodules volgt de bepaling van de exacte gevelsteenmodule-configuratie. Hierbij moet er rekening gehouden worden met een paar ontwerpregels om een zo economisch mogelijke combinatie van gevelsteenmodules te krijgen. Deze operatie kan in eerste instantie uitgevoerd worden door een modelleur of werkvoorbereider die op de hoogte is van de sterktes van het productiesysteem.

Eens de ontwerpregels duidelijk zijn, kan de modelleur deze formuleren in natuurlijke taal. Daarna kunnen deze omgezet worden naar uitvoerbare code met behulp van een LLM zoals bijvoorbeeld ChatGPT. Deze code kan uiteindelijk geïntegreerd worden in een Dynamo-script om de optimale plaatsing van gevelsteenmodules uiteindelijk volledig te kunnen automatiseren.

Dynamo scripting is een ingebouwde functie van Revit en focust op het visueel programmeren om acties te ondernemen op het BIM model. Hoewel de ontwikkeling van dit Dynamo-script technisch uitdagend is, kan AI-ondersteuning het proces aanzienlijk vereenvoudigen. Hierbij is het belangrijk om een gefaseerde aanpak te hanteren.

De toepassing van het ontwikkelde script op de muurmodules word weergeven in figuur 5. Het resulterende Dynamo script, waarbij de verschillende stappen die gevolgd worden logisch werden gegroepeerd is zichtbaar in figuur 6. Figuur 7 geeft een overzicht in schematische vorm van de verschillende stappen in het programma.

In de productiefase wordt het ontwerp omgezet naar fabricage-instructies. Een gedetailleerde stuklijst van benodigde gevelsteenmodules wordt rechtstreeks uit het Revit-model gegenereerd, waarbij elk element een unieke identificatie heeft. De robotaansturing wordt gerealiseerd via een CSV-export die alle noodzakelijke productiegegevens bevat. Binnen Revit maken we hier gebruik van de functie ‘quantity take-off’. Figuur 8 geeft dit weer. De dragende houtstructuur wordt geëxporteerd als IFC-volume voor de houtskeletbouwer.

Binnen deze use-case gebruiken we de parametrische ontwerpmogelijkheden binnen Revit om een parametrische famillies op te bouwen. Daarna gebruiken we de scripting mogelijkheden van Dynamo om de bouwblokken van de families voor te bereiden op de productie en uiteindelijk maken we gebruik van de stuklijstfunctionaliteit om een export te maken. Een aantal interessante bronnen om je zoektocht mee te beginnen:

•           Revit Beginner Tutorial - Parametric Family
•          What is Dynamo and Why Should you Learn it
•           Help | Create a Material Takeoff Schedule | Autodesk

Belangrijk om te vermelden bij deze case is dat dit een proof-of-concept is. Om tot een volledig resultaat te komen zijn we ervan overtuigd dat het belangrijk is om een stapsgewijze werkwijze te hanteren, waarbij er steeds gekeken wordt naar hoe dat de modules op elkaar aansluiten en welke stappen van het proces het waard zijn om te automatiseren. Het is zinvol om het hele proces een aantal keer te doorlopen alvorens te investeren in een Dynamo scripting.

De aansluiting tussen modules uitwerken kan ook stapsgewijs gedaan worden door er steeds de ontwerper bij te betrekken wanneer er een situatie voordoet die niet voorzien werd in de modules. Door deze situatie te doorlopen verkrijg je een beter inzicht in de nodige aanpassingen van de module.

De integratie van modulariteit in het ontwerpproces via bestaande BIM-software stelt ontwerpers in staat om effectief te werken binnen de beperkingen van een modulair bouwsysteem. Deze aanpak optimaliseert de volledige keten van ontwerp tot productie door gebruik te maken van vertrouwde software en interfaces.

De casus van Sagoma Group NV demonstreert dat digitalisatie en modulariteit stapsgewijs geïmplementeerd moeten worden. Iteratieve ontwikkeling op basis van bestaande processen leidt tot een werkbaar systeem dat evolueert met toenemende behoeften en complexiteit. Door scripting te implementeren binnen bestaande ontwerpsoftware kan een configurator ontwikkeld worden zonder de kosten die ‘custom ontwikkelingen’ met zich meebrengen.

Deze use-case werd ontwikkeld in het kader van het Coock+ Project Digibuild in samenwerking met Sagoma Group NV, de R&D afdeling van Marchetta.

Na het ontwikkelen van deze specifieke use-case proberen we ook de generieke case te behandelen. De link naar dit artikel zal hier verschijnen van zodra het gepubliceerd wordt.