Projetando e fabricando complexidade

Atualmente os arquitetos estão projetando e construindo formas complexas usando a programação como uma ferramenta de projeto. Nessa conversa o engenheiro Florian Gauss explica o processo de programação do projeto de uma fachada com geometria fractal. Ele também dá detalhes do processo de manufatura de um projeto com formas complexas de Zaha Hadid.

Na primeira parte, Gauss fala sobre o processo de projeto usando geometria fractal. Fractais são formas complexas geradas por regras simples. Os arquitetos do Grande Museu Egípcio, Henegahn Peng, usaram um fractal clássico no desenho da fachada, o triângulo de Sierpinski. É comum arquitetos usarem fractais quando é conveniente, neste caso para criar uma relação com as pirâmides. Fractais implementados por computador têm sido aplicados na arquitetura por mais de 30 anos, mas nem sempre de uma maneira apropriada. Recentemente, o interesse dos arquitetos na geometria, matemática, projeto computacional e ornamento trouxe os fractais para as formas arquitetônicas novamente.

Pelas respostas de Gauss se observa claramente que os arquitetos precisam saber como programar. A programação se tornou na última década uma importante ferramenta para arquitetos e engenheiros. Rhino e Grasshopper (programação visual) são uma combinação de ferramentas que podem ajudar com a geração de formas, mas a programação textual é essencial para a produção de arquivos para a fabricação digital. O processo de projeto do Centro Cultural Heydar Aliyev foi parcialmente automatizado; Zaha Hadid escolheu não racionalizar a superfície. Isto gerou painéis da fachada totalmente diferentes e uma estrutura especial para suportá-los. Também demandou uma pessoa para manualmente modelar a subestrutura por seis meses. Apesar de toda automação envolvida no processo de projeto, foi mais barato contratar trabalhadores indianos para produzir cada painel. Por ainda estarmos aprendendo como produzir complexidade, essas situações tendem a se tornar menos comuns. E a educação de arquitetos e engenheiros precisa abordar esses dois aspectos, as habilidade de programação e a automação da construção, para preencher as lacunas entre o projeto e a fabricação.

Maycon Sedrez: Eu estou pesquisando sobre fractais no processo de projeto e como produzir complexidade no projeto de arquitetura. Eu vi alguns projetos que você participou; você poderia me falar sobre seu trabalho e suas experiências com geometrias complexas e complexidade no projeto?

Florian Gauss: Minhas primeiras experiências com formas complexas começaram quando eu era um membro da Unidade de Geometria Avançada em Londres no Arup, que era liderado por Cecil Balmond. É claro que ele estava muito interessado em formas complexas e em algoritmos de geração de formas, como fractais. Portanto nós tínhamos muitos projetos usando algoritmos e sistemas geométricos com o intuito de gerar formas e criar projetos. No Arup nós mais ou menos trabalhamos na fronteira do projeto para gerar formas complexas. Eu deixei Londres eventualmente e retornei para Stuttgart e liderei o grupo de geometria no escritório Werner Sobek. E era muito mais focado na realização de formas complexas. O projeto já era dado por outros, projetos de arquitetos, como Zaha Hadid ou Jean Nouvel. E nós éramos responsáveis para realizar o projeto entregue num produto final. Era mais sobre computação, produção de toda a informação o que você precisa para ser capaz de construir a fachada integralmente.

MS: Quais os tipos de arquivos que você trabalha? Eu quero dizer, é Rhino e Grasshopper, Revit, AutoCAD? Você tem que fazer alterações no projeto para ser capaz de produzi-lo?

FG: Em princípio sim. Geralmente você sempre tem que fazer mudanças. Isso é algo absolutamente normal, pois o projeto é um progresso, é um caminho, começa com um rascunho inicial, você avança e você sempre vai aprofundar no detalhe. Claro que os consultores vão parar em algum ponto, pois eles não são pagos para esse trabalho. Eles apenas têm que conduzir até certo ponto, então outros profissionais tem que assumir o detalhamento. Então se você quer construir, você sempre tem que racionalizar e talvez mudar um pouco o que quer que seja requerido. E os arquivos que você submete: AutoCAD, modelos Rhino, modelos IFC (1) estão se tornando mais comuns agora, vindos de programas como Tekla ou Revit.

MS: Você vê vantagens em usar Rhino e Grasshopper combinados?

FG: Eu acho que Rhino com Grasshopper é a mais poderosa ferramenta de projeto no mercado no momento. Há dez anos nós realmente começamos a trabalhar intensivamente com Rhino, e quando eu entrei no AGU (2), havia scripting, não havia Grasshopper, havia um pouquinho de Generative Components que funcionava muito bem, havia é claro CATIA. Mas isso era muito complexo e o CATIA não é uma ferramenta de projeto, é uma ferramenta de fabricação e realização. Então, inicialmente na época que eu entrei no AGU, scripting feito era no AutoCAD usando VBA, Visual Basic for Applications. Isso era ok, mas o AutoCAD não era um bom programa 3D. Assim nós rapidamente percebemos que poderíamos também programar no Rhino da mesma maneira. Então nós fizemos todos os scripts no Rhino. Por exemplo, para o Grande Museu Egípcio, para a geometria fractal da fachada de pedra translúcida, a geometria foi programada no Rhino e também o arquivo para a análise estrutural foi gerado com um script no Rhino. Assim o dado de entrada para o programa estrutural é apenas um arquivo de texto que você retira a informação do modelo e comprime em um arquivo de texto e você abre no programa estrutural.

notas

1
IFC – Industry Foundation Classes.

2
AGU – Advanced Geometry Unity do escritório Arup.

Maycon Sedrez: Você já trabalhou em um projeto que foi gerado com fractais ou recursividade?

Florian Gauss: Há um que avançou bastante, é uma fachada que é parte do Grande Museu Egípcio no Cairo em frente das pirâmides. Você deve conhecer esse projeto. Heneghan Peng são os arquitetos de Dublin. A peneira de Sierpinski é um simples fractal, o que é, claro, um princípio muito bom e racional, cria uma grelha recíproca adaptável para qualquer triângulo. É uma abordagem simples e poderosa. Eu não diria que é uma forma muito complexa, não é realmente complexa. É rigorosa e gera uma forma visual interessante. Estruturalmente você pode dizer que é sensível, não é algo que foi otimizado, contudo possui uma organização interna razoavelmente utilizável para uma estrutura. Uma viga se apoiando na outra. Provavelmente não é a maneira mais eficiente, se você fizer com aço plano. Contudo, é sempre uma troca do que precisa ser um equilíbrio entre suas inspirações para o projeto, os métodos que você tem disponível para fabricação, e claro impactos estruturais que são relativos para as suas aspirações.

MS: Na verdade eu estou estudando o Grande Museu Egípcio para a minha tese. Você tem alguma informação que poderia compartilhar sobre o projeto ou detalhes do projeto?

FG: Claro que eles são todos geometricamente relacionados. Você conhece a história: painéis, iterações de Sierpinski, e no meio uma rede de cabos. Você tem seis gerações, no meio você tem os triângulos maiores que são sempre deixados abertos, e eles vão receber a rede de cabos. A coisa legal é que a maneira estrutural de pensar está expressa na hierarquia e na profundidade das vigas. Pois você sempre tem a viga menor descarregando na viga maior. Você tem vigas grandes e as próximas são curtas, então são menores, elas descarregam em si mesmas e vão ficando cada vez menores. Porque a carga nas vigas sempre fica menor, a seção da viga pode ser menor também. Tem uma lógica interna muito forte. Claro, portanto você pode colocar em diferentes níveis, elas não estão na mesma camada. Elas estão todas, como você provavelmente sabe em uma diferente camada. O que dá esse efeito plástico 3D que enfatiza a hierarquia dos membros.

Claro, nós desenvolvemos o programa que gera primeiro a geometria fractal do triângulo de Sierpinski, o que é bastante simples. Há o triângulo de Pascal que dá o mapa inteiro da subdivisão de Sierpinski e é uma série de números. Então esse tipo é o método mais sofisticado, mas você também pode fazer completamente geométrico, apenas pegue a metade dos lados do triângulo e coloque um ponto lá. Ambos os métodos irão dar o mesmo resultado. Então você tem a geometria, e a geometria é o único dado de entrada, você precisa de três pontos. Eu também dei aos perfis uma direção, pois nós precisamos orientar os perfis em direção do sistema de grelha não-ortogonal do prédio principal.

Aqui, você pode também pode dar os perfis das diferentes gerações. Você dá ao membro dimensões, pois os triângulos estão ficando cada vez menores quando você percorre a parede. Eles estão mudando em tamanho, portanto você precisa atribuir diferentes dimensões. O programa está preparado para gerar todas as diferentes peças. Também nós brincamos um pouco com a rede de cabos em duas ou três direções, e a densidade pela metade, então você não tem em cada geração um cabo. Assim você pode dar as seções de aço que nós programamos também com as cargas e a tensão prévia dos cabos.

Ficará assim, é o triângulo de Pascal então é uma fórmula bastante simples. Onde o número de triângulos é gerado dependendo de quantas gerações de Sierpinski você quer. Esse é o modelo de palitos que é gerado automaticamente do nosso código, então os elementos marrons são os cabos tensionados, os verdes são as barras. Agora por eles terem um sistema estrutural diferente todas as cargas estruturais não estão em um plano, elas são de alguma maneira deslocadas. Isso é algo que é considerado aqui, você pode ver, o programa estrutural tem uma funcionalidade específica que faz a conexão dos nós juntos. O que nós fizemos foi a cada geração de Sierpinski acrescenta seu próprio nó, em diferentes camadas no qual se deve informar e então nós os conectamos rigidamente. Quando você vê aqui parece que eles estão flutuando, mas tem um método no software estrutural que você pode indicar: considere uma ligação rígida, pegue todos os nós juntos e trate os como se fosse um único nó. Mas está considerando todas as excentricidades, pois isso é algo bem complexo. E essa é a fachada completa.

Maycon Sedrez: Você pode me falar sobre as técnicas de fabricação digital que você já utilizou? Por exemplo, no caso do Museu Egípcio, como seriam produzidas as partes?

Florian Gauss: Esse projeto ainda não foi construído. Eu não me envolvi nessa parte. Eu espero estar envolvido pois será um empreiteiro Alemão e nós também fizemos uma oferta a eles. Mas eu posso mostrar outro exemplo de fabricação que é muito bom. Esse é o centro cultural em Baku de Zaha Hadid. A superfície tem aproximadamente 35.000 metros quadrados de painéis GRC (3) ou GRP (4) ou curvas individualmente moldadas e assim por diante. E para isso eu desenvolvi uma subestrutura que segura todos os painéis. Eu também posso dizer como os painéis foram produzidos e racionalizados.

MS: Sim, eu gostaria de saber.

FG: Tem um sistema que se apoia numa estrutura espacial, que é a estrutural principal do edifício. É um sistema Mero (5), é nós temos a cada três metros sempre uma haste atravessando as camadas de isolamento térmico e impermeabilizante, esse elemento. Onde então você pode conectar com a subestrutura que estão segurando a fachada. Aqui você pode ver, esse é o sistema Mero e a bola e então você tem a haste atravessando e claro será selado e impermeabilizado.

Portanto tem um detalhe desenvolvido que serve para cada e todos os nós. Então o detalhe do nós é sempre o mesmo. Claro que a geometria varia. Você pode ver esses tubos estão mais ou menos deslocados da superfície do envelope interno e aproximando a parte externa do envelope. E isso foi construído com vinte secções em arco individuais, arcos. Você pode ver no código de cores, cada cor diferente tem um diferente diâmetro de arco.

Então foi feito de uma maneira que você sempre tem passos de 20mm entre os arcos da curvatura. Nós pegamos o comprimento base dos três metros, alguns são planos, os brancos são planos, e eles são retos. Então você aumenta sempre em passos de 20mm, o que nós chamamos de tolerância, até que nós alcançamos a curvatura máxima que há no edifício e portanto nós temos vinte diferentes arcos que cobrem todo a variação de curvatura da superfície.

MS: Essa é a racionalização da fachada? Você pensou em quanto material seria usado para produzir isso?

FG: Não. A superfície não foi racionalizada. A superfície nos foi dada. Não foi otimizada. Foi definida pelos arquitetos; também as juntas entre os painéis foram dadas. Puramente por uma questão estética e arquitetônica, não há nenhuma questão de racionalização ou fabricação por trás do desenho. Foi apenas definida; eles disseram é isso o que nós queremos.

Então tudo está baseado na estrutura especial com os nós aproximadamente a três metros o que nos dá uma nuvem de pontos de fixação, e entre os pontos de fixação nós temos este detalhe. O detalhe em um lado era fixado em uma direção, mas você pode girar ao redor do eixo da haste. E no outro lado é sempre um sistema, que você ver o lado da frente e de atrás, esse é um pino que irá lá dentro, então você também pode rotacionar e girar. Então você pode ajustar seu arco em qualquer posição que você quiser. A seguir o algoritmo sempre pega da série de arcos que nós definimos, pega o mais apropriado e coloca no telhado.

Assim você vai ao longo das juntas que foram dadas pelos arquitetos. E claro ao longo das juntas você tem que conectar, você tem que também fornecer arcos secundários, uma estrutura secundária. Esse princípio é exatamente o mesmo, contudo você pode ver que por causa dos painéis de fibra plástica são necessários suportes e certas distâncias. Então o vão máximo é de um metro e meio, mas todos os painéis têm comprimentos diferentes. Assim também automaticamente define quantos suportes intermediários você precisa. Aqui você pode ver uma sobreposição, isso é a direção da estrutura espacial que está realçada e então na direção oposta você tem as vigas secundárias que seguem a direção das juntas e também os pontos de suporte intermediários dos painéis. Agora que definimos esses dados nós extraímos a informação para fabricação, então você tem o número do arco, o comprimento do arco, o raio do arco, também o ponto onde deve ser fixado, por exemplo, elementos secundários e os fixadores do painel. Então só foi dada a informação do começo e do fim. Isso é um tipo de desenho típico; todas as partes são as mesmas a única coisa que muda é a geometria, o comprimento e o raio de curvatura do arco. Também você tem que marcar de qual distância a partir do começo você tem que perfurar para instalar os fixadores do painel ou um elemento secundário, por exemplo, então é parametrizado de uma maneira bem simples sem muita tecnologia BIM. Foi realmente um conceito pragmático de como você define seu sistema de estrutura secundária; você pode realmente condensar sua informação de fabricação em um conjunto de desenhos tradicionais e planilhas.

Essa é a fabricação do painel, nós não trabalhamos nisso, foi outra empresa. Eles pegaram todos os painéis da cobertura e deixaram o mais plano possível e então eles chegaram à linha de curvatura de cada painel o que foi cortado em compensado como um gabarito. Eles tinham um compensado flexível como um fechamento. Inicialmente a ideia do fabricante era usar um equipamento ajustável, então você tem pinos e bolas que você parafusa para cima e para baixo. E a empresa que fez o projeto também tinha produzido todos os dados para isso, todas as alturas, então ele teria apenas que parafusar os pinos. Contudo eles acharam que o processo de fazer com um molde de madeira, cortado em madeira, e apenas contratar mão de obra mais barata era mais fácil e mais barato do que esse fechamento ajustável. Ele fez com um monte de pessoas da India ou Sri Lanka, pois foi produzido em Dubai.

Claro que a subestrutura das bordas foi trabalho manual puro, pois não havia uma regra dada, não há uma regra aplicável para criar a curva. Alguém apenas modelou toda a subestrutura de vigas manualmente por meio ano, pois não há como fazer isso parametricamente ou com programação. Você tem apenas exceções, apenas um ser humano pode julgar o que será feito aqui no centro. Portanto sempre as bordas são onde tem mais trabalho.

MS: Eu gostaria de saber sobre custos. Em termos de custos, o que faz um projeto complexo custar mais do que, vamos dizer, um projeto tradicional? Por exemplo, neste prédio da Zaha Hadid, custou mais por causa das vigas desenhadas a mão?

FG: Claro que é a fabricação, pois você tem que fabricar as partes individualmente o que primeiro pode parecer um modo caro de fabricar. Por exemplo, vidro, por padrão você fabrica vidro plano. Se você quer vidro curvo... se for vidro curvo simples você tem que dobrar então é um passo a mais na fabricação o que custa dinheiro. Se for vidro com dupla curvatura é quatro vezes o preço, pois você tem que construir um molde individual para isso. São os passos de fabricação para chegar ao produto final. Quanto menos passos de fabricação você tiver, menor será o custo. Quando mais você tiver que fazer para chegar a forma, maiores serão os custos. Se apenas usar um tubo de metal e cortar, é barato, se você tiver que dobrar uma vez, adiciona custos, mas talvez ainda seja ok. Mas então se você introduzir uma dobradeira helicoidal é mais modo mais complexo e caro de fabricação. Portanto você tem mais custos, e é claro você tem a questão da logística e tolerâncias, se você tem uma fabricação altamente desenvolvida então as tolerâncias talvez sejam maiores, você tem partes soltas que não podem ser usadas. Por exemplo, se você dobrar vidro, dupla curvatura, você irá destruir algumas peças enquanto fabrica e isso também tem que ser pago. Por exemplo os painéis GRC, para cada painel individual tivemos que produzir um molde, e isso é um custo alto. Se você tiver um molde plano que sempre tem as mesmas partes, então você faria em aço e poderia usar o molde centenas de vezes.

notas

3
GRC – Glass Reinforced Concrete.

4
GRP – Glass Reinforced Polyester.

5
Mero Structures, website oficial <www.mero-structures.com>.

Florian Gauss

Engenheiro pela Universidade de Stuttgart e é doutor pela Universidade de Berlim. Trabalhou com o escritório Arup na Unidade de Geometria Avançada (AGU), Werner Sobek e atualmente lidera o escritório Teufell Engineering em Stuttgart.

Maycon Sedrez

Arquiteto e Urbanista pela Universidade Regional de Blumenau (2002) e mestre em Arquitetura e Urbanismo pela Universidade Federal de Santa Catarina (2009). Atualmente é doutorando do programa Arquitetura, Tecnologia e Cidade da Universidade de Campinas – Brasil – pesquisando sobre Complexidade e Arquitetura. Em 2015, ele fez um estágio de pesquisa na Universidade de Eindhoven – Holanda – com bolsa Ciências sem Fronteiras. O autor agradece ao CNPq (Processo 2032067/2014-1) e à Fapesp (Processo 2014/13572-5).

Entrevista

Essa entrevista foi realizada por web conferência no dia 02 de junho de 2015.