Food for thought
Flexible Design and Scripting: a computational tale in the Digital Era [part 1]

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In 1947, the Italian architect Luigi MORETTI coined the expression: “parametric architecture”. An established post-war Italian architect, at the end of the 1940s, MORETTI had the intuition to integrate mathematics and information technology into the traditional approach of architectural design. In 1957 he founded, in collaboration with the mathematician Bruno DE FINETTI, the Mathematical and Operational Research Institute for Urban Planning (IRMOU). Through the adoption of state-of-the-art computer equipment (610 IBM – one of the first personal computers) and the collaboration with researchers from multiple scientific fields (mathematics, physics, psychology, electronics, biology, philosophy, economics, sociology), he defined a research path of the architectural language that did not reside in the dichotomous “form-function” relationship but, rather, in the “process that leads to its definition”. The designer would therefore have the acumen and sensitivity in recognizing and interacting with all those parameters necessary for the materialization of the architectural project.
In 1960, at the XII Architecture Triennale in Milan, it was possible to admire the incredible result achieved by the IRMOU research group by showing graphs and plaster models of the football stadium1Cfr. Bucci, F. e Mulazzani, M., 2000. Luigi Moretti: opere e scritti [Ristampa], Milano: Electa. made according to the new design vision resulting from the mathematical and computer interdependence of material and immaterial parameters (around 19 params included the ticket cost).

Study of the “iso-visibility curves” of the football stadium designed by Moretti

The scientific literature recognizes in Moretti, and in his works, the paternity of using the parametric terms applied to design and architecture even if antecedent studies dating back to around 1837 report the use of “parametric language” as a means of the physical description of the model three-dimensional crystal attributed to the scholar James DANA2Cfr. Davis, D., 2013. Modelled on Software Engineering: Flexible Parametric Models in the Practice of Architecture. PhD Thesis, p.19.paper On the Drawing of Figures of Crystals. Once the procedural dependence on material or immaterial parameters has been introduced, the modern vision of design can be conveyed according to the increasingly high demand for precision and verification of project data and the spasmodic need to receive recursive feedback from the client or from other members of the teamwork in real-time. All this makes it necessary to adopt a “flexible” approach to design. In this discussion, flexible design means an operational process aimed at identifying and discretizing the criticalities of the topic addressed (problem-necessity) by formulating relationships between parameters (geometric, quantity, function, environmental, etc.) that contribute to the definition of a family of solutions that respond to a predefined performance-based verification system. As the researcher Francesco DE LUCA reports, referring to parametric design, in particular to the associative technique3F. De Luca, Diagramma and Script, in A. Saggio, 2011, Architettura & Information Technology, m.e. architectural book & review, Roma, pp. 82-83.:

the purpose of diagrammatic design using Script and Associative Modeling is not to find the best shape or the only solution for a given design problem, but to generate variations and configurations providing the designer with a framework of possibilities

That is, a sort of bottom-up design as it focuses on the relationships between individual elements that trigger a mechanism for the dynamic generation of possible configurations. The formulation of relationships between parameters is possible thanks to the scalability of the process provided by the IT tools available today and the diffusion of design software capable of guiding the designer in the “rigorous construction” of his own model. Thanks to the explicit introduction of programming languages ​​integrated into the same development environment, it is possible to write codes (scripting) in parallel with traditional design activities.
Without going over the history of applications and Software Houses in detail, it is useful to note that some players, of the calibre of Autodesk, had already adopted this policy of integrating programmable parametric modules, for example, Autocad (1982) already existed with its AutoLISP language; Pro/Engineer and Dassault Systèmes with CATIA v4 (1993). Without taking into account that in the early 2000s BIM modellers such as Revit and Archicad began to consolidate.
Scripting is a practice that allows you to interact synergistically with the chosen development environment by writing “rules” (code strings) read in sequence by the compiler (module inside the software that automatically implements and verifies the new rules/functions). The set of rules translates into executable “instructions”, that is, into a design algorithm.
In this way, whatever the result of the modelling performed by the designer, it will always be possible to retrace and modify the individual steps that led to a certain result. The integration of the computer language will always be characterized by an input parameter – algorithm – output parameter. Below is the definition of the algorithm provided by Ipek Gursel DINO4Dino, I.G., 2012. Creative design exploration by parametric generative systems in architecture. Metu Journal of the Faculty of Architecture, 29(1), pp.207–224., a computational design scholar:

An algorithm is a finite set of instructions that aim to fulfill a clearly defined purpose in a finite number of steps. An algorithm takes one value or a set of values as input, executes a series of computational steps that transform the input, and finally produces one value or a set of values as output

Parametric design is ultimate to be understood as an integral part of algorithmic design. There are multiple platforms used by professionals that allow you to perform programming from scratch capable of enhancing the basic capabilities, and functions, offered by the development environment used. Tools that intrinsically involve a fervent programming and design activity since their use is constantly based on conditions and evaluations – paraphrasing the expression of Peter EISENMAN5Peter Eisenman, 2004, Giuseppe Terragni: trasformazioni, scomposizioni, critiche, Quodlibet, Macerata. who considers them as the “everything and nothing of the project […] a white writing”.

It is known that the technology transfer that took place in modelling software came from the film and mechanical engineering industry6A list of programming languages that gravitate around the world of design: Adobe ActionScript, C, C #, C ++, Generative Components script, Html, Iron Python, Java, JavaScript, LUA, Mathematica, MATLAB, MaxScript, Maya (Maya Embedded Language ( MEL) and Python), Objective-C, Perl, PHP, Processing (Java), Python, RhinoScript (VB, Grasshopper (VB), Python), Rhl, VB, VBA.. So we find the MaxScript language in Autodesk 3D Studio Max, the Maya Embedded Language (MEL) in Autodesk Maya and, in the last 6 years, the modelling environment of McNeel Rhinoceros with its Visual platform is increasingly taking on a leading role. Visual Programming Language7It is a language that allows computer programming by manipulating graphic objects bypassing formal syntax. In most VPLs, the syntactic scheme consists of “boxes” and “connectors”, the former carry code (instructions), while the latter weaves the classic flow diagram structure. Often the produced source codes (algorithms) are nicknamed “Spaghetti Code”, due to the massive use of branches and connections. (VPL) Grasshopper, but this is not the only computational design platform on the market. For the record, the same BIM platforms are equipping themselves with proprietary environments delegated to parametric/algorithmic design for example, in the case of Revit, you can have Autodesk Dynamo (2011 in beta) capable of managing native BIM objects; Vectorworks with Marionette (from 2015 version); while GRAPHISOFT, with Archicad, has undertaken a close collaboration with Grasshopper since release 18 (2014) through a special addons, LiveConnection AC-GH, boasting the BIG8Copenhagen-based architecture firm founded in 2006 – Bjarke Ingels Group (BIG) website: design studio as a prominent tester. Another valuable VPL project since 2014 is Sverchok9Sverchok is a parametric CAD tool, built to help generate complex 3d shapes using a node system to control the flow of math and geometry. It is ideally suited to Architects and Designers, but anyone with high school Math and Trigonometry will be able to produce results that are impossible to achieve unless you know text-based programming languages such as Python or C sharp. It is an add-on for Blender. Sverchok consists of two addons – Sverchok itself and Sverchok extra tools from Illya Portnov. Both are on GitHub..

This information landscape is useful in making two very important observations that have an “instrumental” and properly “cultural” value that is reflected in the professional life of the architect and designer, but also in the world of research in architectural technology.

In the early 2000s, there were many companies intent on introducing programmable parametric modules within their development environments, Bentley Systems10Bentley is a global leader dedicated to providing engineers, architects, geospatial professionals, constructors, and owner-operators with comprehensive software solutions for advancing infrastructure.  Founded in 1984, Bentley has more than 3,000 colleagues in over 50 countries, more than $600 million in annual revenues, and since 2011 has invested more than $1 billion in research, development, and acquisitions. Sito: was one of them. In 1985 he proposed his first release of the Microstation CAD software, a platform for 2D/3D modelling of products marketable by Bentley itself. The direct competitor of Autocad, in 2001 in version 8.0, it was already able to communicate with the “dwg” CAD data exchange format. The introduction of the GenerativeComponnents (GC) module developed by John NASTASI in 2003 (Institute of Technology of New York) marked an important step both from a commercial and academic point of view as its development, and related beta testing phase was often entrusted to the SmartGeometry11The SmartGeometry research group (non-profit organization) was founded in 2001 by Lars Hesselgren of KPF, Hugh Whitehead of Foster + Partners and J. Parrish of Arup Sport. The group’s goal is to trace a significant link between practice, research and academia by promoting the dissemination of computational culture and computer-assisted intelligent design. Main partners: Foster + Partners, KPF, Grimshaw, Arup, Buro Happold; University: Architectural Association, MIT, Delft Technical University, University of Bath. research group, one of the first non-profit associations that established for the first time a solid commercial and cultural axis between professionals and the world of universities. Below is one of the main focuses proposed by the association:

Computation and the use of computer as an intelligent design aid provide the focus for the SmartGeometry Group. […] Geometry is one of many systems which are amenable to modeling. Architectural design as a process should, we maintain, exploit the new potential available in computing. To the new generations of architects mathematics and algorithms are becoming as natural as pen and pencil.
The activities of the SmartGeometry Group promote the emergence of a new generation of digital designers and craftsmen, who are able to exploit the combination of digital and physical media. The group’s interests range from parametric design and scripting to digital manufacturing.
As the SmartGeometry Group has developed it is moving its focus from tools and techniques to a forum where the new critical language of emerging architecture can be formed

In 2005, the software ecosystem proposed by Bentley Systems was already widely introduced in the London AEC industry. In 2007 it was commercialized on a large scale. This historical sequence made up of commercialization and disclosures in the academic field (thanks also to the presence of professor Robert AISH – currently a consultant at Autodesk – one of the founding fathers of Bentley Building Modeling and GC), represents the real paradigm shift in modelling that moves inexorably attention is paid to the definition of procedures12From a geometric point of view, what matters is the set of numerical, algebraic relationships, etc. that are established between the elements. To prove the truth, the file produced by GenerativeComponents (.gct) is called “transaction” and cannot be read by a CAD, but its result can.. The probability that the fervent English climate fueled by Bentley’s work has contributed greatly to the role of leader assumed by Great Britain in the battle to adopt the “BIM philosophy“, is very high and it is a key element in shaping the international balance in the political and professional framework of the construction sector.

However, the work done by Bentley, and the commercial policy of the time, was not exempt from being the protagonist of a typical episode of missed “innovative vision”, history is full of these events.

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Progettazione flessibile e scripting: un racconto Computazionale nell’Era Digitale [part 1]

Nel 1947 l’architetto italiano Luigi Moretti coniò l’espressione: “architettura parametrica”. Affermato architetto del dopoguerra italiano, sul finire degli anni ‘40, Moretti ebbe l’intuizione di integrare all’approccio tradizionale della progettazione architettonica quello della matematica e dell’informatica. Nel 1957 fonda, in collaborazione col matematico Bruno De Finetti, l’Istituto di Ricerca Matematica e Operativa per l’Urbanistica (IRMOU). Attraverso l’adozione di una strumentazione informatica all’avanguardia (610 IBM – uno dei primi personal computer) e la collaborazione con ricercatori provenienti da molteplici settori scientifici (matematica, fisica, psicologia, elettronica, biologia, filosofia, economia, sociologia), egli così intraprese un percorso di ricerca del linguaggio architettonico che non risiedeva nel dicotomico rapporto “forma-funzione” ma, bensì, nel “processo che porta alla sua definizione”. Al progettista spetterebbe dunque l’acume e la sensibilità nel riconoscere e far interagire tutti quei parametri necessari alla materializzazione del progetto di architettura.

Nel 1960 alla XII Triennale di Architettura di Milano si poté ammirare l’incredibile risultato raggiunto dal gruppo di ricerca IRMOU attraverso l’esposizione di grafici e modelli in gesso dello stadio [1] realizzati secondo quella nuova visione progettuale frutto dell’interdipendenza matematica ed informatica di parametri materiali ed immaterial (circa 19 parametri utilizzati compreso il costo del biglietto).

Studio delle “curve di equiappetibilità visiva” dello Stadio del calcio progettato da Moretti

La letteratura scientifica riconosce in Moretti, e nelle sue opere, la paternità dell’uso del termine parametrico applicato al design ed all’architettura anche se studi antecedenti e databili intorno al 1837 riportano l’uso del “linguaggio parametrico” come mezzo di descrizione fisica del modello tridimensionale dei cristalli attribuito allo studioso James Dana – paper On the Drawing of Figures of Crystals [2].

Introdotta la dipendenza processuale dai parametri materiali o immateriali si può veicolare la visione moderna della progettazione in funzione della richiesta sempre più elevata di precisione e verifica dei dati di progetto e alla spasmodica necessità di ricevere feedback ricorsivi dalla committenza o dagli altri membri del teamwork in real time. Tutto ciò rende necessaria l’adozione di un approccio “flessibile” alla progettazione. Nella presente trattazione per progettazione flessibile si intende una processualità operativa atta ad individuare e a discretizzare le criticità del tema affrontato (problema-necessità) formulando relazioni tra parametri (geometrici, di quantità, di funzione, ambientali, etc.) che concorrono alla definizione di una famiglia di soluzioni che risponda ad un sistema di verifica esigenziale-prestazionale (performance based) predefinito. Come riporta il ricercatore Francesco De Luca [3], riferendosi alla progettazione parametrica, in particolare alla tecnica associativa:

il fine della progettazione diagrammatica tramite Script e Modellazione Associativa non è quello di trovare la forma migliore o l’unica soluzione per un dato problema progettuale, ma quello di generare variazioni e configurazioni fornendo al progettista un quadro di possibilità

Ovvero, una sorta di progettazione di tipo bottom-up in quanto focalizzata sulle relazioni tra singoli elementi che innescano un meccanismo di generazione dinamica di possibili configurazioni. La formulazione di relazioni tra parametri è possibile grazie alla scalarità del processo fornita dalle strumentazioni informatiche di cui si dispone oggi e alla diffusione di software di progettazione in grado di guidare il progettista nella “costruzione rigorosa” del proprio modello. Grazie all’introduzione esplicita dei linguaggi di programmazione integrati nel medesimo ambiente di sviluppo risulta possibile la scrittura di codici (scripting) parallelamente alle tradizionali attività progettuali.

Senza ripercorrere la storia di applicazioni e Software House nel dettaglio, è utile notare che alcuni players, del calibro di Autodesk, avevano già adottato questa politica dell’integrazione dei moduli parametrici programmabili ad esempio, esisteva già Autocad (1982) col suo linguaggio AutoLISP; Pro/Engineer e la Dassault Systèmes con CATIA v4 (1993). Senza tener conto che agli inizi degli anni 2000 iniziarono a consolidarsi i modellatori BIM come Revit ed Archicad. Lo scripting è una pratica che consente di interagire sinergicamente con l’ambiente di sviluppo prescelto attraverso la scrittura di “regole” (stringhe di codice) lette in sequenza dal compilatore (modulo interno al software che attua e verifica automaticamente le nuove regole/funzioni). L’insieme di regole si traduce in “istruzioni” eseguibili, ossia, in algoritmo di progetto. In questo modo qualunque sia il risultato della modellizzazione eseguita dal progettista si avrà sempre la possibilità di ripercorrere e modificare i singoli step che hanno condotto ad un certo risultato. L’integrazione del linguaggio informatico sarà sempre caratterizzata da parametro di input – algoritmo – parametro di output. Si riporta di seguito la definizione di algoritmo fornita da Ipek Gursel Dino [4], studiosa di computational design:

Un algoritmo è un insieme finito di istruzioni che mira a raggiungere uno scopo chiaramente definito in un numero finito di passaggi. Un algoritmo prende un valore o un insieme di valori come input, esegue una serie di calcoli/procedure che trasformano l’input e, infine, produce un valore o un insieme di valori come output

La progettazione parametrica è in definitiva da intendersi parte integrante di quella algoritmica. Esistono molteplici piattaforme adoperate dagli addetti ai lavori che permettono di eseguire una programmazione ex novo in grado di potenziare le capacità base, funzioni, offerte dall’ambiente di sviluppo utilizzato. Strumentazioni che intrinsecamente prevedono una fervida attività programmatoria e progettuale poiché il loro utilizzo è costantemente basato su condizioni e valutazioni – parafrasando l’espressione di Peter Eisenman che li considera come il “tutto e il nulla del progetto […] una scrittura bianca” [5].

È noto che il trasferimento tecnologico avvenuto nei software di modellazione è pervenuto dal settore cinematografico e da quello dell’ingegneria meccanica [6]. Quindi si ritrova il linguaggio MaxScript in Autodesk 3D Studio Max, il Maya Embedded Language (MEL) in Autodesk Maya e, negli ultimi 6 anni sta assumendo sempre più un ruolo da leader l’ambiente di modellizzazione della McNeel Rhinoceros con la sua piattaforma di Visual Programming Language (VPL) [7] Grasshopper, ma non è questa l’unica piattaforma di design computazionale esistente sul mercato. Per la cronaca le stesse piattaforme BIM si stanno dotando di ambienti proprietari delegati alla progettazione parametrica/algoritmica ad esempio, nel caso di Revit, si può disporre di Autodesk Dynamo (2011 in beta) in grado di gestire oggetti nativi BIM; Vectorworks con Marionette (dalla versione 2015); mentre la Graphisoft, con Archicad, ha intrapreso sin dalla release 18 (2014) una stretta collaborazione con Grasshopper attraverso un apposito addons, LiveConnection AC-GH, vantando come tester di spicco lo Studio di progettazione BIG [8]. Un altro progetto degno di nota è Sverchok [9] per Blender (2014 circa)

Questo panorama informativo è utile nel fare due osservazioni molto importanti che hanno valenza “strumentale” e propriamente “culturale” che si riflettono sulla vita professionale dell’architetto e del designer, ma anche sul mondo della Ricerca nella tecnologia dell’architettura.

Agli inizi degli anni 2000 erano molteplici le aziende intente all’introduzione di moduli parametrici programmabili all’interno dei propri ambienti di sviluppo, la Bentley Systems [10] era una di esse. Nel 1985 propose la sua prima release del software CAD Microstation, una piattaforma per la modellazione 2D/3D di prodotti commercializzabili dalla stessa Bentley. Diretta concorrente di Autocad, nel 2001 in versione 8.0, era già in grado di dialogare con il formato di scambio dati CAD “dwg”. L’introduzione del modulo GenerativeComponnents (GC) sviluppato da John Nastasi nel 2003 (Institute of Technology di New York) segnò un passo importante sia dal punto di vista commerciale che accademico in quanto il suo sviluppo, e relativa fase di beta testing, era spesso affidato al gruppo di ricerca SmartGeometry [11], una tra le prime associazioni no-profit che instaurarono per la prima volta un solido asse commerciale e culturale tra i professionisti e il mondo delle Università. Si riporta di seguito uno dei principali focus proposti dall’associazione:

Il calcolo e l’uso del computer come ausilio alla progettazione intelligente costituiscono il punto focale dello SmartGeometry Group. […] La geometria è uno dei tanti sistemi suscettibili di modellazione. La progettazione architettonica come processo dovrebbe, secondo noi, sfruttare il nuovo potenziale disponibile nell’informatica. Per le nuove generazioni di architetti la matematica e gli algoritmi stanno diventando naturali come penna e matita.
Le attività del Gruppo SmartGeometry promuovono l’emergere di una nuova generazione di designer e artigiani digitali, in grado di sfruttare la combinazione di media digitali e fisici. Gli interessi del gruppo spaziano dalla progettazione e scripting parametrici alla produzione digitale.
Man mano che lo SmartGeometry Group si è sviluppato, sta spostando la sua attenzione da strumenti e tecniche a un forum in cui è possibile definire il nuovo linguaggio critico dell’architettura emergente

Nel 2005 l’ecosistema software proposto da Bentley Systems era già ampiamente introdotto nel settore del AEC industry londinese. Nel 2007 fu commercializzato su larga scala. Questa sequenza storica fatta di commercializzazioni e divulgazioni in ambito accademico (grazie anche alla presenza del docente Robert Aish – attualmente consulente presso Autodesk – uno dei padri fondatori del Building Modeling e di GC di Bentley), rappresenta il vero cambio di paradigma nella modellizzazione che sposta inesorabilmente l’attenzione sulla definizione di procedure [12]. La probabilità che il fervido clima inglese alimentato dall’operato di Bentley abbia contribuito non poco al ruolo di leader assunto dalla Gran Bretagna nella battaglia dell’adozione della “BIM philosophy”, è molto elevata e costituisce un elemento chiave nel delineare gli equilibri internazionali nel quadro politico e professionale del settore delle costruzioni.

Tuttavia, il lavoro svolto da Bentley, e la politica commerciale dell’epoca, non fu esente dall’essere protagonista di un tipico episodio di “visione innovativa” mancata, la storia è ricca di questi accadimenti.


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Please if you want to cite this Research work (in publication phase) totally or partially, enter this DOI reference: 10.13140/RG.2.2.27158.29769