Dai modelli analogici al processo progettuale parametrico
Com'è avvenuta la transizione dalla statica basata su modelli fisici o analogici a un metodo parametrico fondato su modelli digitali? Kevin M. Rahner di Schnetzer Puskas Ingenieure ne parla partendo dalle ricerche di Heinz Hossdorf, fondatore dello studio e pioniere della "statica ibrida", che unisce tecnologia informatica e modello analogico, per arrivare a progetti recenti dove al modello fisico è stato sostituito quello digitale, come nel caso della stazione sul Titlis progettata da Herzog & de Meuron nel 2017.
In architettura vengono utilizzati diversi tipi di modelli all’interno del processo progettuale. Dai modelli a scala urbana fino ai modelli di studio, di concorso e di presentazione, i modelli fisici sono da sempre utili per la rappresentazione o come strumento di progetto per gli architetti.
Heinz Hossdorf, il fondatore dell’ufficio di ingegneria da cui ha avuto origine l’attuale Schnetzer Puskas Ingenieure, sviluppò la statica basata sull’uso di modelli fisici durante la sua attività professionale fino al 1978, per poter risolvere problemi statici impegnativi. Hossdorf realizzava modelli in scala e li testava sotto carico nel suo laboratorio. Dalle deformazioni e dagli allungamenti sul modello ricavava la curva di sollecitazione nella struttura reale, tenendo in considerazione l’effetto di scala. Hossdorf rimase una delle eccezioni, poiché al suo tempo gli ingegneri lavoravano raramente coi modelli fisici per valutare la capacità portante dei loro progetti. Essi si affidavano molto di più a modelli numerici semplificati, in modo da poter calcolare costruzioni geometricamente meno complesse.
Con l’aiuto della statica basata sull’uso dei modelli fisici, Hossdorf calcolò, tra l’altro, le eleganti costruzioni a ombrello per l’Expo 1964 di Losanna, che, con una campata di 18 m e uno spessore di soli 3 mm, erano costituite da poliestere preteso e rinforzato con fibre di vetro, oppure la copertura sospesa in calcestruzzo armato precompresso per il Teatro comunale di Basilea nel 1976.
In seguito Hossdorf utilizzò maggiormente il computer per la valutazione dei suoi dati misurati e visualizzò graficamente le risultanti deformazioni e gli allungamenti dei modelli analogici. Egli definì come «statica ibrida» questa fusione di tecnologia informatica e modello analogico in un modello di calcolo più generale.
Con il progressivo sviluppo della tecnologia informatica, la statica basata sull’uso dei modelli si è spostata nel frattempo dal mondo reale a quello virtuale. Per l’ingegnere il modello fisico o analogico non è più necessario per il calcolo di strutture complesse ed è di solito sostituito da un modello digitale.
Per progetti complessi relativi alla costruzione di edifici come il progetto per una nuova stazione a monte sul Titlis, il modello digitale è utile all’ingegnere progettista già nelle fasi iniziali per la comunicazione con gli architetti. A partire da una prima immagine architettonica di riferimento, con la collaborazione dei diversi progettisti viene creato un modello volumetrico che l’ingegnere suddivide passo per passo in singole componenti e che definisce con regole concettuali, prima del calcolo effettivo sul modello spaziale. La stazione a monte mostra una pianta trapezoidale con una lunghezza di circa 90 m e una larghezza massima di 42 m, che dovrebbe essere costruita intorno alla stazione di arrivo esistente. Oltre ai quattro piani standard, è prevista una grande sala nel centro dell’edificio. L’ultimo piano sarà adibito a ristorante. In facciata un sistema a traliccio lungo tutto il perimetro irrigidisce l’edificio. I carichi di facciata verticali sono ridistribuiti all’interno dell’edificio attraverso elementi diagonali in compressione ed elementi diagonali appesi in tensione. A causa della composizione geologica della superficie rocciosa e della presenza di permafrost del vicino ghiacciaio, i carichi dell’edificio sono stati portati dalla periferia al centro della pianta e da lì alle fondazioni. Il sistema degli elementi interni in trazione e compressione, oltre ai carichi relativi alla facciata, porta anche il piano del ristorante. A causa della straordinaria altitudine, la copertura è sottoposta a un considerevole carico da neve.
Per la definizione della struttura portante dei pilastri della sala, le seguenti regole sono state concordate tra l’ingegnere e l’architetto: l’intera struttura dell’edificio, sia verticale che orizzontale, segue un modello ad assi, che sul piano orizzontale sono irradiati da un punto esterno. Il modello a raggi definisce le intersezioni per i pilastri interni nei rispettivi livelli. A ogni intersezione si incontrano unicamente due pilastri, che sono irrigiditi anche attraverso una travatura orizzontale, per ridurre la lunghezza di libera inflessione dei pilastri nella sala. I punti di trasferimento del carico verticale sopra la sala e in tutto l’edificio vengono così determinati in modo tale che le campate determinate dalle travi di solaio nella lunghezza trasversale dell’edificio siano il più possibile omogenee, tra 10 e 11 m.
Senza l’approccio descritto attraverso i diversi modelli digitali parziali e globali e la griglia rigida, lo sviluppo di una struttura di questo tipo sarebbe stato difficilmente possibile. In particolar modo, la comprensione del flusso dei carichi verticali e della problematica della fondazione ha un’importanza cruciale nella discussione tra ingegnere e architetto. Attraverso la rappresentazione semplificata del flusso delle forze e degli assi nei modelli digitali, la complessa struttura risultante dalle impegnative condizioni al contorno ha potuto diventare al tempo stesso parte dell’espressione architettonica complessiva. In caso contrario, la struttura sarebbe stata definita come un corpo estraneo all’interno dell’immagine architettonica complessiva oppure semplicemente sarebbe degenerata in un’espressione priva di significato.
Oltre all’uso di modelli digitali per lo sviluppo geometrico di complesse costruzioni e alla pianificazione attualmente usuale secondo il metodo del Building Information Modeling – riguardo il quale in questa sede non si discuterà oltre – al momento siamo impegnati in diversi progetti con esplorazioni parametriche su modelli digitali.
Traduzione di Giulia Boller
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