ESTE ARTIGO É parte de uma pesquisa que trata da construção e da aplicação de fundamentos da geometria fractal na elaboração de elementos de fachada e na verificação do seu comportamento lumínico. Para a última etapa, averiguação da utilização dos elementos de fachada, é necessário o desenvolvimento de diferentes modelos de entornos urbanos que possibilitem a análise e a comprovação de seu uso. Para economizar tempo na modelagem de diferentes entornos urbanos com características distintas, optou-se por executar um estudo paralelo que possibilitasse a construção de um modelo digital parametricamente ajustável. Esse modelo, por sua vez, permitiria modificar e recriar ambientes com características que compõem um cenário urbano real, propiciando a diminuição do tempo de modelagem e o aumento das possibilidades de composições. O processo paramétrico construído neste artigo também permitiu a comparação com outros modelos semelhantes e com programas já consolidados que fornecem resultados similares; dessa forma, pôde-se avaliar as potencialidades de criação do ambiente digital e das limitações encontradas.

Para o desenvolvimento do ambiente urbano parametricamente ajustável, levou-se em consideração um corpo teórico de trabalhos nacionais e internacionais, os quais buscavam validar processos que criavam cenários semelhantes para outras funções, além de investigar métodos e ferramentas digitais para a construção do processo paramétrico.

Técnicas e ferramentas digitais podem auxiliar no aumento da demanda de implementação de projetos urbanos e de planejamento baseado em normativas, bem como nos estudos de impacto e em outras especificações que carecem de pré-visualizações para sua contextualização. Esses métodos auxiliados por computador favorecem a obtenção de resultados de planejamento mais eficientes e a criação de bancos de dados complexos, a fim de contribuir para a contextualização da proposta (KIM; CLAYTON; YAN, 2011; ZHANG; LIU, 2019).

Ferramentas digitais consolidadas que possibilitam o planejamento com base em regras programadas, como o CityEngine – ArcGIS CityEngine (ESRI R&D CENTER, 2008), permitem uma gama de ações e de visualizações de contextos urbanos. Contudo, restrições na organização e na gestão dos parâmetros de dados podem criar um banco de dados limitado, o que demonstra inflexibilidade para controlar formas urbanas complexas ou detalhadas (ZHANG; LIU, 2019). Esse tipo de limitação também existe em plug-ins para programas BIM e outras interfaces digitais, como Modelur + SketchUp e CityEngine + GIS; mesmo exibindo resultados satisfatórios (visualizações e dados), as interfaces particulares apresentam dificuldades nas mudanças detalhadas e configuradas em parâmetros (SILVA JUNIOR, 2016).

Uma solução para o desenvolvimento de cenários urbanos digitais que possibilitem modificações detalhadas e pré-visualizações pode ser encontrada na cooperação de programas de modelagem digital com uma interface de programação; um exemplo dessa colaboração é a utilização do Rhinoceros 3D com o plug-in Grasshopper. A aplicação dessas ferramentas no desenvolvimento de cenários urbanos regulares ou complexos é descrita em trabalhos como de Silva Junior (2016) e de Zhang e Liu (2019); elas se demonstram como uma interface de codificação visualizada para criar modelos tridimensionais que permitem, além da visualização, a simulação dos resultados por outros programas. A junção de funções de programas digitais para comtemplar a criação de urbanismos paramétricos pode ser exemplificada pelo caos dos planos urbanos de One-North em Singapura (grupo Zaha Hadid Arquitetos), Kartal-Pendik em Istambul (grupo Zaha Hadid Arquitetos), e Kartal-Pendik em Londres (Zaha Hadid e Patrik Schumacher) (SILVA; AMORIM, 2010).

Esses trabalhos, os quais apresentam a construção e a análise de modelos urbanos digitais, ampliam o leque de escolhas dos parâmetros e das variações do modelo digital urbano quando utilizam programas que permitem a construção da livre programação. A amostragem mencionada auxiliou na escolha das ferramentas e dos métodos para o desenvolvimento da programação visual proposta por este artigo. Desse modo, sugere-se a identificação e a avaliação das potencialidades e das limitações na construção de um modelo digital parametricamente ajustável em um software de programação visual, o qual permite modificar e recriar ambientes e características que compõem um cenário urbano real.

Para a criação do cenário urbano parametricamente modificável, três etapas de estudo e desenvolvimento foram executadas em sequência, sendo elas: compreensão e aprofundamento teórico de temas pertinentes à pesquisa; desenvolvimento da programação parametricamente ajustável em uma plataforma de programação visual; observação e verificação dos cenários cabíveis de modificação. A proposta para o modelo desenvolvido é que este recrie cenários semelhantes a malhas urbana existentes, possibilitando, assim, que os resultados das simulações retratem cenários reais e confiáveis.

A primeira etapa do processo possibilitou o aprimoramento do corpo teórico sobre técnicas e ferramentas digitais; nela, buscou-se compreender a utilização de uma ferramenta paramétrica que, de acordo com Hernandez (2004), é passível de recriar diferentes variações, permitindo reconfigurar, alterar, trocar e modificar partes e características das formas de um projeto. O emprego desse tipo de ferramenta digital está atrelado à compreensão da sua utilização como parte das etapas de construção do partido arquitetônico, não só como um auxílio. Essa ideia é atribuída ao “design thinking”, descrito por Oxman (2006, 2008) como um conceito que acarretou novos resultados e modelos no campo da arquitetura. Em relação à compreensão da utilização das ferramentas digitais para a construção de um processo paramétrico, também se interpretou um modelo de engenharia de software, o Modelo Interativo incremental (MII). De acordo com Azevedo Junior e Campos (2008) e com Pressman (2016), esse modelo é um método aplicável na construção de programações que estão em processo de aprendizagem, pois potencializam o entendimento e a familiarização de seus desenvolvedores durante a construção.

Na sequência, foi desenvolvido o processo paramétrico, no qual é possível manipular particularidades como: topografia, número de lotes, altura e forma dos edifícios e infraestrutura. Além disso, ele permite a escolha de um lote para adicionar uma construção que poderá ser utilizada para simulações ou para observações. O desenvolvimento dessa etapa é dividido em quatro sub etapas dentro da plataforma de programação visual: caracterização dimensional e topográfica; construção da infraestrutura; dimensionamento das construções; escolha do lote.

Por fim, o processo completo permitiu recriar diferentes entornos urbanos e variar as dimensões gerais do ambiente. Com a criação desses diferentes contextos urbanos, foi possível identificar o comportamento do fenômeno lumínico natural e da radiação consequente, além de visualizar as vantagens do uso de um modelo urbano desenvolvido por meio de uma interface de programação e de possibilitar a adição de novas programações e simulações em sua estrutura base. Para a validação final do modelo paramétrico, outras pesquisas que necessitavam de diferentes cenários urbanos utilizaram o modelo descrito nesse artigo, e em todos os casos apresentaram sucesso e economia de tempo para seus usuários.

Práticas profissionais decorrentes do uso de técnicas computadorizadas, softwares e métodos fazem com que as escolas de arquitetura moldem seus conceitos educacionais, trazendo ao mercado de trabalho profissionais com habilidades e conhecimentos distintos dentro dos inúmeros softwares que colaboram com a arquitetura. Essas aplicações dentro da academia, bem como as adaptações sugeridas pelo mercado, incentivam os profissionais no desenvolvimento de um pensamento digital a respeito dos métodos e processos em arquitetura, o que pode ser denominado como “Digital Design Thinking” (OXMAN, 2006, 2008).

Para Oxman (2006), a utilização de práticas como o design digital acarretou novos resultados e modelos dentro do campo da arquitetura, do design e das artes. Com a apropriação desse pensamento e de ferramentas, fez-se necessária a reavaliação dos métodos e das teorias existentes em algumas etapas de criação. Mediante a inserção do “digital design thinking” e das instrumentações digitais, a capacidade para gerar novas formas diferenciou os resultados formais daqueles constituídos por representações manuais. Esse leque de possibilidades desenvolveu os processos geométricos das formas livres (“free forms”), caracterizados pela utilização de formas complexas, matemáticas e híbridas (OXMAN, 2006).

O conceito do design digital dentro do campo da arquitetura e urbanismo teve início a partir da quebra da padronização das tipologias e dos programas arquitetônicos, através da transformação de um processo feito de modo manual para um de meio digital. Essa passagem da elaboração de partidos arquitetônicos para um ambiente digital aproximou o modelo de seus desenvolvedores, permitindo que sejam feitas modificações do espaço, entre outras ações, e logo em seguida sejam observados os resultados (MITCHELL, 2005; OXMAN, 2006).

Segundo Oxman (2006), dentro das metodologias estruturadas para o design digital, o centro do desenvolvimento do processo é posto na figura ilustrativa do projetista, que controla quatro funções durante o processo: representação, geração, validação e performance. A figura dele caracteriza, em determinadas funções, um link direto entre estes processos, controlando a comunicação ou repassando funções. Esse método é atribuído a uma linha de projetos tradicionais, em que as ferramentas digitais são utilizadas unicamente como ferramentas de desenho e representação. Diferentemente do modelo tradicional de projeto, o “performance model” utiliza uma sequência para a qual a validação da simulação é feita antes do processo de geração da forma, como demonstra a Figura 2.

Segundo Salim e Burry (2010), o método pode variar, pois a entrada e saída de informação dentro dos modelos paramétricos são capazes de se modificar e de ordenar novas sequências para o processo. A “performance model” é descrito por Oxman (2008) e Oxam, Hammer e Ari (2007), como uma nova visão, em que é possível criar a partir de simulações e de ferramentas computacionais como generativas e paramétricas.

Para ambos os modelos, é necessário, inicialmente, desenvolver o partido e o conceito; em seguida, desconstruir o partido, analisando os principais aspectos e características que influenciam os resultados métricos e estéticos, os custos e os fatores ambientais e sociais. Essa desconstrução também é elaborada para hierarquizar o projeto, fazendo com que, durante a construção do processo, sistemas e subsistemas sejam criados com partes relacionadas, permitindo ao projetista, em alguns casos, quebrar essa hierarquia e reorganizar a programação (RASHAD; ALFARIS, 2010).

Como resultado, um ambiente urbano parametricamente ajustável é formado, sendo capaz de se assemelhar a urbanidades já existentes ou de recriá-las. Essas modificações são passíveis de alterações e ajustes por meio dos parâmetros controláveis desenvolvidos.

O processo paramétrico se mostrou satisfatório ao ter a capacidade de recriar um conjunto com nove quadras ortogonais, em que é possível manipular a topografia, o número de lotes por quadra (individualmente), a infraestrutura (passeio e vias) e as diferentes características das construções.

Como descrito por Zhang e Liu (2019) e Silva Junior (2016), o desenvolvimento do entorno urbano em um ambiente com liberdade de programação permite que alterações nas características essenciais sejam desenvolvidas especificamente para o trabalho, de acordo com a intenção do projetista. Assim, torna-se possível criar intervalo de valores específicos para determinados parâmetros e focar em geometrias e em situações mais relevantes.

Para verificar os resultados, diferentes composições urbanas foram recriadas com intuito de assimilá-las com desenhos já existentes. Essa verificação buscava, além de outros aspectos, identificar e corrigir possíveis erros e testar sua capacidade de uso. Para isso, foram executados diferentes parâmetros, de forma randômica e peculiar. para investigar as potencialidades do modelo, como: diferenciar as dimensões da base do terreno; alterar significativamente a topografia; modificar a composição das quadras aleatoriamente; trocar a posição geográfica; alterar a infraestrutura viária e os passeios. Alguns desses testes foram ilustrados para comparação por meio da figura apresentada a seguir (Figuras 6 e 7) – uma sequência de exemplos de situações em perspectivas e em imagens ampliadas do ponto de vista do observador.

A fim de conferir as formações e seus resultados em diferentes coordenadas geográficas, foram selecionados dois tipos de entorno urbano: o primeiro com prédios em altura, vias largas e com topografia plana; o segundo com prédios em baixa altura, vias estreitas e topografia acentuada. As formações foram testadas em três capitais do Brasil, Porto Alegre, Brasília e Belém, e em dois horários diferenciados, às 12:00 e às 17:00 para o dia 21 de dezembro de 2019 (solstício de verão). As localizações e os horários para a amostragem no artigo são exemplos de contextos urbanos que podem ser criados com o processo desenvolvido. Assim, foram escolhidas cidades em que há uma base de dados climáticos consolidada (como TRY, TMY e INMT) e estudos que verificam a veracidade dos resultados, como Maciel (2002), Cintra (2011) e Zemero (2016). O Quadro 2 apresenta os principais parâmetros utilizados para fazer as imagens ilustrativas.

Com os resultados dos diferentes testes, constataram-se as vantagens sobre a utilização do ambiente paramétrico desenvolvido e possíveis limitações para o desenvolvimento de alguns cenários. A construção completa do processo por meio de uma interface de programação demonstrou ser capaz de sofrer ajustes e adições por quem o programa ou por terceiros. Desse modo, permite a adição de novas partes de programação, a fim de reproduzir diferentes aspectos e fenômenos que podem ser visualizados ou testados por simulações, como: vento, luz natural, radiação, ofuscamento, sombreamento, acústica, consumo energético e formais (averiguação de uma maquete digital feita em um modelo externo e aplicada no ambiente urbano paramétrico).

A partir dos resultados, pode-se verificar que o ajuste da topografia e da infraestrutura urbana, realizado pelo modelo, é capaz de alterar significativamente o resultado de análises do comportamento lumínico natural de um ambiente. Além disso, possibilita que a alteração seja rapidamente observada, sem a necessidade de remodelar de maneira manual pequenas ou significativas alterações. Essa constatação pode ser observada de modo mais contundente, uma vez que, no desenvolvimento da programação, um intervalo numérico maior foi ajustado para o parâmetro topográfico, o que possibilitou um leque mais amplo de testes envolvendo modificações no terreno. Essas mudanças só puderam ser ajustadas desse modo porque a programação foi construída de forma direcionada às características, as quais poderiam influenciar a iluminação natural. Isso demonstra que, mesmo necessitando de uma demanda maior de tempo para a programação ou de uma equipe de especialistas para essa função, a utilização de um ambiente livre para a construção de parâmetros é limitada apenas pela capacidade técnica de seus desenvolvedores, não estando atrelada a critérios já desenvolvidos por programas.

Outra vantagem identificada na utilização do modelo paramétrico foi a constatação da rápida velocidade para alterar as diferentes características do ambiente. Mesmo que o desenvolvimento do processo paramétrico requeira uma disponibilidade maior de tempo do que em uma modelagem manual, caso ele seja planejado adequadamente e os objetivos do modelo sejam bem traçados, é nítida a vantagem relacionada à economia de tempo. Embora o modelo apresentando possua uma quantidade significativa de parâmetros a serem modificados, sua alteração é rápida, pois apresenta geometrias simples, requerendo pouca capacidade de processamento do computador.

Os casos em que o modelo parametricamente alterável não se mostrou eficaz em recriar cenários particulares do meio urbano foram aqueles que não apresentam aspectos ortogonais, devido a limitações de parâmetros não desenvolvidos. Isso aconteceu, pois, a programação do entorno urbano foi desenvolvida com foco na verificação de iluminação natural de uma determinada combinação de alturas e topografia, não considerando de modo significativo os diferentes tipos de estrutura urbana ou as formações ortogonais. Mesmo sendo um limitador para recriar entornos urbanos reais, essa limitação foi uma escolha dos autores, que direcionaram o enfoque em outras características urbanas e na velocidade das alterações. Quanto mais características e modificações forem programadas, maior será o tempo de processamento do hardware utilizado.

Além disso, foi possível identificar parâmetros que podem ser ajustados para desenvolver atualizações, em etapas futuras, com intuito de aumentar a diversidade de composições urbanas, como: manipular e modificar as nove quadras (3x3), pois não há alternativa para alterar essa quantidade; modificar as angulações, as curvas e as linhas que compõem as quadras, já que se pode modificar suas dimensões gerais, mas de modo ortogonal, sem alterar os ângulos perpendiculares ou utilizar desenhos curvos; e adicionar elementos externos aos lotes desenvolvidos, permitindo simulações e interoperabilidade com outros programas.

Essas vantagens se mostraram verídicas com a utilização dos processos em distintos trabalhos, para além do seu objetivo inicial. Uma vez que a programação disponibilizava um ambiente neutro (não preenchido com outras geometrias), este pôde ser usado por outras pesquisas, adaptando o que seria simulado ou alterando outros aspectos da programação, como automatização e coleta de dados. O ambiente urbano gerado no trabalho foi utilizado na avaliação de elementos de fachada, com características fractais no trabalho de Mariano (2018) e no desenvolvimento de outros trabalhos já aceitos em congressos. Como exemplo, cita-se a Mariano et al. (2020), – pesquisa sobre composições fractais orientadas pela radiação na fachada – e Pereira et al. (2020), – desenvolvimento de um modelo simplificado para a verificação da iluminação natural em residências no Brasil), além de revistas como Gestão Tecnologia e Processos (GTP) – organização de grandes elementos de fachada com base na radiação incidente –, e Building Simulation (pesquisa desenvolvida a partir de uma base dados e avaliada por estatística de resultados da luz natural). O processo parametrizado deste artigo também serviu de base para a programação do ambiente urbano para as simulações e para a criação do banco de dados da atualização da NBR 15-575, sofrendo adaptações e adições de novas programações. Isso demonstra que o processo pode ser utilizado como estrutura para o desenvolvimento de novos trabalhos e programações.