Algoritmos participativos: metodologia para a customização arquitetônica

Luiz Alberto Backheuser, Paulo Fonseca de Campos

Luiz Alberto Backheuser tem graduação e mestrado em Arquitetura e Urbanismo. É pesquisador do Programa de Pós-graduação em Arquitetura e Urbanismo da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo. É docente da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade Presbiteriana Mackenzie, São Paulo, onde integra o grupo de pesquisa Teoria e Projeto na Era Digital. Estuda Arquitetura algorítmica, customização em massa e fabricação digital. backheuser@gmail.com

Paulo Fonseca de Campos é graduado em Arquitetura e Urbanismo, Mestre em Engenharia de Construção Civil e Urbana e Doutor em Arquitetura e Urbanismo. É Professor Associado da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade de São Paulo e do Programa de Pós-graduação em Arquitetura e Urbanismo da mesma instituição. Conduz pesquisas sobre arquitetura industrializada, projeto de produto, pré-fabricados, habitação, concreto de alto desempenho, urbanização e saneamento. pfonseca@usp.br


Como citar esse texto: BACKHEUSER, L. A. F.; FONSECA DE CAMPOS, P. E. Algoritmos participativos: metodologia para a customização arquitetônica. V!RUS, São Carlos, n. 20, 2020. [online]. Disponível em: <http://www.nomads.usp.br/virus/virus20/?sec=4&item=10&lang=pt>. Acesso em: 11 Dez. 2023.

ARTIGO SUBMETIDO EM 10 DE MARÇO DE 2020


Resumo

Este artigo apresenta o resultado de uma pesquisa cujo objetivo foi desenvolver uma metodologia algorítmica para a aplicação do conceito de customização em massa na produção de arquitetura. Para tanto, toma-se outra pesquisa paralela, desenvolvida por um dos autores, onde a fabricação digital subtrativa vem sendo estudada a partir da construção em escala real de modelos exploratórios. O trabalho se inicia com o contexto de produção de habitação em larga escala, que tem caracterizado programas habitacionais em diversos países desde o século passado. Em seguida, o conceito de customização ou personalização em massa é apresentado, incluindo-se reflexões sobre sua aplicação na produção de edifícios. Em sua parte final, após uma breve descrição da pesquisa em fabricação digital realizada simultaneamente, descreve-se o algoritmo a que se chegou a partir de sua estrutura e resultados, contemplando-se três aspectos: adaptação a uma solução arquitetônica/construtiva, geração de variações e interface de diálogo com os futuros moradores. Assim, através de ferramentas digitais, busca-se um caminho para uma relação mais colaborativa nas definições arquitetônicas da habitação produzida em larga escala.

Palavras-chave: Habitação em larga-escala, Customização em massa, Arquitetura algorítmica, Arquitetura paramétrica, Arquitetura generativa



1 Introdução: habitação em larga escala no século XXI

Desde meados do século passado, exemplos internacionais têm evidenciado uma tendência de produção de grandes complexos residenciais massificados com unidades habitacionais idênticas. Essa tendência parece atender, particularmente nos países de economia emergente, a enorme demanda por habitação adequada, principalmente nas cidades em que as favelas e outras modalidades precárias de moradia geram problemas em grande escala (BUCKLEY, KALLERGIS, WAINER, 2016). Programa habitacionais em larga-escala foram amplamente produzidos no século XX, principalmente na Europa do Pós-guerra. Os Khrushchyovkas soviéticos, os Plattebaus da Alemanha Oriental, os Paneláks Tcheco-eslovacos, o Million Programme sueco, as Tower Blocks britânicas são exemplos dessas iniciativas, que almejavam grandes quantidades de unidades habitacionais, com repetições de plantas idênticas, ignorando demandas específicas de comunidades e famílias (URBAN, 2012). No entanto, o modelo francês teve um destaque pela enorme quantidade de unidades entregues: mais de 9 milhões de Habitation à Loyer Modéré1 (HLM) construídas até os anos 1980 nos chamados Grands Ensembles2 (POWER, 1993).

No entanto, uma mudança significativa difere os programas do Pós-guerra dos casos atuais: o papel do Estado. O Estado de Bem-estar Social foi o grande promotor desses programas do século XX, o que ficou evidente no discurso de 1953 do então ministro da reconstrução da França, Eugène Claudius Petit, que afirmou que ao invés de reconstruir o país, o que seria, segundo ele, olhar para o passado e não para o futuro, deveriam produzir novas casas para os franceses. Petit prometeu 14 milhões de novas unidades habitacionais em 20 anos, e embora não tenha conseguido cumprir o que disse, a França e outros tantos países europeus ergueram enormes quantidades de moradias para seus cidadãos (POWER, 1993). Já no modelo atual, o Estado não age mais como promotor, mas como um facilitador da construção. Essa tendência de transferência da promoção estatal para as mãos do estado para as mãos da sociedade remonta aos anos 1970, quando o Estado passa a estimular a demanda, e não a provisão direta (NOIA, 2017). Assim, o Estado facilita a produção de habitação por empresas privadas, através de financiamentos e outras vantagens aos construtores (BUCKLEY, KALLERGIS, WAINER, 2016).

Essas mudanças promoveram, a partir da segunda metade do século XX, uma revisão do paradigma, dando espaço a processos autogestionados (NOIA, 2017), que surgem como respostas aos problemas sociais que emergiram em grandes conjuntos habitacionais. A demolição do Pruitt Igoe, por exemplo, foi interpretada como o fim do Modernismo, e seu modelo de promoção de habitação, massificado, produtivista e indiferente às demandas reais. Outros tantos exemplos notórios de grandes blocos residenciais que tiveram o mesmo destino, como a Cité de la Muette, na França, ou o Killingworth Towers, na Inglaterra (FONSECA DE CAMPOS, 2016; REIS, LAY, 2006). Surge, assim, um novo paradigma da habitação social, em que comunidades específicas participavam de maneira direta da produção da própria casa, apoiada na ideia de “que a produção informal não deveria ser encarada como uma afronta social, mas como uma oportunidade para a promoção do controle e autonomia do habitante” (NOIA, 2017, p. 64).

A importância e as vantagens dos chamados processos participativos começam a ganhar defensores entusiastas e uma literatura própria a partir do final dos anos 1960, e, assim, um contorno melhor definido de seus objetivos. Diversas experiências mundiais de estímulo de processos de autogestão ou outros tipos de ações participativas se popularizaram tanto nos países ricos, quanto em economias emergentes. Experiências como as de Giancarlo de Carlo, na Vila Matteotti, em Terni, Itália; de Christopher Alexander, em Mexicali, no México; do Serviço de Apoio Local (SAAL), em Portugal; do egípcio Hassan Fathy no Egito; do inglês John F. C. Turner, no Peru; das Cooperativas Habitacionais Uruguaias; e do Byker Wall, de Ralph Erskine, na Inglaterra e MolenVilet na cidade de Papendrecht, nos Países Baixos, são casos notórios de aplicação de metodologias participativas.

No Brasil, são notáveis as realizações das assim denominadas Assessorias Técnicas, criadas no âmbito da gestão da prefeita Luíza Erundina na cidade de São Paulo (1989-1992) (FONSECA DE CAMPOS, 2016), além de exemplos como as experiências do grupo USINA CTAH e da ONG Peabiru. No entanto, embora iniciativas participativas e programas autogestionados continuem sendo praticados, modelos massificadores têm sido privilegiados por diferentes governos nesse início do século XXI. Diversos programas vêm surgindo, provendo a facilitação da produção de habitação em larga escala por construtoras e incorporadoras privadas, que se beneficiam de juros baixos e terras baratas distantes dos centros urbanos. Essas práticas são frequentes em países em desenvolvimento, como nos exemplos do quadro a seguir:

Quadro 1: Programas recentes de promoção de habitação social em larga escala. Fonte: Adaptado de BUCKLEY, KALLERGIS, WAINER, 2016.

Essas realizações caracterizam-se pelos enormes recursos financeiros delegados aosjuros subsidiados; pela preferência por construções novas ao invés da atualização do estoque habitacional existente; e pelo caráter massificador e homogeneizador de repetições de unidades idênticas. Trata-se, na verdade, de programas de financiamento, não de propostas arquitetônicas e urbanísticas (BUCKLEY, KALLERGIS, WAINER, 2016). Na América Latina, os casos Mexicano e brasileiro chamam a atenção pela enorme quantidade de unidades construídas. Entre os anos 2000 e 2015, as grandes cidades mexicanas testemunharam um crescimento significativo de suas periferias. Esse fenômeno é resultado de uma guinada da política nacional de habitação a partir de meados dos anos 1990, sob as prescrições do Banco Mundial, valorizando ações focadas no desenvolvimento do livre mercado. Assim, órgãos públicos passam a concentrar seus esforços no gerenciamento de hipotecas de créditos sociais; no caso mexicano, através do Institutodel Fondo Nacional de la Vivienda para los Trabajadores (Infonavit), estimulando a produção privada de habitações sociais.

Se até então os órgãos públicos produziam e gerenciavam unidades residenciais verticalizadas, concebidas sob o modelo europeu dos Grands Ensembles, a partir desse momento, começa a prevalecer um padrão mais horizontalizado baseado em sobrados alinhados em renque, gerando urbanizações de alta densidade de moradias, mas baixa oferta de equipamentos e distantes dos centros urbanos, onde a maioria de seus moradores ainda depende de empregos nas áreas centrais, tornando a mobilidade um problema significativo (JACQUIN, 2012).

Ainda assim, em 2014, a Secretaría de Desarrollo Agrario, Territorial y Urbano (Sedatu) identifica um déficit de quase três milhões de habitações, pois, apesar das milhões de unidades construídas, a preocupação meramente quantitativa das incorporadoras e a postura estatal de facilitação ignoraram que a habitação não é apenas uma casa. A má qualidade das construções, as dificuldades de locomoção até as áreas centrais e a falta de infraestruturas necessárias fizeram que muitas das milhões de unidades habitacionais construídas nas periferias mexicanas neste início de século fossem abandonadas, criando enormes complexos habitacionais subocupados e contribuindo com a degradação física e social dessas urbanizações (BLAS, 2015).

No caso brasileiro, o Programa Minha Casa, Minha Vida (PMCMV) completou dez anos de existência em 2019, com um recorde quantitativo absoluto: mais de quatro milhões de unidades entregues (BRASIL, 2019). Lançado em 2009 pelo o governo federal, trata-se do mais ambicioso programa de habitação social da história do Brasil. Concebido pelos ministérios da Casa Civil e da Fazenda, em acordo com a indústria da construção civil, o PMCMV vem enfrentando dificuldades com aquilo que alguns autores chamam de uma leitura bastante simplificada do problema habitacional brasileiro, atacando o déficit segundo uma visão puramente produtivista, baseada, preponderantemente, em metas quantitativas (RIZEK, SANTO AMORE, CAMARGO, 2014). O programa perpetua de maneira mais acentuada, as características presentes em programas anteriores, como a experiência do Banco Nacional de Habitação (BNH) (NOIA, 2017), encarando o problema da habitação pela ótica financeira, relegando problemas arquitetônicos e urbanísticos a um segundo plano.

Entre as muitas críticas frequentes ao programa, pode-se citar a baixa porcentagem de financiamentos dedicados à faixa 1 (RIZEK, SANTO AMORE, CAMARGO, 2014), para famílias com renda mensal bruta de até R$ 1.800,00, justamente o grupo mais necessitado. A busca por terrenos mais baratos também costuma afastar os empreendimentos dos centros urbanos, e as urbanizações impostas ignoram as dinâmicas cotidianas das famílias, fatores que dificultam a vida de seus moradores. No entanto, a atenção do presente estudo se volta para as unidades habitacionais e sua inadequação às famílias e seus hábitos cotidianos. A perpetuação do modelo de unidade mínima, dimensionado para uma família hipotética, afasta-se da realidade, comprovando que o programa atende mais aos interesses de quem constrói do que aos de quem habita.

A segunda fase do programa, iniciada em 2011, começa a atender às demandas de comunidades específicas, promovendo a realocação de população em situações precárias e a urbanização de favelas. Também surge uma nova modalidade, na qual o empreendimento é organizado e gerido diretamente por entidades populares de futuros moradores (PMCMV-ENTIDADES) (NOIA, 2017). No entanto, a modalidade Entidades configura-se como exceção dentro PMCMV, com um número bastante limitado de exemplos (NOIA, 2017). Além disso, é importante lembrar que a modalidade Entidades e toda a faixa 1 do PMCMV foram as que mais sofreram com os cortes orçamentários de 2018 (CAMBRICOLI, 2018).

Avaliações pós-ocupação em exemplos de empreendimentos financiados pelo PMCMV evidenciam a inadequação das unidades habitacionais não apenas nas diferentes composições familiares, mas no uso dos espaços. A concepção tripartida (em setores social, íntimo e de serviços) supõe um uso excessivamente racional dos espaços, o que não ocorre efetivamente na prática. Diferentes atividades se desenvolvem em um cômodo imaginado para um uso muito específico. Por exemplo, além de dormir e vestir-se, um dormitório pode ser usado para trabalhar e receber visitas. Uma sala pode ser frequentemente utilizada para dormir e cuidar das roupas (passar e dobrar). Ou seja, perpetua-se a concepção da arquitetura para um homem ideal, evitando-se o confronto com a realidade (VILLA et al., 2015). As composições familiares, frequentemente, fogem do modelo considerado tradicional. O modelo pai, mãe e dois filhos é a referência para o PMCMV (SANTO AMORE, SHIMBO, RUFINO, 2015), e seguramente também para outros programas similares ao redor do mundo, porém não considera a realidade das famílias que deve atender. Famílias com composições diversificadas (monoparentais, estendidas, casais sem filhos, pessoas sozinhas, etc) são mais frequentes que famílias tradicionais (pais e filhos) (VILLA et al., 2015). Esses arranjos diversificados têm crescido principalmente em grupos com menor renda (LEONE, MAIA, BALTAR, 2010).

A personalização dos espaços, ainda que através de uma oferta limitada de variações, pode contribuir com a atenuação dos conflitos entre arquitetura, composições familiares e usos reais dos espaços, adaptando-os aos desejos das pessoas que os ocuparão de maneira realista, a partir das demandas individuais de famílias específicas, que conhecem como ninguém seu cotidiano doméstico.

2 Customização em massa

Em 1987, Stan Davis cunha a expressão Mass Customization, ou Customização em Massa, em seu livro Future Perfect. Trata-se de um manifesto que defende um permanente estado de revolução econômica. Assim afirma que produtos e serviços devem ficar disponíveis no instante em que um cliente desenvolve uma necessidade; que produtos e serviços devem ser enviados aos clientes, e não vice-versa; que os fabricantes devem separar as informações contidas em um produto da matéria física que lhe dá forma; e que os processos de produção devem gerar uma variedade infinita de bens e serviços, adaptados exclusivamente aos clientes (DAVIS, 1990).

A Customização em Massa não é a disponibilização de produtos variados, mas a participação do consumidor na definição ou especificação de características desses produtos. Ou seja, não são ofertados apenas produtos, mas a capacidade de transformá-los, ou defini-los a partir de possibilidades previamente disponibilizadas. Isso quer dizer que o fornecedor deve definir quais atributos ou características do produto podem ser customizadas, obrigando-o a uma abordagem voltada ao cliente, e não voltada ao mercado e ao produto, como geralmente ocorre (MACHADO, MORAES, 2010). Assim, a eficiência da produção em série é associada à possibilidade de adaptação, frequentemente identificada como Build to order, make to order, assemble to order, configure to order, engineer to order, evidenciando a produção a partir da demanda (GARDNER apud AZUMA, 2016).

A aplicação da Customização em Massa tem sido facilitada ou mesmo viabilizada graças às tecnologias da Informação e Comunicação (TICs), e aos processos Computer Aided Design (CAD) e Computer Aided Manufacturing (CAM) (PINE, 1994), permitindo um diálogo melhor com os consumidores, facilitando modificações, produzindo rapidamente novos produtos e fabricando-os com uma agilidade nunca vista antes (PINE, 1994). Para uma máquina de fabricação digital, como uma Router Computer Numerical Control (CNC), é tão fácil e econômico produzir 1000 objetos diferentes quanto produzir 1000 objetos idênticos (KOLAREVIC, 2004). Segundo Yolovich, o que distingue a Customização em Massa da simples customização é a integração de sistemas informatizados de concepção e produção, permitindo uma produção flexível, viabilizando produtos exclusivos para cada cliente de maneira rápida e sem custos adicionais (YOLOVICH apud BARDAKCI, WHITELOCK, 2003)

Uma coordenação modular pode facilitar a personalização do produto, permitindo a combinação de diferentes componentes. Quanto maior a quantidade de componentes mais variadas podem ser suas combinações (PINE, 1994). Essa modularidade do produto permite que esses componentes sejam fabricados em larga escala, apropriando-se da economia em escala e obtendo consequente redução de custo, com velocidade de produção e de entrega (AZUMA, 2016). Quanto a sua aplicação na produção de arquitetura, Kolarevic e Duarte (KOLAREVIC, DUARTE, 2018), afirmam que a coordenação modular deve atuar em níveis de questões arquitetônicas e urbanísticas, considerando-se em um nível mais elementar os materiais e componentes que formariam ambientes, que por sua vez comporiam edifícios. Estes, por fim, comporiam os espaços urbanos. Assim, a definição de um sistema de coordenação modular deve considerar não apenas sua produção e montagem, mas seu impacto nas definições formais e espaciais dos edifícios e das cidades.

Kieran e Timberlake (2004) afirmam que deve haver uma maior integração entre os agentes envolvidos, buscando um melhor diálogo entre Arquitetura, Engenharia e produção. Os mesmos autores reconhecem a enorme importância das TICs e dos sistemas CAD/CAM para que essa integração possa acontecer efetivamente. Silveira, Borenstein e Fogliatto (2001) também defendem que o diálogo CAD/CAM é fundamental, uma vez que viabilizam a participação do consumidor/usuário. Kolarevic e Duarte (KOLAREVIC, DUARTE, 2018) afirmam que, de uma perspectiva puramente tecnológica, a customização em massa é perfeitamente adequada para o setor imobiliário. Em vez de casas idênticas, poderiam ser ofertados produtos únicos, altamente personalizados, e disponibilizados para segmentos mais amplos da sociedade, e não apenas para os mais ricos. Isso é possível graças às tecnologias atuais, que permitem entregar economicamente casas altamente personalizadas, com design paramétrico, fabricação digital, sites interativos para seu design, visualização, avaliação e estimativa com a geração automática de dados de produção e montagem.

A participação do usuário auxiliada por recursos digitais nas definições arquitetônicas e urbanísticas já vinha sendo discutida desde meados do século XX. A influência da cibernética e a busca por critérios objetivos para o processo de criação levou à produção de trabalhos fundamentais como o artigo Architectural Relevance of Cybernetics (1969), de Gordon Pask, ou A Pattern Language: Towns, Buildings, Construction (1977), de Christopher Alexander. Buscava-se, então, a discretização do processo criativo em arquitetura para torná-lo mais objetivo, acessível e adaptável à realidade. Assim, a associação com os emergentes recursos digitais foi natural. Surgem trabalhos que buscam discutir essa relação como o Soft Architecture Machines (1975), de Nicholas Negroponte, Towards a Scientific Architecture (1975), de Yona Friedman, e Design Participation (1972), de Nigel Cross. Mais recentemente, a tese de doutorado de José Pinto Duarte (2001) também trouxe uma contribuição fundamental para essa discussão. Nesses trabalhos, o computador é visto como um interlocutor que proporciona com rapidez a produção de grandes quantidades de respostas distintas a serem avaliadas e escolhidas (VARDOULI, 2010). 

3 O experimento construtivo

O presente trabalho apresenta o algoritmo criado na busca por uma estratégia de aplicação da customização em massa na produção de arquitetura em larga escala. Esse trabalho surge como desdobramento de uma pesquisa paralela, que não é o objeto deste artigo, mas sua apresentação, ainda que superficial, dada as limitações de extensão do texto, faz-se necessária para compreensão do algoritmo.

O grupo de pesquisa Teoria e Projeto na Era Digital (TPED) da Faculdade de Arquitetura e Urbanismo da Universidade Presbiteriana Mackenzie (FAU-UPM), vem, desde 2014, estudando a aplicação da fabricação digital subtrativa na produção de arquitetura. A pesquisa teve início com uma chamada pública do Ministério de Ciência e Tecnologia (MCT) e da Financiadora de Estudos e Projetos (FINEP), para o desenvolvimento de estudos que deveriam contribuir para o uso de novas tecnologias construtivas no âmbito do Programa Minha Casa, Minha Vida (PMCMV) e promover a pesquisa científica e tecnológica que contribua para a melhoria das condições de saneamento e de habitação (NARDELLI, BACKHEUSER, 2016). Inspirado em exemplos internacionais como a Instant House, a Wikihouse e o Clip Hut, além de exemplos nacionais, como a Casa Revistas da UFRJ e o projeto WikiLab da Universidade Federal do ABC, o TPED vem produzindo modelos em escala reduzida e em escala real (ver Figura 1), na busca de um aprimoramento das técnicas construtivas, adaptação ao contexto nacional e automação do processo de produção tanto de projeto quanto de execução (BACKHEUSER, CAMPOLONGO, 2017).

Fig. 1: Os modelos em escala real desenvolvidos pelo TPED. Da esquerda para a direita: Modelo 1 (2015), Modelo 2 (2016) e Modelo 3 (2019). Fonte: Acervo TPED, 2019.

Dentre os resultados obtidos, estão a definição de um dimensionamento de componentes e espaços, a definição de uma solução de coordenação modular, revisão dos encaixes e solução estrutural, e a redução da espessura do principal material escolhido para a construção tanto da estrutura quanto das vedações, o Oriented Strand Board (OSB). A solução baseia-se em pórticos paralelos, conforme Figura 2, erguidos a partir de componentes usinados em uma fresadora CNC, com chapas de OSB de 9,5mm de espessura, e espaçamento entre pórticos de 1,10m, sendo a dimensão comercial dos painéis um dos condicionantes para a solução de coordenação modular (CAMPOLONGO, 2019).

Fig. 2: Volumetria construtiva da proposta para o terceiro modelo. Fonte: Campolongo, 2019.

Assim, o algoritmo apresentado neste artigo apoia-se nos experimentos desenvolvidos pelo TPED desde 2014, principalmente no último modelo erguido em 2019, cujas características dimensionais e construtivas foram comprovadas com sua execução e uma série de ensaios laboratoriais desenvolvidos por um dos pesquisadores do grupo (CAMPOLONGO, 2019).

3.1 O algoritmo

O algoritmo surge da solução construtiva considerando suas características materiais, coordenação modular e dimensionamento dos componentes. Assim, o pórtico é o definidor inicial da proposta arquitetônica e das variações geradas pelo algoritmo. Logo, a expansão ou retração da construção se dá ao longo de um vetor, com adição ou subtração desses pórticos, conforme Figura 3.

Fig. 3: Crescimento linear a partir da adição de pórticos. Fonte: Acervo TPED, 2019.

Todas as definições construtivas foram obtidas através dos experimentos construtivos, impondo ao algoritmo regras bastantes restritas. No entanto, a fim de aumentar as possibilidades de variações arquitetônicas, criou-se um pórtico duplo, que, embora não tenha sido construído, é constituído dos mesmos componentes, com poucas exceções, e apresenta o mesmo vão entre pilares e a mesma inclinação de cobertura (ver Figura 4). Assim, pode-se optar por dois tipos de pórticos, simples ou duplo, promovendo, além do crescimento linear, uma expansão lateral, ainda que mais limitada.

Fig. 4: Crescimento linear a partir da adição de pórticos duplos. Fonte: Autores, 2019.

Os componentes já estavam desenhados. Logo, são adicionados automaticamente pelo algoritmo, que trabalha adicionando-os ou subtraindo-os. Essa estratégia permite aumentar ou reduzir a dimensão dos ambientes com a repetição de peças idênticas, tirando proveito da economia em escala, mas com a possibilidade de gerar resultados distintos, viabilizando a adaptação arquitetônica. A solução construtiva racionalizada por meio da fabricação digital subtrativa e estruturada modularmente, vem ao encontro dos autores que defendem a customização em massa. A construção baseada no diálogo CAD/CAM, potencializada pelas interfaces viabilizadas pelas TIC – Tecnologias de Informação e Comunicação –, facilita não apenas a oferta de escolhas por um futuro morador, como também a transmissão imediata das informações necessárias para a produção dos componentes (BARDAKCI, WHITELOCK, 2003; KOLAREVIC, 2004; PINE, 1994).

Todo o processo de criação do algoritmo se dá a partir dos desenhos arquitetônicos. Assim, foram projetados ambientes baseados na solução construtiva, ou seja, nos pórticos, que podem ser adicionados, removidos e combinados. Para a digitalização do processo e produção do algoritmo, foi utilizada uma série de programas computacionais. Nomeadamente: o AutoCAD para os desenhos das plantas, o Sketchup para o desenho dos modelos tridimensionais, e o Rhinoceros com o plug-inGrasshopper para a criação do algoritmo, que também contou com boa parte de sua estrutura escrita na linguagem de programação Python.

Por se tratar de uma abordagem exploratória, o trabalho se propôs, desde o início, a oferecer uma Prova de Conceito, e não uma aplicação a um caso real, o que, eventualmente, envolveria famílias em situação de vulnerabilidade, impondo uma responsabilidade que não convinha à pesquisa neste momento, considerado ainda preliminar e exploratório. Embora leve em consideração as críticas apresentadas quanto às composições familiares e aos usos reais dos espaços, este trabalho não pretende propor novas maneiras de morar, nem problematizar o modelo tripartido de habitação (áreas sociais, íntimas e de serviço). Considera-se que a possibilidade de escolha de quantidade de ambientes e seu dimensionamento, ainda que dentro de limites preestabelecidos, traz a flexibilidade necessária para a melhor adaptação da arquitetura às demandas reais do cotidiano das famílias.

Fig. 5: Unidade mínima. Fonte: Autores, 2019.

Foi criada uma série de componentes, tanto em planta quanto em modelo tridimensional, para cada ambiente, que são adicionados ou removidos conforme o diálogo com o software, através do algoritmo. Parte-se, assim, de uma unidade mínima (ver Figura 5) com sala, cozinha, banheiro e um dormitório, onde cada ambiente, com exceção do banheiro, aceita três tamanhos de crescimento: pequeno, médio e grande; com a adição ou subtração desses componentes. Além disso, pode-se acrescentar mais dois dormitórios (ver Figura 6).

Fig. 6: Ambientes. Fonte: Autores, 2019.

Estabeleceu-se uma série de regras condicionais a partir dos ambientes (sala, cozinha, quarto e banheiros):

+ Sala: Duas opções de sala: com pórtico simples (simples - S) e com pórtico duplo (ampliada –A); Três tamanhos (tanto para a simples quanto para a estendida): pequena, média e grande;

+ Cozinha: Três opções: integrada (I) à sala, fechada (F) e tipo americanos (A); Três tamanhos: pequena, média e grande;

+ Banheiro: Duas opções de banheiro: pequeno e grande;

+ Dormitórios: estabeleceu-se um mínimo de um desses ambientes, e um máximo de três. Cada um deles conta com três opções de tamanho: pequeno, médio e grande.

São seis opções para a sala, nove opções para a cozinha, duas opções para o banheiro, três opções para o primeiro dormitório e quatro opções para o segundo e o terceiro dormitório. Em uma análise combinatória, trata-se de um caso de princípio fundamental da contagem, em que se tem 6*9*2*3*4*4 = 5184. Ou seja, essa estratégia permite cinco mil cento e oitenta e quatro combinações diferentes de arranjos de ambientes.

Quadro 2: Combinações de arranjos de ambientes. Fonte: Autores, 2019.

Assim, a proposta de adaptação algorítmica se organiza numa sequência linear de decisões que surgem da própria arquitetura, com a definição das características de cada ambiente, além da solução construtiva, com a adição ou subtração de pórtico sucessivos, permitindo o aumento ao longo de um vetor. Tem-se:

+ A substituição de um ambiente por sua variação - por exemplo, temos duas opções de sala (S e A), três opções de cozinha (I, F e A) e duas opções de banheiro; 

+ Adição ou remoção de um ambiente, por exemplo, podemos adicionar ou não um segundo e um terceiro dormitório; 

+ Ampliação de cada ambiente, com exceção do banheiro, com três tamanhos possíveis (pequeno, médio e grande). 

O algoritmo foi organizado em grandes blocos de comandos, a partir das:

+ Geometrias: plantas, layouts e modelo tridimensional;

+ Ações: parametrização das geometrias, cálculo da área construída, numeração da combinação e quantificação dos painéis a serem usinados e geração de um código para cada combinação possível.

A estrutura de comandos segue a lógica da concepção do algoritmo, utilizando-se, essencialmente, dos comandos Move, Stream Filter e Linear Array. O comando Stream Filter possibilita as escolhas entre as opções ofertadas (sala simples ou ampliada, por exemplo). O comando Linear Array define os tamanhos dos ambientes (pequenos, médio ou grandes). Já o comando Move desloca as volumetrias seguintes em função das escolhas de opções e tamanhos das geometrias anteriores.

Independentemente da metodologia participativa, o que se propõe é que a construção do algoritmo se dê depois de uma etapa de coleta de dados qualitativos de uma comunidade e da definição de características arquitetônicas que melhor atendam esta comunidade.

Diagrama 1: Sequência de ações propostas para um processo participativo auxiliado por computador. Fonte: Autores, 2019.

Como dito anteriormente, trata-se de uma prova de conceito e não a aplicação em uma situação real. Logo, a primeira etapa é representada neste trabalho pelo experimento construtivo. Quanto ao diálogo com os supostos usuários para a coleta de dados quantitativos, ele se dá de duas formas:

+ Opção interativa: Quando os resultados das escolhas surgem imediatamente, à medida em que elas são feitas, essencialmente através dos comandos Slider e Bolean Toggle do Grasshopper. Ou seja, o resultado é construído imediatamente à medida que os dados de entrada são alterados.

+ Opção iterativa: Quando os resultados das escolhas surgem somente após a conclusão de uma sequência de perguntas relacionadas, onde a cada uma delas depende da resposta da anterior. Um total de onze perguntas conclui o ciclo. As perguntas surgem em um quadro flutuante gerado a partir do script import rhinoscriptsyntax no Python, que interage com o Rhinoceros

A opção iterativa parece ser mais flexível, pois as perguntas podem se adaptar ao repertório e vocabulário do usuário/futuro morador. Já a opção interativa pode exigir a participação de um agente intermediário para a operação da máquina, caso o consultado não tenha familiaridade com essa tecnologia. No entanto, ambas opções parecem válidas e adaptáveis a diferentes circunstâncias e metodologias de participação.

Os produtos gerados são: planta arquitetônica, modelo tridimensional e cálculo de área construída. Também é gerada uma planilha com uma numeração específica para cada combinação possível, além da quantificação de painéis para usinagem, cálculo do tempo de usinagem e estimativa de custo do principal material utilizado, o OSB. Essa quantificação só é possível, pois todos os painéis necessários para execução dos pórticos e seus fechamentos já foram definidos. Esses painéis com os componentes devidamente distribuídos em chapas de OSB (nesting) são numerados e organizados em grupos relativos a cada parte da construção. Por exemplo: pórtico duplo, cobertura, pisos, ligações, etc., conforme figura 7.

Fig. 7: Distribuição das peças a serem usinadas nos painéis de OSB (nesting). Fonte: Autores, 2019.

A planilha é gerada automaticamente no softwareMicrosoft Excel (*.xlsx), na qual já estão registradas as características da máquina que serviu de base para as estimativas de tempo e custo. São informados dados como o modelo e fabricante da fresadora CNC, características das fresas utilizadas, velocidade de arrasto e velocidade de rotação. Também está registrado o valor de cada painel com link para a página do fornecedor escolhido, bem como a data da última consulta (ver Figura 8).

Fig. 8: Exemplo de arquivo *.xlsx resultante das informações provenientes do algoritmo. Fonte: Autores, 2019.

3.2 Exemplos de combinações possíveis

A seguir, seis combinações como exemplo da diversidade de arranjos possíveis.

Fig. 9: Opção com sala simples de tamanho médio, com cozinha pequena fechada, banheiro grande, dormitório 1 médio e dormitório 3 pequeno. (Número da combinação: 122212201). Fonte: Autores, 2019.

Fig. 10: Opção com sala simples de tamanho médio, com cozinha pequena americana, banheiro pequeno, dormitório 1 pequeno e dormitório 2 pequeno. (Número da combinação: 122111110). Fonte: Autores, 2019.

Fig. 11: Opção com sala ampliada de tamanho pequeno, com cozinha grande fechada, banheiro pequeno, dormitório 1 pequeno e dormitório 2 grande. (Número da combinação: 212231130). Fonte: Autores, 2019.

Fig. 12: Opção com sala ampliada de tamanho médio, com cozinha média fechada, banheiro pequeno, dormitório 1 médio e dormitório 3 pequeno. (Número da combinação: 222221201). Fonte: Autores, 2019.

Fig. 13: Opção com sala ampliada de tamanho grande, com cozinha grande fechada, banheiro grande, dormitório 1 grande, dormitório 2 grande e dormitório 3 grande. (Número da combinação: 232232333). Fonte: Autores, 2019.

Fig. 14: Opção com sala ampliada de tamanho pequeno, com cozinha pequena americana, banheiro pequeno, dormitório 1 pequeno, dormitório 2 pequeno e dormitório 3 pequeno. (Número da combinação: 212111111). Fonte: Autores, 2019.

4 Considerações finais

Embora a estratégia se organize a partir de uma solução construtiva, a proposta baseada na substituição, diminuição ou ampliação de ambientes pode se adaptar a diferentes soluções construtivas que contem com algum tipo de coordenação modular. Entende-se que a geração de mais de cinco mil combinações arquitetônicas possíveis mostra que a ferramenta oferece a variabilidade de soluções arquitetônicas a diferentes situações de organizações familiares e usos dos espaços. Já as duas opções de diálogo, interativa e iterativa, permitem que a ferramenta se adapte a diferentes metodologias participativas.

Assim, o presente trabalho se coloca como um passo inicial para a apropriação do conceito de customização em massa na produção de arquitetura, através de uma metodologia que se apropria de ferramentas digitais para efetivar a participação dos futuros moradores na produção de arquitetura e larga escala.

Conclui-se esta etapa da pesquisa como um ponto de partida para novos trabalhos e aplicações práticas, esperando que a ferramenta aqui proposta se adapte a diferentes soluções construtivas e arquitetônicas, e diálogos reais com futuros moradores, buscando uma alternativa à massificação da habitação em um mundo cuja complexidade é, reconhecidamente, cada vez maior.

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1 Habitação de aluguel moderado (Tradução livre)

2 Grandes conjuntos (Tradução livre)

Participatory algorithms: a methodology for architectural customization

[...]

Luiz Alberto Backheuser has a bachelor's and master's degree in Architecture and Urbanism. He is a researcher in the Graduate Program in Architecture and Urbanism at the Faculty of Architecture and Urbanism at the University of Sao Paulo, Brazil. He is a professor at the Faculty of Architecture and Urbanism at Mackenzie Presbyterian University, Sao Paulo, where he is member of the research group Theory and Project in the Digital Era. He studies algorithmic architecture, mass customization and digital fabrication. backheuser@gmail.com

Paulo Fonseca de Campos has a degree in Architecture and Urbanism, a Master in Civil and Urban Construction Engineering and a Ph.D. in Architecture and Urbanism. He is an Associate Professor at the Faculty of Architecture and Urbanism at the University of Sao Paulo and the Graduate Program in Architecture and Urbanism at the same institution. He conducts research on industrialized architecture, product design, prefabricated buildings, housing, high-performance concrete, urbanization and sanitation. pfonseca@usp.br


How to quote this text: Backheuser, L. A. F., Fonseca de Campos, P. E., 2020. Participatory algorithms: a methodology for architectural customization. V!rus, Sao Carlos, 20. [e-journal] [online] [online] Available at: <http://www.nomads.usp.br/virus/virus20/?sec=4&item=10&lang=en>. [Accessed: 11 December 2023].

ARTICLE SUBMITTED ON MARCH 10, 2020


Abstract

This article presents a research result that aims to develop an algorithmic methodology for the application of the concept of mass customization in the architectural design process. For that, another parallel research developed by one of the authors is taken, in which the subtractive digital fabrication has been studied from the construction in real scale of exploratory models. The work begins with the context of large-scale housing production, which has characterized housing programs in several countries since the last century. Then, the concept of mass customization is presented, including reflections on its application in building production. In its final part, after a brief description of the research in digital manufacturing carried out simultaneously, the algorithm its structure and results are described, contemplating three aspects: adaptation to an architectural/constructive solution, generation of variations, and dialogue interface with future residents. Thus, through digital tools, we perceive a way of a more collaborative relationship in the architectural definitions of large scale housing production.

Keyword: Mass housing, Mass customization, Algorithmic architecture, Parametric architecture, Generative architecture



1 Introduction: large-scale housing in the 21st century

Since the middle of the last century, international examples have shown a tendency towards the production of large and massified residential complexes with identical housing units. This tendency seems to attend, particularly in countries with an emerging economy, the huge demand for adequate housing, especially in cities where slums and other precarious housing modalities generate large-scale problems (Buckley, Kallergis, and Wainer, 2016). Large-scale housing programs were widely developed in the 20th century, mainly in post-war Europe. The Soviet Khrushchyovkas, the Plattebaus of East Germany, the Czech-Slovak Paneláks, the Swedish Million Program and the British Tower Blocks are examples of these initiatives, which focused on large quantities of housing units with the repetition of identical plants, ignoring specific demands from communities and families (Urban, 2012). However, the French model stood out for the huge number of units delivered: more than 9 million Habitation à Loyer Modéré (HLM) built until the 1980s in the so-called Grands Ensembles (Power, 1993).

However, a significant change distinguishes postwar programs from current cases: the role of the state. The Social Welfare State was the great promoter of these 20th-century programs, which became evident by the speech, in 1953, of the former French reconstruction minister, Eugène Claudius Petit, who stated that instead of rebuilding the country, which was to him a way of looking to the past and not to the future, they should produce new houses for the French people. Petit had promised 14 million new housing units in 20 years and, although the French government has failed to deliver what he said, France and many other European countries have erected huge amounts of housing for their citizens (POWER, 1993). In the current model, the State no longer acts as a promoter but as a facilitator of construction. This trend of transferring the state promotion to the hands of society dates back to the years of 1970 when the State started to stimulate demand and not direct provision (Noia, 2017). Thus, the State facilitates the housing production by private companies, through financing and other advantages to builders (Buckley; Kallergis, and Wainer, 2016).

These changes promoted, from the second half of the 20th century, a revision of the paradigm, allowing self-managed processes (Noia, 2017), which emerge as responses to the social problems that arose from the large housing estates. The demolition of Pruitt Igoe, for example, was interpreted as the end of Modernism and its model of housing promotion was considered widespread, productive, and indifferent to real demands. Many other notorious examples of large residential blocks had the same destination, such as Cité de la Muette, in France, or Killingworth Towers, in England (Fonseca de Campos, 2016; Reis and Lay, 2006). Consequently, a new paradigm of social housing arises, in which specific communities directly participate in the production of their own home, supported by the idea that “the informal production should not be seen as a social affront but as an opportunity for promoting the control and autonomy of the inhabitant” (Noia, 2017, p. 64).

The importance and advantages of the so-called participatory processes began to gain enthusiastic supporters, a literature of their own from the late 1960s, and a better-defined outline of their objectives. Several world experiences of the stimulation of self-management processes and other types of participatory actions have become popular both in rich countries and emerging economies. Experiences like those of Giancarlo de Carlo, in Vila Matteotti, Terni, Italy; Christopher Alexander, in Mexicali, Mexico; the Local Support Service (SAAL), in Portugal; Egyptian Hassan Fathy, in Egypt; Englishman John F. C. Turner, in Peru; the Uruguayan Housing Cooperatives; Byker Wall, by Ralph Erskine, in England; and MolenVilet in Papendrecht, in the Netherlands, are notorious cases of the application of participatory methodologies.

In Brazil, the achievements of the so-called Technical Assessment [Assessorias Técnicas], created by the former Mayor Luíza Erundina in the city of São Paulo (1989-1992) (Fonseca de Campos, 2016), are notable, as well as examples such as the experiences of the group USINA CTAH and the NGO Peabiru. However, although participatory initiatives and self-managed programs continue to be practiced, mass models continued to be favored by different governments at the beginning of the 21st century. Several programs were created to provide the facilitation of large-scale housing production by private builders and developers, who benefit from low-interest rates and cheap land far from urban centers. These practices are common in developing countries, as in the examples in the table below:

Table 1: Recent large-scale social housing promotion programs. Source: Adapted from Buckley, Kallergis, and Wainer, 2016.

These achievements are characterized by the enormous financial resources delegated to the subsidized interest; the preference for new constructions instead of refurbishing the existing housing stock; and the massifying and homogenizing character of the repetition of identical units. These are, in fact, financing programs, not architectural and urbanistic proposals (Buckley, Kallergis, and Wainer, 2016). In Latin America, the Mexican and Brazilian cases are noteworthy for the huge number of units built. Between the years 2000 and 2015, large Mexican cities witnessed a significant growth of their peripheries. This phenomenon is the result of a shift in the national housing policy from the mid-1990s under the World Bank's rules, stimulating actions focused on the development of the free market. Subsequently, public agencies began to focus their efforts on managing social credit mortgages – in the Mexican case through the Instituto del Fondo Nacional de la Vivienda para los Trabajadores (Infonavit) – stimulating private production of social housing.

If, until then, public agencies produced and managed vertical residential units, conceived under the European model of the Grands Ensembles, from that moment on, a more horizontal pattern, based on houses lined up in rows, began to prevail. It generated high-density housing developments with a low supply of equipment and far from urban centers, where most of its residents still depend on jobs in central areas, making mobility a significant problem (JACQUIN, 2012).

Even so, in 2014, the Secretaría de Desarrollo Agrario, Territorial y Urbano (Sedatu) identified a deficit of almost three million homes because, despite the millions of units built, the merely quantitative concern of the developers and the state's facilitation stance ignored that housing is not just a house. The poor quality of the constructions, difficulties of locomotion to the central areas, and lack of necessary infrastructures impacted on the vacancy of millions of housing units built in the Mexican peripheries at the beginning of this century. This has created huge under-occupied housing complexes and contributed to the physical degradation and social of these urbanizations (Blas, 2015).

In the Brazilian case, the Minha Casa, Minha Vida Program (PMCMV) completed ten years in 2019 with an absolute quantitative record: more than four million units delivered (Brasil, 2019). Launched in 2009 by the federal government, it is the most ambitious social housing program in the history of Brazil. Conceived by the ministries of the Civil House and Finance, in agreement with the construction industry, the PMCMV has been facing difficulties identified by some authors as a very simplified interpretation of the Brazilian housing problem, overcoming the deficit according to a purely productivist view based predominantly on quantitative targets (Rizek, Santo Amore, and Camargo, 2014). The program perpetuates more vigorously the characteristics of previous programs, such as the experience of the National Housing Bank (BNH) (Noia, 2016), while dealing with the housing problem from a financial perspective, relegating architectural and urban problems to the background.

Among the frequent criticisms about the program, we can mention the low percentage of financing dedicated to the Range 1 (Rizek, Santo Amore, and Camargo, 2014), dedicated to families with a gross monthly income of up to R$ 1,800.00, which are the neediest group. The search for cheaper lands tends to move enterprises away from urban centers and the imposed urbanizations ignore the daily dynamics of families, two factors that difficult the life of the residents. However, the attention of the present study focuses on housing units and their inadequacy to families and their daily habits. The perpetuation of the minimum unit model, designed for a hypothetical family different from reality, proves that the program serves the interests of builders more than residents.

The second phase of the program, which started in 2011, began to meet the demands of specific communities, promoting the relocation of people in precarious situations and the urbanization of slums. A new modality also emerged, in which the enterprise is organized and managed directly by popular entities of future residents (PMCMV Entities) (Noia, 2017). However, the Entity modality configures as an exception of the PMCMV, with a very limited number of examples (NOIA, 2017). Besides, it is important to remember that the Entities modality and the entire Range 1 of the PMCMV were the categories that had the most significant budget cuts since 2018 (CAMBRICOLI, 2018).

Many post-occupation assessments of projects financed by the PMCMV show the inadequacy of housing units not only for different family compositions but also for the use of spaces. The tripartite conception (social, intimate, and services sectors) presumes an excessively rational use of spaces that does not occur in practice. Different activities are developed in a room designed for a very specific use. For example, besides sleeping and dressing activities, a dormitory can be used for working and receiving guests. A room can often be used for sleeping and taking care of clothes (ironing and folding). In other words, the conception of architecture is perpetuated for an ideal man, avoiding the confrontation with reality (Villa et al., 2015). Family compositions often deviate from the model considered traditional. The model father, mothe and two children is the reference for the PMCMV (Santo Amore, Shimbo, and Rufino, 2015) – and maybe for other similar programs around the world – but it does not consider the reality of the families that are going to live there. Families with different compositions (single-parent, extended, couples without children, single persons, etc.) are more frequent than traditional families (parents and children) (Villa et al., 2015). These diversified arrangements have grown mainly in groups with lower incomes (Leone, Maia, and Baltar, 2010).

The customization of spaces, even with a limited range of variations, can contribute to the mitigation of conflicts between architecture, family compositions, and real uses of spaces. It can adapt and incorporate the desires of the people who will realistically occupy those spaces, based on the individual demands of specific families, the people who know their domestic routine like no other.

2 Mass Customization

In 1987, Stan Davis coined the expression Mass Customization in his book Future Perfect, which is a manifesto that advocates for a permanent state of economic revolution. He stated that products and services must be available in the instant a customer develops a need; products and services should be sent to customers and not the opposite; manufacturers must separate the information of a product from the physical matter that shapes it; and production processes must generate an infinite variety of goods and services adapted exclusively to customers (DAVIS, 1990).

Mass Customization is not the provision of varied products but the consumer's participation in the definition or specification of the characteristics of these products. In other words, products are offered as well as the ability to transform or define them based on previously available possibilities. This means that the supplier must define which attributes or characteristics of the product can be customized, forcing him to take a customer-oriented approach and not focusing on the market and the product as it usually occurs (Machado and Moraes, 2010). The efficiency of series production is associated with the possibility of adaptation, which is often identified as Build to order, make to order, assemble to order, configure to order, and engineer to order, emphasizing the production from demand (Gardner apud Azuma, 2016).

The application of Mass Customization has been facilitated or even enabled by Information and Communication Technologies (ICTs), and the Computer-Aided Design (CAD) and Computer-Aided Manufacturing (CAM) processes (Pine, 1994), which allow a greater dialogue with consumers, facilitate modifications, produce new products quicker, and manufacture them with an agility never seen before (Pine, 1994). For a digitally manufactured machine, such as a Router Computer Numerical Control (CNC), it is as easy and economically viable to produce a thousand of different objects as it is to produce a thousand of identical objects (Kolarevic, 2005). According to Yolovich, the element that distinguishes Mass Customization from simple customization is the integration of computerized design and production systems, which allow a flexible production and provides exclusive products for each customer quickly and without additional costs (Yolovich apud Bardakci and Whitelock, 2003)

Modular coordination can facilitate product customization, allowing the combination of different components. The greater the number of components, the more varied their combinations (PINE, 1994). The modularity of the product allows the large scale manufacturing of these components, taking advantage of economies of scale and consequently obtaining cost reductions with the speed of production and delivery (Azuma, 2016).

Regarding its application in architectural production, Kolarevic and Duarte (2019) state that modular coordination should operate on levels of architectural and urban issues. At the more elementary level, we should consider the materials and components that form spaces, which in turn would compose buildings. These levels, finally, would compose urban spaces. The definition of a modular coordination system must consider not only its production and assembly but its impact on the formal and spatial definitions of buildings and cities.

Kieran and Timberlake (2004) claim that there must be a greater integration between the agents involved, seeking a better dialogue between Architecture, Engineering, and production. The same authors recognize the enormous importance of ICTs and CAD/CAM systems for the effectiveness of this integration. Silveira, Borenstein, and Fogliatto (2001) also argue that the CAD/CAM dialogue is essential since they enable the participation of the consumer/user. Kolarevic and Duarte (2019) state that, from a purely technological perspective, mass customization perfectly suits for the real estate sector. Instead of identical houses, they could offer unique, highly personalized products and provide their services to broader segments of society, not just to the wealthier. This is possible due to the current technologies, which allow the viability of economically deliver highly personalized houses, with parametric design, digital fabrication, interactive sites for their design, visualization, evaluation, and estimation with the automatic generation of production, and assembly data.

User participation aided by digital resources in architectural and urban definitions has been discussed since the middle of the 20th century. The influence of cybernetics and the search for objective criteria for the creation process, led to the production of fundamental works such as Gordon Pask's Architectural Relevance of Cybernetics (1969) or A Pattern Language: Towns, Buildings, Construction (1977) by Christopher Alexander. It was sought, then, to discretize the creative process in architecture to make it more objective, accessible, and adaptable to reality. Thus, the association with emerging digital resources was natural. Some works seeks to discuss this relationship such as Nicholas Negroponte's Soft Architecture Machines (1975), Yona Friedman's Towards a Scientific Architecture (1975), and Nigel Cross's Design Participation (1972). More recently, José Pinto Duarte's (2001) doctoral thesis also brought a fundamental contribution to this discussion. In these works, the computer is seen as an interlocutor that quickly provides the production of large amounts of different responses to being evaluated and chosen (Vardouli, 2011).

3 The constructive experiment

This paper presents an algorithm created in the search for a strategy of applying mass customization to the production of large-scale architecture. This work is the result of parallel research that is not the object of this article. However, its brief presentation, given the limitations of text extension, is necessary to understand the algorithm.

The research group Teoria e Projeto na Era Digital (TPED) of the Faculty of Architecture and Urbanism of the Mackenzie Presbyterian University (FAU-UPM), has been studying the application of subtractive digital fabrication in the architectural production since 2014. The research started with a public call of the Ministry of Science and Technology (MCT) and the Financier of Studies and Projects (FINEP) for the development of studies focused on the contribution of the use of new constructive technologies for the Minha Casa Program, Minha Vida (PMCMV) and the promotion of scientific and technological researches dedicated to the improvement of sanitation and housing conditions. (Nardelli and Backheuser, 2016)

Inspired by international examples such as Instant House, Wikihouse and Clip Hut, as well as national examples such as the Casa Revistas of the Rio de Janeiro Federal University and the WikiLab project of the ABC Federal University, TPED has been producing models in reduced and real scales (Figure 1), in the search for the improvement of construction techniques, adaptation to the national context, and automation of the production process of both project and execution. (Backheuser and Campolongo, 2017)

Fig. 1: The full-scale models developed by TPED. From left to right: Model 1 (2015), Model 2 (2016) and Model 3 (2019). Source: TPED Collection, 2019.

Among the results, we can mention the definition of a dimensioning for components and spaces, the definition of a modular coordination solution, revision of the joints, and structural solution, and reduction of the thickness of the main material chosen for the construction of both the structure and the walls, the Oriented Strand Board (OSB). The solution is based on parallel frames, as shown in Figure 2, built from components machined on a CNC milling machine, with OSB plates 9.5mm thick and spacing between frames of 1.10m. The commercial dimension of the panels is one of the conditions for the modular coordination solution (Campolongo, 2019).

Fig. 2: Constructive volume of the proposal for the third model. Source: Campolongo, 2019.

The algorithm presented in this article is based on the experiments developed by TPED since 2014, especially the latest model built in 2019, whose dimensional and constructive characteristics were proven through its execution and a series of laboratory tests developed by one of the group researchers (Campolongo, 2019).

3.1 The algorithm

The algorithm comes from a constructive solution, considering its material characteristics, modular coordination and dimensioning of the components. The frames are the initial definer of the architectural proposal and the variations generated by the algorithm. Hence, the expansion or retraction of the construction occurs along a vector, with the addition or subtraction of these frames (Figure 3).

Fig. 3: Linear growth from the addition of frames. Source: TPED Collection, 2019.

All constructive definitions were obtained through constructive experiments, imposing very strict rules on the algorithm. However, to increase the possibilities of architectural variations, a double frame was created, which, although it was not built, consists of the same components, with few exceptions, and has the same span between pillars and coverage inclination (Figure 4). Then, it is possible to choose between two types of frames, single or double, promoting, in addition to linear growth, a lateral expansion, even if more limited.

Fig. 4: Linear growth from the addition of double frames. Source: Authors, 2019

The components were already designed. Therefore, they are added automatically by the algorithm, which works by adding or subtracting them. This strategy allows the increasing or reduction of the dimension of the rooms with the repetition of identical pieces, taking advantage of the economy of scale but with the possibility of generating different results, enabling the architectural adaptation.

The constructive solution rationalized through the subtractive and modularly structured digital fabrication contemplates the authors who advocate for mass customization. The construction based on the CAD/CAM dialogue, enhanced by the interfaces developed by ICT, facilitates not only the offer of options for a future resident but also the immediate transmission of the information necessary for the production of the components (Bardakci and Whitelock, 2003; Kolarevic, 2005; Pine, 1994).

The entire process of creating the algorithm is based on architectural drawings. The rooms were designed based on the constructive solution, in other words, on the frames, which can be added, removed, and combined. For the digitization of the process and production of the algorithm, a series of computer programs were used: AutoCAD for the drawings of the floorplans, Sketchup for the design of three-dimensional models, and Rhinoceros with the Grasshopper plug-in for the creation of the algorithm, which also had part of its structure written in the Python programming language.

Since this is an exploratory approach, the work proposed from the beginning to offer a Proof of Concept and not an application to a real case, which would eventually involve families in vulnerable situations, imposing a responsibility that it was not convenient to still preliminary and exploratory research. Although it takes into account criticisms regarding family compositions and the real uses of spaces, this work does not intend to propose new ways of living, nor to problematize the tripartite model of housing (social, intimate, and service areas). We consider that the possibility of choosing the number rooms and their dimensioning, even within pre-established limits, brings the necessary flexibility to better adapt the architecture to the real demands of the families' daily lives.

Fig 5: Minimum unit. Source: Authors, 2019.

A series of components were created, both in plan and three-dimensional model, for each room, which are added or removed according to the dialog with the software through the algorithm. It starts with a minimum unit (Figure 5) with a living room, kitchen, bathroom, and a bedroom, where each room, except the bathroom, accepts three growth sizes: small, medium, and large; with the addition or subtraction of these components. Besides, two more bedrooms can be added (Figure 6).

Fig. 6: All possible rooms. Source: Authors, 2019.

A series of conditional rules were established for the rooms (living room, kitchen, bedrooms, and bathroom):

+ Living room: Two room options: with single porch (simple - S) and with double porch (Extended - A); Three sizes (both simple and extended): small, medium and large;

+ Kitchen: Three options: integrated (I) to the living room, closed (F) and American type (A); Three sizes: small, medium and large;

+ Bathroom: Two bathroom options: small and large;

+ Bedrooms: a minimum of one of these rooms has been established, and a maximum of three. Each of them has three size options: small, medium and large.

There are six options for the living room, nine options for the kitchen, two options for the bathroom, three options for the first bedroom, and four options for the second and third bedrooms. In a combinatorial analysis, this is a case of the fundamental principle of counting, in which there are 6*9*2*3*4*4 = 5184. That is, this strategy allows five thousand one hundred and eighty-four different combinations of room arrangements.

Table 2: Combinations of room arrangements. Source: Authors, 2019.

The proposal for algorithmic adaptation is organized in a linear sequence of decisions that arise from the architecture itself, with the definition of the characteristics of each room, in addition to the constructive solution with the successive addition or subtraction of frames, which allows the increase along with a vector. We have:

+ The substitution of a room by its variation - for example, we have two room options (S and A), three kitchen options (I, F and A) and two-bathroom options;

+ Adding or removing a room - for example, we may or may not add a second and third bedroom;

+ Expansion of each room, except the bathroom, with three possible sizes (small, medium, and large).

The algorithm was organized in large blocks of commands, from:

+ Geometries: plans, layouts, and three-dimensional model;

+ Actions: parameterization of geometries, calculation of the built area, the numbering of the combination and quantification of the panels to be machined, and generation of a code for each possible combination.

The command structure follows the logic of the algorithm design, using essentially the Move, Stream Filter, and Linear Array commands. The Stream Filter command allows us to choose between the options offered (simple or expanded room, for example). The Linear Array command defines the sizes of the rooms (small, medium, or large). The Move command moves the next volumes according to the choices option and size of the previous geometries.

Regardless of the participatory methodology, we propose that the construction of the algorithm takes place after a step of collecting qualitative data from a community and defining the architectural characteristics that best serve this community.

Diagram 1: Sequence of actions proposed for a computer-aided participatory process. Source: Authors, 2019.

As aforementioned, this is a proof of concept and not the application in a real situation. Therefore, the first stage of this work is represented by the constructive experiment. Regarding the dialogue with the alleged users for the collection of quantitative data, it takes place in two ways:

+ Interactive option: When the results of the choices arise immediately as they are made, essentially through Grasshopper's Slider and Boolean Toggle commands. That is, the result is constructed immediately as the input data is changed.

+ Iterative option: When the results of the choices arise only after the conclusion of a sequence of related questions, in which each one depends on the answer of the previous one. A total of eleven questions complete the cycle. The questions appear in a floating frame generated from the import script rhinoscriptsyntax in Python, which interacts with Rhinoceros.

The iterative option seems to be more flexible as the questions can adapt to the repertoire and vocabulary of the user/future resident. The interactive option, on the other hand, may require the participation of an agent or intermediary for the operation of the machine if the respondent is not familiar with this technology. However, both options seem valid and adaptable to different circumstances and methodologies for participation.

The generated products are the floorplan, three-dimensional model, and calculation of the built area. A spreadsheet is also generated with a specific numbering for each possible combination, in addition to the quantification of panels for machining, calculation of machining time and estimated cost of the main material used (OSB). This quantification is only possible since all the panels necessary for the execution of the frames and their closings have already been defined. These panels with the components properly distributed in OSB sheets (nesting) are numbered and organized in groups related to each part of the construction. For example, double frame, roof, floors, connections, etc., as shown in Figure 7.

Fig. 7: Distribution of the parts to be machined in the OSB panels (nesting). Source: Authors, 2019.

The spreadsheet is automatically generated in Microsoft Excel software (*.xlsx), in which the characteristics of the machine that served as the basis for time and cost estimation are already registered. Data such as the model and manufacturer of the CNC milling machine, characteristics of the cutters used, drag speed, and rotation speed are reported. The value of each panel with a link to the chosen supplier's page is also recorded, as well as the date of the last consultation (Figure 8).

Fig. 8: Example of a * .xlsx file from the information of the algorithm. Source: Authors, 2019.

3.2 Examples of possible combinations

The following images are six examples of the combination of diverse possible arrangements.

Fig. 9: Option with a simple medium-sized room, small closed kitchen, large bathroom, medium bedroom 1, and small bedroom 3. (Combination number: 122212201). Source: Authors, 2019.

Fig. 10: Option with a simple medium-sized room, small kitchenette, small bathroom, bedroom 1 small and bedroom 2 small. (Combination number: 122111110). Source: Authors, 2019.

Fig. 11: Option with an enlarged room of small size, large closed kitchen, small bathroom, bedroom 1 small, and bedroom 2 large. (Combination number: 212231130). Source: Authors, 2019.

Fig. 12: Option with an enlarged room of medium size, medium closed kitchen, small bathroom, bedroom 1 medium, and bedroom 3 small. (Combination number: 222221201). Source: Authors, 2019.

Fig. 13: Option with an enlarged room of large size, large closed kitchen, large bathroom, bedroom 1 large, bedroom 2 large, and bedroom 3 large. (Combination number: 232232333). Source: Authors, 2019.

Fig. 14: Option with an enlarged room of small size, small kitchenette, small bathroom, bedroom 1 small, bedroom 2 small, and bedroom 3 small. (Combination number: 212111111). Source: Authors, 2019.

4 Conclusions

Even though the strategy is organized on a constructive solution, the proposal based on the substitution, reduction, or expansion of the rooms can adapt to different construction solutions that have some type of modular coordination. We understand that the generation of more than five thousand possible architectural combinations shows that the tool offers the variability of architectural solutions to different situations of family organizations and uses of spaces. The two dialog options, interactive and iterative, allow the tool to adapt to different participatory methodologies.

Thus, the present work is an initial step towards the appropriation of the concept of mass customization in the production of architecture through a methodology that appropriates digital tools to affect the participation of future residents in the architectural and large scale productions.

This stage of the research is a starting point for new works and practical applications. We expect that the tool proposed here adapt to different construction and architectural solutions, and real dialogues with future residents, seeking an alternative to the massification of housing in a world whose complexity is increasingly admitted.

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