ARCHITEKTURA MĚNÍ FORMU

Středa, 12. Listopad 2003 - 2:52
| Napsal:
Architekti, designéři a inženýři používají již několik desetiletí počítače ke zvýšení produktivity, k řešení zdánlivě neřešitelných problémů a v neposlední řadě i pro prezentace návrhů a projektů. Avšak teprve v poslední době se využívá počítačové technologie nejen jako nástrojů, ale jako inovativních zařízení schopných vytvářet překvapivé nové ideje v navrhování a zcela neočekávané formy pro svět staveb a prostoru. Poprvé za celé dlouhé dekády reaguje nová generace autorů budov, struktur a urbanistických forem na zájem o teorii chaosu, fraktální geometrii a na zrychlující se vývoj v ostatních oblastech, především v informatice, umělé inteligenci, materiálovém inženýrství, molekulární biologii, genetice a nanovědě.
Znovu definují chápání architektury a urbanismu v naší realitě. Křížením idejí s tvarem, reálným i virtuálním, vznikají hybridní prostory, které jsou výzvou pro současné chápání prostoru a času. Dynamika se stává pro architekta stejně důležitou jako statika. Prostor je definován stále více provozními toky a událostmi, než pevnými pozicemi objektů. V důsledku toho se omezuje tradiční pojetí architektury jako navrhování neměnných a konečných objektů. Doba typologie odchází a přichází éra diagramů. V dnešním proměnlivém světě obsahuje architektonické zadání především data v podobě pohybu osob, dopravy, zboží, toků energie, a podobně. Forma se hledá až poté, co jsou definovány požadavky na provoz a je stanoven předpoklad toků a událostí, které se budou v daném prostoru odehrávat. Důraz na jejich kontinuitu s sebou přináší i větší míru propojenosti architektonického prostředí. Města jsou stále méně tvořena izolovanými objekty a stávají se komplexním organismem, ve kterém se stírají hranice mezi exteriérem a interiérem.[1]

Možnosti využívání počítačů se přičinily o to, že podstata stavebního umění už nikdy nebude taková jako v minulosti. Nejen v rámci procesu navrhování, ale především v reálném prostředí. Tvorba prostředí prochází transformací nejen z formálního hlediska, ale také v oblasti informací, vědomostí. Je třeba si klást otázku, jak blízko jsme navrhování staveb s jejich vlastním digitálním životem. Generování dostupné technologie vtiskne stavitelství pohyb, citlivě vnímající proměnlivost prostředí. Autoři, kteří budou informováni o možnostech nových pracovních nástrojů, si s nimi začnou hrát a budou navrhovat budovy jako interaktivní hry.[2]

První zpracované projekty – ať už se jedná o animované formy Grega Lynna či formy řízené daty Marcose Novaka po diagramy UN Studia na jedné straně a multidisciplinární výzkumy skupiny dECOi po biologicko-technickou tvorbu skupiny NOX na druhé straně – ukázaly jednu podstatnou věc a to, že existuje kvalitativní rozdíl mezi animacemi architektur fantastických tvarů vznikajícími na monitorech počítačů a realizacemi vycházejícími z těchto obrázků. V 80. a 90. letech 20. století nebyly okamžitě k dispozici takové technologie, které by z pohledu konstrukčního a materiálového dokázaly uspokojivě naplnit představy architektů, designérů a inženýrů výše zmíněných idejí. Tento rozpor mezi úrovní nových technik počítačového programování a kvalitou prováděcích systémů vyvolal aktivity, které ve svém důsledku vedly k postupné aplikaci konstrukčních systémů a materiálů známých především v první polovině 20. století, ovšem v jiných souvislostech a ve vyšší technologické kvalitě. Zmínil bych se pouze o membránových, pneumatických a sendvičových konstrukcí, síťových skořepinách, hydraulických komponentech, sklu a plastech. Souběžně s tím se dál hledají způsoby, které by dokázaly ještě lépe a elegantněji vyformovat struktury digitálních architektur. Pozornost se obrací ke konstrukčním a inženýrským plně automatizovaným firmám propojených on-line internetem, které jsou schopny lépe koordinovat práci i spolupráci a využívat softwary na principu CAD/CAM technologií nejen k přípravě modelů a prototypů, ale i k jejich výrobě. Často se v této souvislosti hovoří o navrhování metodou digitálního prototypingu.

Vše kolem digitálního prototypingu začalo na konci 80. let minulého století a dynamický rozvoj nastal od roku 1992 především v USA. Období je charakterizováno nahrazováním kreslících prken výkonnými grafickými pracovišti s konstrukčními programy. Postupně se od prosté elektronické náhrady kreslení vyvíjí vytváření třídimenzionálního geometrického modelu výrobku, který má pro vývojovou práci nesmírný význam. Obecné výpočtové metody, použitelné v rámci těchto konstrukčních programů, mohou jednotlivé díly rozličných forem otestovat různými zatěžovacími stavy, ještě před jejich vlastní výrobou a stavbou. Kromě toho jsou k dispozici i programy, jimiž lze ověřit i technologický postup výroby nového produktu. Výhodou takového digitálního navrhování je nejen precizně nadimenzovaný a vytvarovaný díl z různých transparentních nebo netransparentních hmot, ale pak i ve finále ze všech dílů vytvořený dokonalý objekt ve velmi krátkém čase.

Rozvoj 3D modelování sebou přináší i vznik nových technologií. V té souvislosti se často hovoří o návrhu nového produktu metodami nesoucími anglické názvy Digital Prototyping, Rapid Prototyping, Rapid Inspection a Reverse Engineering, které jsou hybnými silami řešení vývojových úkolů mnoha firem. Slovo Rapid vystihuje velkou konkurenční výhodu, která v našich podmínkách nebývá dosud náležitě využívána.

Digital Prototyping (DP) je proces, jehož cílem je navrhnout nový produkt rychleji, kvalitněji a levněji. Tento postup přestává být charakteristický pouze pro vývoj nových produktů v automobilovém a leteckém průmyslu. Není nutné pracovat s klasickou dokumentací, neboť digitální modelování umožňuje nejen konstruování prototypů aniž by byly fyzicky realizovány, ale poskytuje i možnost pracovat s digitálním modelem v mnohdy geograficky jinde situovaných odděleních firmy. Digitální model má výrazné uplatnění při výrobě a kontrole nových produktů. Zhotovené celé produkty či jejich díly je možné měřit optickými metodami a vyhodnotit porovnáním naměřených hodnot s digitálním modelem.

Rychlou stavbou funkčního prototypu jednotlivých dílů, z nichž je sestaven celý objekt, na základě informací obsažených v digitálním modelu se zabývá technologie Rapid Prototyping (RP). Tvorba modelu vzniká postupně po tenkých vrstvách přímo na základě informací z digitálního modelu. Čas potřebný pro stavbu prototypu je tak značně redukován. RP je technologie rychlého výstupu fyzického prototypu na základě 3D CAD modelu. Bez klasických metod obrábění lze získat během krátké doby libovolný tvar dílu.

Pomocí metod číselně programovatelných strojů CNC obrábění, frézování a RP dnes můžeme rychle získat značně tvarově komplikované modely a prototypy. Ty je však nutné rychle změřit a vyhodnotit. A právě toto je oblast působnosti technologie Rapid Inspection (RI). Stále rozvíjené metody bezkontaktní laserové digitalizace nabízí řady 3D scannerů, jejichž přesnost se pohybuje v setinách milimetrů a rychlost měření je až stonásobně vyšší oproti klasickým postupům.

Stále častěji se ve vývoji nových produktů či prototypů setkáváme s opačným problémem. Jak rychle vytvořit digitální model na základě existujícího produktu či prototypu. Tento náročný postup je metodou rekonstrukce digitálního modelu na základě změřených hodnot z fyzického objektu, která je označována jako Reverse Engineering (RE). Při ní je fyzický model digitalizován a získaná data pak mohou být dále zpracována do povrchové geometrie. RE se používá v případech, kdy existující součást nebo forma musí být reprodukována a chybí prostorová CAD data a nebo neexistuje-li výkresová dokumentace a nějaký díl je nutné znovu vyrobit. Uplatnění RE nalezne i v oblasti výpočtů metodou konečných prvků, zvláště když se skutečná geometrie vyrobené součásti výrazně odlišuje od analyzovaného CAD modelu. Stále častěji se používají digitalizovaná data přímo ve výrobě, bez zpracování CAD systémem, čímž se proces výroby modelu, prototypu a konečného objektu výrazně zkracuje. Výhodné je to zvláště pro první studie produktu, kdy se tvar dílů často mění a upravuje. Kvalita získané geometrie je v takových případech závislá na přesnosti digitalizace a hustotě digitalizovaných dat.
Společným jmenovatelem všech metod je zkrácení nezbytných dob pro tvorbu CAD dat nebo pro výrobu modelu či prototypu. Zkrácení vývojových cyklů umožňuje vytvoření dalších variant, snížení nákladů na vývoj nebo návrh a rychlejší provádění objektů. V současnosti je princip navrhování objektů vyjadřujících pohyb založen na týmové práci jako dynamické modelování prostřednictvím nové generace CAD systémů. Přináší projektantům řadu výhod. Snad největším přínosem je to, že změna na formě objektu může být provedena kýmkoli a kdykoli, bez znalosti postupu, jímž byl objekt dříve vytvořen.

Není daleko doba, kdy v takto projektovaných strukturách budou ve větší míře zakomponovány takzvané inteligentní systémy, které jsou doposud používány jako high-tech materiály v robotice nebo leteckém průmyslu. Chytré systémy mají schopnost reagovat na měnící se požadavky jako na teplotu, tlak, elektrická pole a měnící se mechanické vlastnosti jako polohu, tvar, tuhost. Již dnes jsou známy z robotiky slitiny s tvarovou pamětí a piezoelektricky aktivované materiály, které při zavedení elektrického napětí reagují roztažením, smrštěním, a jsou podobné svalovým strukturám z polymerových gelů. Dochází ke kombinování nových materiálů se senzory a nosiči informací v podobě skelných vláken, která působí jako umělá programovatelná neuronová sít´. Je možno očekávat velké úspory materiálu a vznik systémů, které by mohly být schopny se učit a podle určitého místa i lokálních klimatických podmínek vyhodnotit správně situaci. Prostřednictvím mikrokomponentů se tak vytvoří přizpůsobitelné systémy individuálně reagující na změny prostorových podmínek tak, jak je zamýšleno u příští generace letadel, která mají rozvíjet svoji aerodynamiku pomocí inteligentních prvků mikrosystémů.

Mikrosystém lze obecně definovat jako inteligentní systém obsahující subsystémy, které registrují, zpracovávají a převádějí signál či informaci tak, aby daný mikrosystém vykonával požadovanou funkci. Mikrosystémy v sobě zahrnují tři základní funkce, které jsou zajišťovány příslušnými součástkami nebo systémy:
- Funkci měření a snímání informace o fyzikálním nebo chemickém prostředí zajišťují mikrosenzory,
- působení na okolní prostředí je realizováno prostřednictvím mikroaktuátorů,
- funkci inteligentního zpracování informací a řízení mikroaktuátorů zajišťují obvody zpracování signálů.

Při realizaci mikrosystémů jsou využívány technologie výroby integrovaných obvodů kombinované se speciálními mikrosystémovými technologiemi. Mikrosystém může sestávat z jednoho nebo více čipů, podobně jako jsou realizovány integrované obvody. Z hlediska principu převodu veličin, způsobu zpracování signálu a jeho tvaru na výstupu, jsou mikrosystémy obecně vytvořeny vzájemným spojením elektrických, mechanických a optických principů v miniaturním provedení nebo mikroprovedení. Mikrosystémové a mikrosenzorové systémy jsou často řízeny integrovaným počítačem. Častým požadavkem je kompatibilita mikrosenzorů a mikrosystémů s ostatními mikroelektronickými součástkami a integrovanými obvody. Důležitým článkem mikrosystému je senzor a aktuátor. Senzory a aktuátory využívají mnoho fyzikálních principů, nejčastěji však elektrostatické, piezoelektrické, magnetické, tepelné, optické, chemické, biologické, a bývají vyrobeny technologiemi MEMS. Při návrhu je nutné efektivně využívat moderních teorií a poznatků systémového inženýrství, kde jednotlivé obory nelze oddělovat, ale naopak je nutné využívat nových směrů a zejména mezioborových vývojových aktivit. Zkušenosti z mikroelektronických technologií vedly k vývoji mikrosystémových technologií, kdy se v technologickém procesu vytváří současně velké množství miniaturních funkčních struktur integrovaných na velmi malé ploše.

Velmi rychle pokračující miniaturizace vede k tomu, že se věnuje velká pozornost vývoji struktur v nanometrových rozměrech, ve kterých se dominantně uplatňují kvantové jevy. Nanověda[3] , která pracuje v rozmezích 1000krát menších než mikroelektronika, v sobě zahrnuje nejen postupy využívané při výrobě elektronických součástek, ale i výzkum a vývoj nových materiálů, například polymerů a uhlíkových nanotrubiček. Nanověda má výrazně interdisciplinární charakter a proniká i do tak vzdáleného oboru, jako je celá oblast studia, návrhu a aplikací neuronových sítí.

Žijeme v další etapě vědeckotechnického vývoje založeného na konvergenci technologií čtyřčlenné skupiny označované zkratkou NBIC (nano – bio – info – cogno). V současné době dělají mimořádné pokroky nanovědy a nanotechnologie, biotechnologie a biomedicína včetně genetického inženýrství, informační technologie včetně pokročilých výpočetních a komunikačních systémů, a vědy o poznávání včetně neurologie. Namísto prohlubující se specializace, kterou můžeme dosud pozorovat, jsou nyní otevřené možnosti celostního pohledu a sjednocování různých věd. Integrace vyžaduje sdílení kultury napříč existujícími okruhy vědeckých disciplín a nový technický jazyk opírající se o matematiku komplexních systémů, fyziku struktur na úrovni nanorozměrů a hierarchickou logiku inteligence.

Optimistické prognózy předpovídají, že aplikace konvergence bude možné uplatnit v průmyslu, robotizaci, automatizaci, stavebnictví a dalších odvětvích.

Domnívám se, že je vhodná doba přemýšlet v tomto duchu o změně k přístupu navrhování a realizování staveb i v rámci tuzemské architektury. Naše architektura je stále v zajetí konceptů několik desítek let starých a urbanismu založeného na sitteovských principech stavby měst. Vznikl dojem, že vývoj v oblasti architektury a urbanismu je ukončen a že záleží pouze na práci s dosud známými prostory a formami provedenými v odpovídajících detailech a obvyklých materiálech. Opak je pravdou. Ukazuje se, že historizující kontextualismus v novodobé české architektuře, který je od 90. let 20. století masivně podporován na všech úrovní prostřednictvím médií, poradních sborů, orgánů státní správy, spolků, konferencí, soutěží a systému vzdělávání, neodpovídá výše zmíněným tendencím v současné architektuře. Jsem přesvědčen, že k úspěšnému napravení tohoto stavu, je nutná otevřenost experimentům a novým teoriím. Jen tak může vzniknout naděje, že budeme moci reagovat na změny, ke kterým dochází kolem nás v oblasti společenské a technologické.

Je nutné aplikovat výsledky dosažené v různých oblastech přírodních věd, jež se promítají například v podobě aplikace genetických algoritmů do procesu navrhování staveb, a zároveň se názorově vymezit k jednotvárnému projektování staveb a celků v rámci domácí architektonické praxe.

Vždy budu sympatizovat s těmi tvůrci, kteří si uvědomují tento stav a snaží se přicházet s podněty, jež jsou schopny systémově reagovat na řízené i neřízené podněty vyvolané dobou, ve které žijí. Není třeba se nechat zlákat na jedné straně nápady typu „architektury levitující v elektromagnetických polích“, které jsou známé z projektů Stuarta Monroa[4], a na druhé straně není nutné volit pohodlnou cestu na základě dosud opakovaných neživotaschopných postupů tak, jak je to známé z většiny příkladů v našem okolí. Pro začátek je dostatečné vyjít z principu konvergence technologií, který je založen na interdisciplinární spolupráci jiného typu, než jaký je běžný v tradiční projekční praxi. Konvergence technologií slibuje, že významně zlepší naše chápání přeměny lidských vnímacích a fyzických schopností, zlepší interakci mezi myšlením a nástroji, a to individuálně i ve skupinách. Konvergence například též slibuje přímé širokopásmové spojení lidského mozku a stroje, stroje a struktury postavené z materiálů s předem určenými vlastnostmi, se schopností přizpůsobení se měnícím situacím a s vysokou energetickou efektivností, která zaručuje ohleduplnost k životnímu prostředí.

Výsledkem takového přístupu může být pak idea konstrukčního systému založeném na inteligentně reagujících komponentech vyjadřujících pohyb. Tato představa není podle mého názoru nereálná a odpovídá současnému stavu výzkumu v oblasti materiálového inženýrství. Flexibilita v tomto případě podporuje volbu jakéhokoliv měřítka modulace – od makro přes mikro až po nano – a tím vytvoření jakéhokoliv tvaru – hranatého či plynulého. Současně je možný velice různorodý výběr materiálů pro jednotlivé prvky systému, jak z hlediska tvarů, vlastností, tak i barevnosti. Chytrá senzorická struktura stavby pobízí uživatele k tomu, aby se stali součástí virtuálního světa, který rozšiřuje jejich fyzické světy. Uživatel může pouze přijímat informace, může pouze sedět v klidu či si užívat. Vedle toho může uživatel vkládat svůj vlastní obsah do budovy v podobě mluveného slova, zvuků, textů nebo videa. Mohou se hrát i hry s budovou. Navrhovaný konstrukční systém umožňuje projektování nových staveb prakticky tak, aby byly přítomny v síti a v jejich lokalitě. Architektura je vhodná k tomu, aby se stala médiem, které spojuje reálné a virtuální do nového pocitu „here and now“. V tělese budovy může dojít ke spojení mezi reálnými a virtuálními světy, mezi imaginací a plasticitou, mezi tady a teď, tebou a mnou, kdekoliv a cokoliv jste. Konstrukce řízené daty se fyzicky přizpůsobují proměnlivým okolnostem.



[1] Jana Tichá (ed.): Architektura na prahu informačního věku. Zlatý řez, Praha 2001.
[2] Miloš Florián: Budova jako interaktivní hra. Architekt 3/2001, Ročník XLVII.
[3] Miloš Florián: Nanotechnologie: Revoluce 21. století. Architekt 1/2001, Ročník XLVII
[4] Architekt Stuart Monro zkoumá ve svých projektech složitá prostorová pole, která existují na typickém architektonickém staveništi. Jeho projekty jsou vždy „ dohodou „ mezi objektem, geometrií jeho pole a směrem, kam si objekt myslí, že půjde působit. Podobně jako moucha, která zřídka ví, že poletí tam, kam chce. Mechanismus zprostředkování zahrnuje Faradayovu klec a povlak z fólie. Faradayova klec, citlivá na teplotu a vlhkost prostoru, sbírá a zmrazuje vlhkost. Monro používá klec jako alternativní prostorový povrch a jejíž pomocí je prostor neustále do nekonečna přestavován. Obal z fólie je generovaný povrch, který se přeměňuje tím, že přizpůsobuje svou sílu jako odpověd´ na proudící elektromagnetické pole, někdy blízké,.někdy vzdálené. Síly elektromagnetické indukce zvedají objekty, které tvoří architekturu.

Psáno pro časopis ERA 21

Ing. arch. Miloš Florián, nar. 1958, je pedagog na Fakultě architektury ČVUT v Praze. Zajímá se o inteligentní budovy a nové technologie.
Klíčová slova: