Strukturální morfologie

Pondělí, 14. Únor 2005 - 9:42
| Napsal:
Vývoj nových materiálů a stavebních systémů je úzce spojen s komplexním přepracováním postupů, které zahrnují nápaditou aplikaci počítačových nástrojů v průběhu konstrukce a výroby. Počítačové metody se staly motorem vývoje a provádění pokusů v architektuře a stavebním inženýrství. Mnoho z tohoto pokroku souvisí s dostupností výkonných počítačových systémů a nových softwarových nástrojů, jež umožňují generování a analýzu systémů struktur, stejně jako algoritmů pro vyhledávání, porovnávání a řazení informací. Ještě výkonnější, tzv. hloubkové techniky, jsou však potřeba ke splnění slibů, které nabízí právě vznikající strukturální morfologie.
Spirály ramp budovy hotelu Beachness se vinou nahoru zabalené do struktury membrány, zbavují se vazby k zemi, plynou a uvnitř navozují atmosféru vznášejících se kapslí, ve kterých je člověk ponořen do difuzního světla. Všechny prostory, které připomínají kapsle, jsou oživeny promítanými obrazy. Místo prostor místností situovaných „pasivně“ na horizontu, obdobně jako u každého tradičního hotelu, je horizont nakloněn o více než 90° a vytváří zvrásněnou krajinu.. Hotel proto nemá pokoje s výhledem na moře. Návštěvníci se sami objevují na horizontu a cirkulují na pozadí elektronicky zesílených zvuků větru 1.

Podle architekta Spuybroeka v období 90. let 20. století existovaly v moderní architektuře dva odlišné trendy. První metoda architektonické produkce se soustředila na měkkost formy a fyzikální nespoutanost, která je doslovně chápána a vykládána jako fenomenologický prostorový model. Druhá architektonická metoda rozvíjela fluiditu uvnitř programu stavby, takže měkkost byla výsledkem nepřímého poznání prostřednictvím systému cirkulace a vnitřního prostorového uspořádání. Lars Spuybroek však vidí architekturu, která je tak kompletně protkána technologiemi, že dosahuje schopnost akcelerovat rytmy, a tím absorbovat plasticitu lidského těla. Projekty ateliéru NOX se proto vyhýbají prostředkům statické architektury a přímo se vztahují k mobilitě těla. Konečný architektonický objekt představuje dostatečnou fluiditu, aby absorboval formu a program. Hotel Beachness/Animovaná sekvence spirálové struktury, objemu a povrchu. Noordwijk, Nizozemsko/1997, architekt Lars Spuybroek a ateliér NOX

V 90. letech minulého století vznikly skupiny pracující uvnitř projekčních ateliérů a vysokých škol, aby razily cestu tomuto novému mezioborovému přístupu, který se nachází v průsečíku architektury, umělé inteligence a vědy o materiálech. Vyvíjejí se teoretické systémy a matematická prostředí, jež spojují počítačové myšlení s procesem konstrukce. Plánování vytváří generativní proces, jež zahrnuje aplikování nejmodernější programovací techniky užívané pro umělou inteligenci a počítačovou geometrii. Vztah mezi formou a technikou je proměnlivý a zapojuje nelineární kombinace digitálních i analogových sekvencí, nové algoritmy a intenzivní „hloubkové“ počítačové techniky. Význam spočívá ve vývoji algoritmů pro simulaci evolučních a trojrozměrných struktur, včetně povrchů založených na prostředí. Ideálem jsou strukturálně orientované modely, kde růst je potenciálně řízen celou vyvíjející se strukturou pomocí stávajících prvků této struktury. V současnosti vývoj dospěl do fáze, kdy není třeba určit si materiál podle katalogu, ale je možno si materiál s konkrétně požadovanými estetickými a strukturálními vlastnostmi navrhnout.
Na MIT vyvinuli dva z mnoha softwarových systémů i lidé z Emergent Design Group (EDG). Morfogenetické povrchové struktury (MoSS) a Generativní modelování a výroba formy (GENR8)jsou nástroje, které umožňují konstruktérům generovat různé struktury, experimentovat s metamorfózou a proměnnými formami. Oba nástroje jsou napsány v jazyce C++ a mají podobu přídavných modulů plug-in v rámci platformy Alias /Wavefront Studio a Maya. Jsou plně integrovány s API Alias / Wavefront a je možno je využívat podobným způsobem jako toto výkonné modelovací prostředí. Tyto nástroje lze brát jako součást rozsáhlejšího konstrukčního procesu, do něhož patří i simulace, vyhodnocování a výroba.

Morfogenetické povrchové struktury (MoSS)Princip vzniku je založen na logice L-systému, podle kterého směr a charakter vývoje není určován vlivem prostředí, ale vnitřní vlastnostmi organismu. Aximatická infrastruktura, která jej ovládá, vyžaduje soustavu matematických funkcí určujících morfologický výsledek jako výraz architektury2. Organické rozvinuté formy spojuje architekturu s přírodou. Reprodukce evolučních vzorů v některých projektech je zvýrazněna přírodními barvami. /University of California Los Angeles (UCLA), USA/ 1998-200, architekt Karl Chu

Lindenmayerovy systémy definované pro účely modelování vývoje vícebuněčných organismů (L-systémy) lze považovat za speciální případ celulárních automatů vzhledem k tomu, že stav prvku v následujícím kroku je odvozen od stavů okolních prvků. Pravidla jsou rekurzivní, což zaručuje sobě podobnost jako u fraktálů. I velmi jednoduchá soustava pravidel je schopna simulovat proces růstu morfologie složitých struktur. MoSS využívá speciální trojrozměrné L-systémy, které vytvářejí povrchy prostřednictvím aplikace pravidel na axiom s doprovodnou interpretací pohybu a kreslení v prostoru. Růst je řízen gramatikou, která může být buď nezávislá, nebo závislá na kontextu. Prostředí, v němž trojrozměrný L-systém pracuje, rozhoduje o konečné geometrii povrchu. Je možno vytvářet složité růstové prostředí se zpětnou vazbou pomocí přidávání libovolného množství „přitahovačů “ a „odpuzovačů“, jež se definují jako body v trojrozměrném prostoru. Kolem bodu se pohyb a kreslení zakřivuje tak, že v případě přitahovače se pohyb dostává blíže k danému bodu, v případě odpuzovače pak dále od něj. Míra zakřivení závisí na vzdálenosti a síle, která je zadána jako parametr. Přitahovače a odpuzovače pozměňují vytvářený povrch od jeho základní specifikace dané axiomem a pravidly produkce. Záměrem je vyvinout nástroje pro generování buněčných struktur a strukturálních membrán.



Generativní modelování a výroba formy (GENR8)Geometrie stonku rostliny

Za účelem vytvořit most mezi lokální a globální simulací buněčných struktur byl vyvinut softwarový systém GENR8, pro nové simulace využívající trojrozměrné mapové L-systémy. GENR8 stanovuje vztahy mezi buňkami a pak k vzniklému vzoru přiřazuje geometrické parametry. Tato pravidla určují topologii modelu a ta následně určuje nejen jeho geometrii, ale i geometrii konečné stavby. Systém je navržen tak, aby umožňoval opakovanou řízenou výměnu mezi uživatelem a nástrojem během evoluční adaptace. Uživatel může chod nástroje přerušit, intervenovat a následně opět obnovit. GENR8 nabízí kromě konstrukčního vyhodnocování založeného na interakci možnost počítačového vyhodnocování založeného na více kritériích – software má dva mapovací procesy: jeden z nich mapuje genom ke gramatice a druhý interpretuje gramatiku a konstruuje povrch.
Simulátor softwarového systému má značný vliv na růst. V současnosti existují tři typy sil (přitahovače, odpuzovače a gravitace), jejichž účinek závisí na relativní vzdálenosti od modelovaného povrchu a jsou využívány k řízení růstu. Uživatel může libovolně kreslit povrchy a svazky, jež působí jako hranice.

Jednou ze základních věcí je vyhodnocování vhodnosti. GENR8 k tomu využívá pět nezávislých kritérií: velikost, hladkost, měkkost hranic, členění a symetrie, které je možno využívat k vyjádření víceúrovňových nelineárních a třeba i protikladných konstrukčních parametrů. Funkce vhodnosti má několik parametrů hodnocení různých vlastností povrchu a jejich pozměnění má vliv na hodnocení jednotlivce. Uživatel řídí evoluci a ovlivňuje vhodnost tím, že změní jednotlivce a jeho kopie vloží do populace. Je též možné vložit do stávající populace populaci jinou, předtím uloženou do souboru. To dává uživateli možnost řízeným způsobem vkládat nové formativní prvky.
Konkretizace růstových modelů umožňuje kombinace atomické struktury a mechanických vlastností materiálů s makro-chováním struktury jako celku zasazeného do dynamického prostředí. To vede k různým modelům pro různé materiály ve vazbě na rozsáhlejší struktury vztažené k specifickým vlastnostem materiálu. Takto je možné adaptovat nastavitelné faktory materiálů prostřednictvím vzájemné zpětné vazby s vznikající strukturální morfologií jako celkem.

Geometrie vláknitých materiálůŘez zdvojenou šroubovitou budovou a dvození dvojité šroubovité struktury / Projekt výškové budovy, MIT Boston, USA / 2000-2003, ateliér Emergence and Design Group

Biologie používá neobvykle malé množství materiálů a téměř veškeré zatížení je přenášeno vláknitými kompozity. Existují jen čtyři polymerová vlákna:celulózová v rostlinách, kolagenová u zvířat, chitinová u hmyzu a korýšovitých a hedvábná u sítí pavouků. To jsou základní materiály, které se vyznačují mnohem nižší hustotou než většina technických materiálů. Geometrická a hierarchická organizace vláknité architektury je pozoruhodná. Stejných kolagenových vláken je použito v nízkomodulových, vysoce roztažitelných strukturách, jaké představují cévy, středně modulových tkáních, jako jsou šlachy, a vysokomodulových pevných hmotách v podobě kostí. Vláknité kompozity jsou anizotropické, což je vlastnost, která umožňuje docílit vyšší úrovně optimalizace, než jaké je možno dosáhnout u izotopických, homogenních materiálů, protože tuhost i pevnost odpovídá orientaci a velikosti použitého zatížení. Tato kvalita je důsledkem růstu pod tlakem – síly, které organismus během růstu používá, způsobují selektivní ukládání nové hmoty v místech, kde je to třeba, a ve směru, v kterém je to nutné. Tak biologie vytváří velké množství vzorů architektury vláken nesoucích zatížení, z nichž každý je specifickou soustavou mechanických podmínek a požadavků 3.

Vlákna jsou nejúčinnější, když přenášejí čisté tahové namáhání, buď jako nezávislé struktury, nebo jako výztuž v kompozitních materiálech, kterých se používá v podobě membránových struktur v biaxiálním tahu. Vlákna se nevhodně chovají při stlačování, protože se krabatí, a to i když jsou částečně nesena matricí kompozitů. V přírodě existuje řada řešení tohoto problému, která jsou k dispozici:předpínat vlákna v tahu, takže v nich sotva kdy dojde k tlakovému namáhání, zavést vysoko modulové minerální fáze těsně spojené s vlákny proto, aby pomohly nést tlak, nebo silně příčně zpevnit síť vláken, aby se zvýšila boční stabilita, a změnit orientaci vláken tak, aby tlakové namáhání nepůsobilo podél vláken.

Pohyb bez svalůProjekt mrakodrapu vychází z principů bionické architektury, která spojuje techniku a biologii. Konstrukce složená z vysoce odolných mikrostruktur vystuženého betonu, jež má únosnost 2000 kg.cm-2. Vzniklá struktura napodobuje vnitřní uspořádání stromů, vyznačuje se mnohonásobnými vertikálními kapilárami cév a spočívá na plovoucím základě, který stabilizuje hmotu budovy v zemi pomocí plastové tekutiny4. Bionic Tower, výška 1 230 m, Shanghai, Čína / 1992, ateliér Cervera-Pioz & Celaya

Mnoho rostlin je schopno pohybu. Pomalé pohyby často probíhají nepozorovaně, i když jsou velmi známé například u květů, jež se otevírají a zavírají, otáčejí za sluncem či proplétají kolem překážek. Rychlé pohyby jsou viditelnější – zavírání a sklánění listů u některých druhů rostlin ap. Pohyby, které jsou u rostlin vratné, se vytvářejí změnami tlaku uvnitř speciálních buněk. Tyto parenchymické buňky jsou flexibilní v ohybu, ale pevné v tahu. Když buňka absorbuje vodu, zvětší se tlak na její stěny a buňka zvětšuje svou velikost, což je umožněno díky elastičnosti jejích stěn. Jestliže se současně zvětšuje tlak sousedních buněk, jsou výsledkem pnutí deformace celé tkáně a tím pohyb části rostliny. Uspořádání buněk různých velikostí a orientací zapříčiňuje pohyb ve směru, který je třeba. Když osmotický tlak uvnitř buňky pomalu klesá, je pohyb obrácený. Příkladem tohoto mechanismu je zvedání a spouštění listů v cyklu den/noc.
Tyto systémy materiálů v podstatě pracují jako sítě vzájemně působících miniaturních hydraulických aktivátorů, jako balonky naplněné tekutinou, které vytvářejí interakce, přenášejí místní deformace a jsou schopny vyvinout vysoký tlak. Tentýž mechanismus se používá v tkáni listu, ve které průduchy regulují dýchání rostliny. Průduchy se otevírají, když je vzduch vlhký, a zavírají se, když je suchý. Mechanismus funguje díky odlišnému tlaku v asymetrickém uspořádání buněk. Asymetrie struktury buňky a síly stěn směruje pohyb způsobený změnami tlaku. Existují dva řídicí cykly: cyklus vody a oxidu uhličitého, které si někdy mohou konkurovat, protože oxid uhličitý může omezovat fotosyntézu. Světlo podněcuje průduchy, aby se otevíraly, a v noci se průduchy zavírají (kromě období velmi suchého klimatu, kde je cyklus obrácený, aby se zabránilo ztrátám vody).

Dalším příkladem je systém zabalování maximální hmoty povrchu do pupenu. Rychlost a účinnost je v tomto případě výsledkem velmi chytré svinovací geometrie, vnitřního tlaku v buňce a růstu 3. Lze nalézt mnoho příkladů technických principů, v rámci nichž by materiály a struktury s proměnlivou pevností byly přínosné při plánování konstrukcí, jež by mohly být znovu opraveny při změně namáhání nebo podmínek, a přenosných konstrukcí, které by mohly být měkké během dopravy, pevné při rozestavení a opět měkké při přemisťování. Opět existuje několik modelů v biologii, jejichž aplikace by měla být dosažitelná ve velice blízké době. Nejzajímavější je proměnlivě tuhý kolagen vyskytující se u mnoha mořských živočichů. Kolagenová vlákna mohou být uložena v matrici, která se může měnit z pevné na téměř tekutou. V tekutém stavu s nízkou pevností a vysokou ohebností působí kolagenová vlákna jako nespojité prvky, jež nemají ztužující účinek.
Studium biodynamiky objevuje modely pro dynamické materiálové systémy, protože již dnes je možno odstupňovat geometrické uspořádání organizace vláken, doplnit je pohybem bez svalů a díky proměnné pevnosti aplikovat i v rámci pokročilých technologií. Struktury nedaleké budoucnosti proto budou vyžadovat minimum materiálů a budou mít maximální účinnost.

Struktura obaluGeometrie a přizpůsobitelnost panelů pláště. Projekt výškové budovy, MIT Boston / 2000-2003, ateliér Emergence a Design Group


Na základě zmíněných poznatků nacházejí vyvíjené pokročilé kompozitní materiály stále více aplikací. Ukazují se jako atraktivní stavební materiály i v projektech naší přítomnosti. Stavby z těchto materiálů mají celou řadu výhod, protože jsou tuhé, pevné, lehké a tvarovatelné. Při plánování budov a dalších staveb vede jejich aplikace k jinému přístupu, než jak je dosud většinou navrhováno u tradičních konstrukčních principů „zdola nahoru “. Nejprve se staví kompresivní komponenty – jádra – a poté shora dolů se vybuduje skeleton struktury. Z této kompresivní struktury se svěsí kompozitní síť vytvořená ze spojitých pultrusních sekcí. Společně s kevlarovými kabely slouží vnější síť jako podpěra stropních desek. Ty jsou laminované na bázi pryskyřice s kompozitní sítí spojenou s vnějším roztažitelným obalem. Veškeré spoje mezi jednotlivými komponenty jsou zajištěny vysoce pevnými lepidly. Výsledná hybridní struktura spojuje pružný obal budovy s jádrem, což vytváří stavbu zcela odolnou vůči klimatickým i mechanickým vlivům. Otevřený vnitřní plán se kombinuje s variabilní sekcí, protože stropy jsou nezávislé v místech sevření kostry budovy a na konstrukci závěsových stěn.
Klíčovým konceptem tohoto systému je tedy aplikace roztažitelné sítě či tkané struktury zavěšené z jader. Za tím účelem se vyvíjí nová pultrusní a robotická technologie, aby bylo možno kůži stavby utkat přímo na místě. V novém systému obalu umožňují transparentní pryskyřice a silikonové membrány hladký a spektrální přechod mezi transparentním, netransparentním, translucentním a reflexním, aniž by to mělo nějaký dopad na konstrukční vlastnosti pláště. Vrstvení vnějších obalů může být vyvíjeno jako série ventilačních komor podporujících přirozenou ventilaci.

Obal budovy je brán jako integrální systém konstrukce a panelů-regulátorů prostředí, které jsou přizpůsobitelné v geometrii a účinnosti. Diferenciace geometrie panelů sleduje logiku podobnou diferenciaci šroubovic – všechny mají stejný tvar a geometrickou logiku, avšak velikost je různá z důvodu omezeného počtu parametrických změn. Tyto změny dovolují, aby se tvar panelů přizpůsobil měnícímu se zakřivení a proměnlivé hustotě šroubovité konstrukce pomocí jednoduchého algoritmu. Organizace strukturální stykové plochy, spojení mezi šroubovicemi a oblastí panelů, je místní. Toto řešení zajišťuje koherenci mezi různými hierarchiemi geometrií a má schopnost přizpůsobení se celkovým změnám v geometrii. Obal je aktivován mikropneumatickou konstrukcí, která dosahuje kinetické schopnosti prostřednictvím různého tlaku v kapilárním systému buněk pneumatického aktivátoru, jež jsou rozmístěny mezi vnitřní, střední a vnější membránou. Různý tlak ve vrstvách kapilár vyvolává změnu od konvexní ke konkávní geometrii různým rozpínáním a stahováním vrstev. Synchronizované změny v geometrii panelu umožňují řízení odrazu světla mezi vnitřní a vnější membránou a izolujícím objemem vzduchu.

Animace "multiradiálního plovoucího systému" základů / Bionic Tower, výška 1 230 m, Šanghaj, Čína / 1992, ateliér Cervera-Pioz & Celaya

Střídání změn geometrie dolní a horní poloviny panelu ovládá větrání čerstvým vzduchem a směr pronikání světla. Různý tlak mezi pneumatickými komůrkami umožňuje pohyb stykové membrány. Vzory fotovoltaických buněk jsou natištěné na membránách, sbírají sekundární sluneční záření z celého povrchu a takto získanou energii využívají k napájení mikroprocesoru, jenž pohání tlak vzduchu v buňkách pneumatického aktivátoru v každé polovině panelu. Veškerá energie potřebná k udržování tlaku vzduchu a k činnosti ventilů regulátoru pneumatických panelů je zdrojem, zásobárnou a lokální správou velmi jednoduchých mikroprocesorů, mikrokompresorů a vysokokapacitních akumulátorů. Z tohoto důvodu není nutno používat dodávky energie z veřejných zdrojů, což zvyšuje spolehlivost i účinnost systému a snižuje provozní náklady včetně výdajů na údržbu. Aby se takový systém mohl lépe plánovat, vytváří se různé nástroje pro generativní stavební konstrukci a analýzu. Vznikl například nástroj WEAVER, který používá gramatiku schopnou popisu a generování tkaných pramenů na uživatelsky definovaném povrchu. Výsledné tkanivo může být složité a závisí jak na popisu tkaného vzorce, tak na topologii povrchu, na němž je tkanivo aplikováno. Nástroj umožňuje uživateli zkoumat vzorce, které může buď použít ke generování morfologie budovy, nebo aplikovat na tvar daný jinými parametry.

Typická sekce stromu sestaveného z fragmentů ztužující mikrostruktury, která kanálky vede potřebnou tekutiny. Koncept struktury podlaží. / Bionic Tower, výška 1 230 m, Šanghaj, Čína / 1992, ateliér Cervera-Pioz & Celaya

V rámci systému stavby a montáže komponentů se též počítá s integrací senzorů a aktivních materiálů, které sbírají údaje o prostředí interiéru a exteriéru. Během procesu stavby není možno se obejít bez zpětné vazby jako prostředku monitorování integrity jednotlivých částí. Samopoznávací schopnost jednoduchých jednotek řídicích panelů proto probíhá rovněž lokálně. Každý panel je schopný dávkovat průchod světla, tepla i vzduchu oběma směry a ovládat hospodaření energií. Nepoužívá se centrální řídicí systém, protože snímače a aktivace jsou funkce integrované do každého jednotlivého panelu a mnohovrstvá spojení mezi nimi poskytují prostředky pro distribuovanou inteligenci pro případ detekce poškození či selhání materiálů. Vnější výraz takového chytrého povrchu se kontinuálně mění už při malých změnách v úhlech či transparentnosti.
Zabudované senzory mohou také sloužit jako aktivní prvek během životnosti stavby. Umožňují, aby v reálném čase probíhala adaptace na podmínky dynamického zatížení a diferenciální pohyby mezi vysoce stabilními kompozitními materiály či dalšími materiálovými systémy použitými na stavbě. Integrace struktury a reagujícího obalu umožňuje diferencovat mikroklima interiéru jako odpověď na různé potřeby uživatelů a celkovou bilanci energie 5. Digitální revoluce spolu s vývojem nových chytrých materiálů, principů reagujících staveb založených na studiu biologie a technologií vytváření prototypů, zásadně změnila způsob, jakým se plánují, konstruují a stavějí budovy. K zachycení nových vztahů mezi vyvíjejícími se vlastnostmi materiálu, strukturální morfologií, výrobní technologií a architektonickým výrazem jsou třeba nové nástroje a techniky, v jejichž rámci dochází pomocí generativních počítačových postupů k integraci materiálů a výrobních procesů 6.

Poznámky:1 Zellner, P.: Hybrid Space. New Forms in Digital Architecture. Thames & Hudson Ltd., Londýn, 1999.
2 Florián, M.: Směr: Éra Hyperzoická. Před branami probionické tvorby. In: Architekt 6/2001, ročník XLVII, J.H.&Archy.
Steele, J.: Architecture and Computers. Action and reaction in the digital design revolution. Laurence King Publishing, Londýn, 2001.
3 Biodynamics. Architectural Design, č. 3 květen/červen 2004, JOhn Wiley&Sons Ltd. West Sussex.
4 Garreta, A. A.: Skyscrapes. Atrium Group, Barcelona, 2004
5 Fit Fabric: Versatility Through Redundancy and Differentiation. Architectural Design, č. 3, květen/červen 2004, John Wiley&Sons Ltd. West Sussex.
6 Florián, M.: Architektura mění formu. In: Era 21 3/2003, ročník 3, ERA, Brno.

Psáno pro časopis ERA 21 6|04Pohled na architekturu vzniklou v jiné kultuře má vždycky svůj háček: hrozí totiž, že se leckterý význam a motiv ztratí v překladu. Architektura odráží společenské zvyklosti a prostředky, kterými ta která společnost vládne. Architekti, stavby a jejich estetika se odvolávají na hodnoty, které okolní společnost uznává nebo je o nich alespoň ochotná uvažovat. Svoboda té které architektonické kultury je přímo úměrná svobodě, kterou společnost kolem ní zažívá. Architektura tak v sobě nese kus ducha společnosti, ať už záměrně nebo mimochodem.




Klíčová slova: