isicad: Что такое параметрическое проектирование в архитектуре

От редакции isicad.ru: Темы параметрического моделирования свободных форм в архитектуре мы касались в недавнем обзоре «BIM и овалы» — конечно, не без отсылки к творчеству покойной Захи Хадид. В нашем обзоре мы рассматривали конкретные инструменты параметрической генерации свободных форм, а предлагаемая вашему вниманию статья рассказывает об интересных примерах использования этих инструментов при проектировании уникальных архитектурных объектов.

Данная публикация, как и примыкающая к ней опубликованная вчера статья «Заха Хадид, архитектура будущего и параметризация», стали возможны благодаря любезному разрешению томской «Научно-производственной компании «Интеграл», в которой были подготовлены обе статьи (см. оригинал представляемой здесь статьи).

Недавно мы опубликовали статью о параметрических зданиях Захи Хадид, но из текста не слишком понятно, что же такое параметрическая архитектура в принципе. Параметры – это что-то, имеющее отношение к уравнениям, описывающим «модные, стильные, молодёжные» линии современных зданий? Нет, всё интереснее. На самом деле параметрическое проектирование – не столько красиво изогнутые трёхмерные объекты, сколько генетические алгоритмы, полиморфизм, мобильность, анализ комплексных систем и прочий матан. Если вам интересно, что сейчас происходит на стыке архитектуры и информационных технологий, читайте дальше.

параметрическое проектирование в архитектуре

Добавлю интриги: сами архитекторы называют «параметрическими» массу самых различных вещей. Как обычно, разложить по полочкам можно только прошлое, а в настоящем — сплошное кипение и путаница.

0. Параметризм — это визуальный стиль

О стилистике плавных линий и изогнутых поверхностей и соответствующих инструментах проектирования надо говорить или много, или ничего. Они просто есть и дают тот узнаваемый результат, который все вы не раз видели.

Кстати, то, что вы прочитали только что — просто стереотип. На самом деле параметрическое здание может выглядеть как угодно, хоть строгим параллелепипедом без окон. Так что картинок в этом разделе не будет. То, что скрывается за красивыми рендерами, гораздо интереснее их самих.

1. Параметризм — это когда форма создаётся при помощи анализа процессов, которые внутри неё будут происходить

Информационное моделирование выводит функционализм на новый уровень, когда процессы, происходящие в здании, рассматриваются как отдельная сущность, наподобие «четырёхмерной морковки» Хокинга, а здание её как бы оборачивает собой, не привнося лишнего.

В списке строений Захи Хадид есть передвижной выставочный павильон, несущие конструкции которого являются одновременно и стенами, и кровлей, и мебелью, и оформлением интерьера, и направляют движение посетителей между экспонатами по нужной траектории. Максимально соответствует функции, да ещё и разбирается, когда не нужен — зачёт! Крупные здания отличаются материалами и конструкцией, но принцип в основу заложен тот же.

Среди традиционных зданий такие образцы тоже есть, например, античный амфитеатр в естественной впадине рельефа, где дно — сцена, а склоны — и сиденья, и ступени, и несущая конструкция, и акустическая поверхность, управляющая распределением звука. Ни прибавить, ни убавить.

Однако в погоне за оптимизацией пространства архитекторы умеют забывать о психологическом комфорте пользователей своих творений, поэтому далеко не все «параметрические» творения любимы горожанами.

2. Параметризм — это когда объект меняется, реагируя на свойства среды или новые функциональные требования

Трансформируемость, мобильность, способность взаимодействовать с окружением — важный ориентир для всех современных архитекторов, но для авангардистов это имеет особенное значение.

Вы знаете, что у обычной шишки чешуйки плотно прижимаются друг к другу в дождливую погоду и растопыриваются в сухую благодаря циклу набухания и высыхания древесных волокон? Это — то, к чему сейчас стремятся передовые архитекторы: чтобы сооружение реагировало на перемены своими основными элементами, а не сложными и дорогостоящими техническими устройствами.

Инсталляция «HygroScope – метеочувствительная морфология» в Centre Pompidou, Париж

«Умное» здание, нашпигованное датчиками и управляемое программой уже стало мейнстримом, теперь исследователи ищут неэлектронные методы и нестандартные материалы. Например, использование термопар, чтобы нагреваясь на солнце, элемент деформировался нужным образом.

«Надувное» офисное здание Media-ICT

Современные здания дышат, шевелятся, открывают и закрывают «глаза» при помощи диафрагм, генерируют внутри облака из азота, динамически меняют оптические и теплоизоляционные свойства самого стекла и так далее — в общем, живут насыщенной и интересной жизнью.

Не буду перечислять бесчисленные примеры, превращая статью в кунсткамеру. Обзор нескольких известных параметрических зданий можно увидеть тут. Давайте лучше заглянем в компьютеры проектировщиков.

Для проектов, где объект существует в динамике, привычных CAD-ов недостаточно, и необходимо применять BIM (информационное моделирование зданий). Мир постепенно переходит к технологии «виртуального здания», но на нашем участке суши пока отстают от этой тенденции (если интересно, почему, читайте разбор с графиками тут).

3. Параметризм — это когда объект создаётся по заранее разработанному алгоритму на основе большого объёма входящих данных

С помощью BIM-программ можно параметризировать проектирование в буквальном смысле, превратить его в «3D-уравнение». То есть, создать модель, которая благодаря заданным зависимостям будет сама подстраиваться под обстоятельства. Или сформировать набор правил, которые на основе имеющейся информации будут генерировать что-то новое. Алгоритмический морфогенез применим как в минимальных объектах, типа автобусных остановок, так и в крупномасштабных, на уровне градостроительства. Кстати, бюро Захи Хадид и Патрика Шумахера «широко известно в узких кругах» параметрическими генпланами городов, формируемыми при помощи скриптов (КДПВ демонстрирует один из них, это Сингапур).

Вот любопытный ролик, который иллюстрирует параметрический полиморфизм. Текст там не на русском, так что немного поясню происходящее в кадре.

Основной объект — квартал из нескольких зданий. Количество его сторон, их длины и углы между ними можно менять. Здания сами подгоняют свою этажность, количество квартир и комнат в зависимости от этих параметров. Сцепляясь между собой, кварталы образуют сеть, которая в зависимости от числа жителей и активности транспортного потока меняет ширину улиц, выделяет главные и может заменить там часть жилья общественными учреждениями, например, магазинами в первых этажах. Это исследовательская работа, а не реальный инструмент проектирования, но по нему вполне можно понять тенденцию.

Для здания можно написать алгоритм морфогенеза, который применительно к разному исходному материалу выдаст разные результаты, но они будут членами одной “популяции”. Получается архитектурный полиморфизм, современная замена типовому строительству: типизировать можно и так, чтобы одинаковых зданий не было, но были одинаковые технологические и конструктивные приёмы.

Картинка отсюда

С помощью задания зависимостей можно генерировать и объекты, органично вписывающиеся в уже существующую городскую среду. Именно в этом контексте архитекторы используют понятие «генотип», подразумевая набор основных параметров, свойств, связей, характеризующих здание или место. Для определения этих «генов» и матрицы взаимодействий между ними всё чаще используют анализ big data и численные аналитические методы. Например, в 1970-х структуру города можно было одновременно анализировать по 2-3 признакам, и это было круто, а самый современный мне попадавшийся пример анализа выяснял закономерности развития около 400 регионов по 25 параметрам.

А чем архитекторов вообще не устраивают «нормальные человеческие» методы проектирования?

Ещё не так давно любое сооружение и создавалось, и воспринималось как цельный статичный объект: дом жилой — одна штука. Сейчас происходит смена парадигмы, каждое строение начинает рассматриваться как динамичная система, элементами которой являются не только материальные объекты, но и незримые: связи, ассоциации, точки и оси восприятия и так далее. Эмерджентность (от англ. emergent — возникающий, неожиданно появляющийся) архитектурных систем задаёт обширное поле для исследований, и параметрическая архитектура — это кое-что из того, что получается в итоге.

За рубежом в области внедрения системного анализа, автоматизации и алгоритмизации в проектирование работают как частные фирмы, так и специализированные лаборатории крупных университетов. В России пока только первые ростки, например, образовательная инициатива «Точка ветвления» занимается популяризацией вычислительных методов в архитектуре.

Так может ли компьютер думать за архитектора? Пока нет. Но будущее уже где-то рядом.