Эдуард Хайман – архитектор, дизайнер, один из основателей образовательного и исследовательского проекта параметрической архитектуры «Точка ветвления», аспирант отдела теории архитектуры НИИТиАГ, креативный технолог R'n'D Lab Digital October. Публикуем его статью о параметрической архитектуре, которая стремится быть не «сделанной», а «порожденной», подобно природному организму.

Инсталляция на воркшопе «Точки ветвления» в рамках фестиваля «Белая Башня 2011», Екатеринбург. Все изображения представлены Эдуардом Хайманом.



Архитектура стремится отражать представления об окружающем мире. Последние 20 лет интерес архитекторов концентрируется на вычислительных технологиях, физических и биологических процессах. Наука о природе и вычислительные технологии переформировывают наше представление о бытие, а за этим и представление о том, как мы можем и должны работать с архитектурной формой и пространством. Это влечет за собой появление и развитие новых инструментов, способов и методов, что существенно меняет представление о том, какова морфология архитектуры, т.е. наука, изучающая строение архитектурной формы. Если, например, биологическая морфология это строение формы организма и особенности его структуры, а в математике это теория и техника анализа и обработки геометрических структур, основанная на теории множеств и топологии, то принципы современной архитектурной морфологии оказались где-то между теми, что в биологии и математике. Если архитектурные формы прошлого можно было рассматривать как конечную структуру, то теперь её необходимо рассматривать через развитие формы – морфогенез.

Процессы

На протяжении практически всей своей истории архитектура была увлечена конечным и статичным результатом. Но с возникновением постмодернизма проявился другой интерес: архитектура всё более увлекается процессом создания проекта. Сначала это были коллажи из аллюзий на большие исторические стили, античную ордерную систему и т.п., затем это перемещается в область игры с более абстрактными процессами: силами, энергиями, чистой геометрией, что сформировало образ деконструктивизма. Далее эта игра, выходя на просторы современности, воплощается в диаграммном мышлении, когда презентации архитекторов все более напоминают инструкцию по сборке и развитию архитектурного объекта.
Такая попытка перевести архитектуру из плоскости субъективных представлений творца в рациональную плоскость объективных решений и задач отражает требования нового времени. В цепочках диаграмм, графиков, пояснений отражается то, почему и как появлялся архитектурный объект. Но в отличие от практики постмодернизма, отражающего иррациональную субъективность архитектора, это происходит на основе аналитики объема, полезных площадей, площади застройки, ориентации на солнце, распределения высоты, видовых точек, количества зелени и парковочных мест, транспортных и пешеходных путей и многих других объективных факторов. За примером можно обратиться к любому проекту именитых BIG, MVRDV, или OMA.


Это очень хорошо соотносится с тем, как поменялись наши представления о природе нашего мира. Научная картина мира показала, что сложные объекты живой и неживой природы являются производными процессов. В них через последовательность процедур трансформации – слияние, деление и преобразование – порождаются новые сущности.
От деланья к порождению

Нам посчастливилось присутствовать в удивительное время глобальной перестройки «человека делающего» в «человека порождающего». В чём отличие первого от второго? Первый опирается на традиционный способ создания искусственного артефакта. Это когда существует конечный образ, план, решение, и человек, посредством определенных действий, достигает желаемого результата. Представьте, что необходимо создать супергероя. Затем представьте себе скульптора, относящегося к типу «человека делающего». Вначале он рисует или лепит эскиз будущей скульптуры, используя натурщика для схватывания правильной человеческой пластики. Затем берёт стамеску и обрабатывает кусок камня. На выходе получается не необходимый супергерой, но его неживое отражение, вряд ли способное на подвиги.

Это верно и при создании архитектуры. Например, архитектор первого типа сначала придумывает образ здания на основе субъективного представления и опыта. Это идеал, который, как думает архитектор, должен изменить жизнь людей к лучшему, и потому его надо построить везде. Потом он берёт стандартную сетку колон 6x6 метров, стандартные перекрытия, кирпич, и т.д. и собирает этот конструктор воедино, стремясь приблизиться к первоначальному идеалу. На выходе здание в малой степени приспособлено к жизни не только потому, что в процессе удалилось от идеала, но и потому, что сам идеал был выдумкой архитектора, лишь опосредованно связанной с реальной ситуацией. Такое здание возможно тиражировать как есть, или вручную внося небольшие изменения, но, в любом случае, это вряд ли может исполнить изначальный порыв сделать жизнь людей лучше.

Но как действует живая природа? И как подобно ей действует человек второго типа – «человек порождающий»? Объекты природы порождаются из взаимосвязей её элементов действующих на основе законов, правил и ограничений. Так живые организмы не имеют конечного образа, к которому они стремятся, но они имеют сочетание эффектов от действий генотипа, совокупности всех генов данного организма и онтогенеза, индивидуального развития организма от зарождения до смерти, большую часть времени проходящего в борьбе за выживание. Это приводит к образованию индивидуального организма имеющего собственный фенотип, т.е. совокупность всех внутренних и внешних признаков и свойств организма. Таким образом, видно, что действия, процессы и развитие – это то, на что сделала ставку природа в борьбе за выживание. В какой-то момент это стало очевидно и людям.

Для пояснения этого утверждения вернёмся к нашему супергерою. Для того чтобы создать реального супергероя нам необходимо разработать его генотип в котором будут заложены суперсвойства. Затем разовьём его в условиях борьбы за свое существование при условии, что его выживание напрямую будет зависеть от нашего выживания. Так мы получим необходимого и действующего, а не идеального супергероя.

Стремясь создать здание, которое улучшит жизнь людей, «архитектор порождающий» создаст генотип для своего здания так, чтобы это здание развилось в условиях, близких к реальной действительности, в соответствии с принципами, заложенными в генотипе. На выходе мы получаем здание, которое приспособилось к окружающим условиям, и эффективно выполняет те задачи, к которым было предназначено. Такое здание можно тиражировать подобно организмам не через копирование, но через порождение новых зданий, используя тот же или чуть изменённый генотип, таким образом, обеспечивая устойчивую популяцию.

Перформативность

Всё более распространяется практика, при которой действия, выражающие задуманный процесс сами по себе, и являются тем, что предопределяет конечную сущность артефакта. Так вспенивание определяет основные качества пены. По сути, само вспенивание одновременно является как актом так и результатом акта, а то, что мы называем «пеной», лишь фиксирует конечное состояние происходящего действия. Такой перформативный подход, когда делание неотделимо от конечного результата, стал важной чертой современного искусства и архитектуры. При этом перформативный подход осуществляется через действия, осуществляемые как в реальности, так и в компьютерных программах, имитирующих действия в реальном времени.

Примером перформативного подхода, производимого в реальности, может служить экспонируемая по всему миру арт-инсталляция «Тейп» (Tape) хорватско-австрийского коллектива Numen/For. Это не конечный проект, перевозимый с места на место или создаваемый по чертежам на месте, но процесс, в котором используются ленты широкого скотча, а также простые процедуры, правила и локальные решения, которые можно представить как мутации основного генома. В нём материал через действия, совершаемые в новой окружающей среде, материализуется в среду каждый раз уникальную, но имеющую общие пространственные характеристики с другими воплощениями «Тейп».
Окружающая среда используется как опора для постепенного выращивания через процесс наклеивания сначала продольных лент, а потом поперечных стягивающих лент скотча. Таким образом, скотч – это не просто один из вариантов материала, который можно при желании заменить на любой другой, но неотъемлемая часть процесса. Скотч – материал, предопределяющий производимые действия, свойства конструкции и формируемой среды. Это не что иное, как процесс эмбриологического онтогенеза, когда из одной клетки развивается целый организм! При этом то, в каких условиях развивается организм, влияет на его форму (фенотип). При одном и том же генотипе разные условия могут дать различные характеристики организму, вплоть до разного пола. В инсталляциях «Тейп» одни правила, действующие в разных условиях урбанистической среды, порождают разную форму инсталляций. Чтобы оценить сочетание общности и уникальности достаточно сравнить инсталляции в Белграде, Берлине, Мельбурне и Вене.



Для того чтобы понять, как перформативный подход в архитектуре может реализовываться в компьютерных программах следует посмотреть на опыт Даниеля Пайкера, который участвовал в воркшопе «Точки ветвления» на «Стрелке» в этом году (см. видео его лекции). В своей лекции на воркшопе он рассказал о разрабатываемом им инструменте для архитекторов, где возможно создавать форму на основе физических взаимодействий, к которой применяются силы, подобные физическим силам. В таком случае конечная форма это производная процесса уравновешивания всех сил в системе.

Алгоритмы
Много лет, и особенно активно в последнее десятилетие, передовые архитекторы концентрируются на том, как с помощью вычислительных технологий разрабатывать алгоритмы, на основе которых производится архитектурная форма. Только перечисление образовательных центров исследующих эти вопросы говорит сам за себя: AA (Architectural Association), IAAC (Instiute for Advanced Architect of Catalonia), SCI-Arc (The Southern California Institute of Architecture), University of Applied Arts Vienna, RMIT University, Columbia University GSAPP, Delft University of Technology с её лабораторией Hyperbody. Разрабтываемые алгоритмы отражают виденье того, как объект должен порождаться, какие взаимосвязи, правила и ограничения действуют в их системе. Такой процесс, выраженный в алгоритме и запечатанный в компьютерный код можно представить как геном объекта, который выдаёт разные результаты в зависимости от внешних условий, которые в алгоритмах представляют собой исходные данные. А результатом выполнения алгоритма является необходимая архитектурная форма. Такой принцип проектирования архитектурной формы раскрывает целый букет возможностей: процессы саморегуляции, адаптации формы к заданным условиям, возможность создания популяций объектов с разными характеристиками и многое другое. Такой подход во многом определяет понятие параметрического проектирования, ставшего основным трендом современной архитектуры.

Морфогенез

Исполнение алгоритма в разных условиях может давать целые популяции родственных объектов. Причём популяцию могут составлять как здания, так и структурные элементы здания, подобно популяциям живых организмов и клеток, составляющих живые ткани организма.



В процессе подобного размножения может проявляться ещё одно важное свойство такого природного акта, как полиморфизм – способность некоторых организмов существовать в состояниях с различной внутренней структурой или в разных внешних формах. В архитектурных алгоритмах это будет выглядеть как способность выбрать способ обработки данных исходя из свойств входящей информации, и также в зависимости от обстоятельств выбрать путь порождения каждого конкретного объекта внутри одного вида[1].
В качестве примера проявления полиморфизма может служить ролик, в котором видно, как при изменении геометрии плана здания существенно меняется планировка.

В определенном смысле алгоритм в этом проекте работает как включение и выключение, каких-либо генов в зависимости от условий, приводящих к разным состояниям организма.
Оболочка конструкции, созданной на воркшопе «Точки ветвления» в рамках фестиваля «Белая Башня 2011» в Екатеринбурге состояла из однородных элементов. Каждый элемент складывался из одного листа стали в подобие пирамиды. Сгибы элементов в шахматном порядке направлялись то в одну, то в противоположную сторону от поверхности оболочки. Таким образом, полиморфизм проявлялся не в форме, но в ориентации элементов. Такой принцип позволил создать жёсткую самонесущую конструкцию, где элементы при своей объёмности и большой кривизне оболочки произвольной формы не мешали друг другу.

В градостроительстве принцип морфогенеза даёт возможность гибкого планирования территорий. В качестве примера можно привести проект института Берлаге (Роттердаме, Нидерланды), где исследовался город Феникс. Прогностическая модель района разработана на основе карты излучения почвы пустыни, на месте которой должен возникнуть новый жилой район. В зависимости от уровня излучения формируются очертания жилых единиц так, чтобы излучения были минимальны для каждой единицы. Так появляются разнообразные свойства жилья. Каждый жилой комплекс оказывается не только разным по размеру и форме, но также включает в себя различные программы деятельности и различные формы организации [2].


Модель района. Исследовательская программа Питера Траммера в Институте Берлаге, проект студентов Мика Ватанабе и Лин Чиа-Янг


Для понимания того, как новый морфогенез проявляется в разработке архитектурных структур, нельзя не обратиться к опыту программы Emergent Technologies and Design Архитектурной Ассоциации в Лондоне. Там исследовали то, как вместе компьютерный код, математика, физические законы, материал и продвинутые технологии производства могут создавать новые немыслимые ранее сложные материальные структуры.
Примером того как морфогенез всего объекта зависит от морфогенеза его частей может послужить проект навеса для террасы на крыше Архитектурной Ассоциации AA ComponentMembrane, который был разработан, рассчитан, произведен и установлен всего за 7 недель. Навес должен был достаточно хорошо защищать от ветра и дождя, вместе с тем, необходимо было минимизировать горизонтальную ветровую нагрузку из-за слабой опорной конструкции и не загораживать виды с крыши[3]. При этом навес должен был иметь способность затенять по-разному в разные времена годав различное время суток. Форма каждого элемента навеса определялась через согласование всех этих критериев.

Ячеистая структура навеса состоит из набора элементов. Для каждого типа элемента навеса был выбран наилучший материал для выполнения своей роли: устойчивость к ветровым, гравитационным нагрузкам, обеспечение затенения. Для этого была сделана параметрическая модель, которая позволяла произвести эволюционный процесс поиска оптимального решения. В конечном счёте, в ходе такого цифрового морфогенеза был получен навес состоящий из 600 отличающихся конструктивных элементов и 150 различных по форме мембран.



В другом их проекте Porous Cast исследовалось диатомеи и радиолярии. Диатомеи – одноклеточные или колониальные водоросли. Клетка упакована в характерные и очень разные клеточные стенки, которые пропитаны кварцем. Скелет радиолярии состоит из хитина и оксида кремния, которые образуют пористую поверхность. Пористая масса этих двух типов клеток предлагает интересную модель для дифференцированного литья стен, что даёт новые специфические архитектурные возможности, как то проницаемость воздуха, света, температуры и прочее. Первая фаза эксперимента заключалась в литье гипса между надутыми подушками, чем достигалась форма, присущая натуральному минерализованному скелету клеток. Затем были проведены физические эксперименты и цифровой анализ воздушных потоков и освещённости, чтобы выявить изменения свойств в зависимости от разных характеристик формы, таких как размер ячеек и их проницаемость. Конечной целью проекта было создание производственной системы, которая может самоорганизовываться и создавать стену с различными характеристиками в разных её частях[4]. Также такой подход дает возможность пролиферации – разрастанию ткани организма путём размножения клеток, выражаемый в данном случае в возможности через один процесс разрастаться стене с дифференциальными характеристиками.

Porous Cast (Пористое литьё), Габриель Санчиз, AA, 3D модель



Porous Cast (Пористое литьё), Габриель Санчиз, AA, Аэродинамический анализ

В прототипах оболочек, созданных на воркшопе «Точка ветвления: Взаимодействие» в августе 2011 г., параметрический морфогенез проявился не в форме элементов, а в геометрии связей. Концепция конструкции была разработана Даниелем Пайкером, создателем плагина Kangaroo для Grassopper и Димитрием Деминым. В модели с помощью имитации физических взаимодействий точки распределяются по поверхности двоякой кривизны так, чтобы равномерно заполнить её всю и образовать треугольники с максимально возможным равенством сторон. Уже в физической модели одинаковые равнобедренные треугольники сцепляются небольшими эластичными связями и при натяжении минимальной поверхности формируют заданную поверхность с минимальным зазором между элементами.

Изменчивость
Эти примеры показывают, каким образом морфогенетический подход может быть использован для создания формы, выращенной на основе окружающей среды, но при этом конечной и статической. В тоже время один из основных принципов живого организма, когда клетка деформируется и тем самым меняет форму всего организма, может быть использован и в архитектуре, в таком случае адаптация переходит из проекта в реальную жизнь здания.

Прототипом деформируемого здания, форма которого реагирует на изменения условий, может послужить проект Muscle NSA (NonStandardArchitectures) созданный исследовательской группой Hyperbody[5] под управлением Каса Остерхуза в Техническом Университете Делфта (TUDelft, Нидерланды). В 2003 году в Центре Помпиду был выставлен прототип здания, где пневматическая мембрана опирается на сетку индустриальных промышленных «мускул», образующих треугольные ячейки. Мускулы независимо сокращаются и расслабляются, согласуясь в реальном времени с общей управляющей программой, тем самым деформируя весь объём павильона. Павильон реагирует посредством расставленных вокруг сенсоров, реагирующих на перемещение людей разными способами[6]. В 2005 в Hyperbody создали следующую версию, названную Muscle Body где была усовершенствована система согласованной работы всех мускул, которая позволяла держать форму мембраны из натянутой лайкры, подобной той, какая используется в спортивной одежде. Мускулы меняют геометрию тента, сжимая и растягивая разные части ткани, тем самым изменяя их толщину и прозрачность. Павильон реагирует на то, как люди проникают внутрь: меняет освещённость и генерируемый звук, в соответствии с перемещением посетителей[7]. Таким образом характеристики среды становятся динамичными и неотделимыми от природы самого здания.

Двигаясь в этом направлении возможно создавать морфогенетические структуры, где каждый элемент сможет автономно, но согласуясь с соседями, менять форму так, что будут меняться свойства среды, такие как освещенность, температура, продуваемость, цвет, фактура и многое другое. А если это связать с природным принципом гибкости и эластичности в живой материи, то мы выходим на иной уровень формирования среды обитания.
Примером такой немеханической деформации может служить проект Shape Shift, где разрабатывают элементы оболочки, которые деформируются под действием электричества. Совместно кафедра Автоматизации архитектурного проектирования в ETHZ и Швейцарская Федеральная Лаборатория Материаловеденья и Технологий в EMPA экспериментируют с электро-активным полимером (EAP), который сжимается и разжимается в зависимости от подаваемого на него напряжения. Их мембрана это сэндвич из нескольких слоёв материала. Когда площадь слоя EPA уменьшается, то вся мембрана деформируется из-за разности площадей на нижнем и верхнем слое мембраны[8].

Ещё один, но очень важный тип деформации это непосредственная реакция элементов на изменения окружающей среды через собственные свойства материалов и структуры. Это автономный и самоорганизующийся процесс. Он позволяет создавать оболочки, работающие как кожа, где каждая клетка чутко реагирует на изменения окружающей среды лучше, чем высокотехнологичный инженерный конструкт, состоящий и множества разрозненных деталей.

По такому принципу действует инсталляция «HygroScope – метеочувствительная морфология» созданная Ачимом Менгесом в сотрудничестве с о Штефаном Ричертом . Ими были исследованы свойства хвойной шишки открываться и закрываться при изменении влажности. Гигроскопические свойства древесных волокон позволяют им абсорбировать жидкость и высыхать, многократно проходя этот цикл без повреждений. После этого была создана конструкция из тонких слоев, анизотропные свойства которых позволяют пластине быстро скручиваться в одном направлении. Таким образом, физически программируется реакция оболочки на изменение свойств окружающей среды [9].


Последним примером может стать инсталляция BLOOM, созданная архитектурной студией dO|Su. Поверхность состоит из элементов одного вида, представляющих собой биметаллические пластины. Биметалл при нагревании от прямого солнечного света начинает изгибаться, тем самым открывая поры в оболочке, позволяя проникать свежему воздуху под конструкцию.

В этом и предыдущем проекте одновременно работает принцип цифрового морфогенеза, при котором каждый элемент немного отличается от соседей, так как в его образовании используются данные, немного отличающиеся от тех, которые образуют соседние. Но ещё этот элемент изменяет свою форму под действием уже не данных, но энергий или свойств окружающей среды. Такой принцип позволяет натуральным способом встроить архитектурный объект в экологическую систему.

Если ранее архитектура вдохновлялась природными формами, то теперь природа поставляет архитекторам свои методы и технологии работы с формой и материей. Сейчас морфогенез для архитектурной морфологии так же неотъемлем, как и в биологии. Процессы полиморфизма, пролиферации, эволюции, самоорганизации это уже реальный инструментарий для архитектора, использование которого позволяет более правильно выстраивать отношения между человеком, искусственной средой и природой. И, возможно, если поменять угол обзора, то мы увидим, что на самом деле намного дальше продвинулись в конструировании живого, чем нам кажется. Только живое появляется не в генной инженерии, а в архитектуре.

Сноски
[1] Hensel, Michael, Towards Self-Organisational and Multiple-Performance Capacity in Architecture. Techniques and Technologies in Morphogenetic Design, Architectural Design Vol.76 No.2, стр.8.
[2] Wiley, John.Morphogenetic Urbanism. Architectural Design: Digital Cities, стр.65
[3] Hensel, Michael, Menges, Achim, Weinstock, Michael. Computational Morphogenesis, Emergent technologies and design, 2009, стр. 51-52.
[4] Porous Cast, URL: http://www.achimmenges.net/?p=4389
[5] MuscleBody – KasOosterhuis, 2005, URL: http://www.interactivearchitecture.org/musclebody-kas-oosterhuis.html
[6] Muscle Non-Standard Architecture, Centre Pompidou Paris, URL: http://protospace.bk.tudelft.nl/over-faculteit/afdelingen/hyperbody/publicity-and-publications/works-commissions/muscle-non-standard-architecture-centre-pompidou-paris/
[7] MuscleBody, 2005 http://www.bk.tudelft.nl/en/about-faculty/departments/hyperbody/research/applied-research-projects/muscle-body/
[8] ShapeShift, PDFдокумент, URL: http://dl.dropbox.com/u/1325890/shapeshift_booklet.pdf
[9] Menges, Achim, Reichert, Steffen Material Capacity: Embedded Responsiveness, Architectural Design: Material Computation: Higher Integration in Morphogenetic Design. Volume 82, Issue 2, стр.52–59, 2012