Facebook

Innowacje z natury

Z:A 80

KATEGORIA: Temat wydania

Od kilku dekad technologie skutecznie dokonują transformacji procesu projektowania architektury i warsztatu architekta. W czasie globalnej urbanizacji, zmian klimatu oraz wyczerpywania się zasobów poszukuje się rozwiązań architektonicznych z naciskiem na ekologię.

Technologie środowiskowe to produkty, procesy i usługi wykazujące tzw. środowiskową wartość dodaną, czyli bardziej korzystny lub mniej szkodliwy wpływ na środowisko niż technologie stosowane obecnie do tego samego celu. Są nimi także technologie, które służą do pomiarów parametrów wskazujących wpływ na środowisko.[1] Nowy Europejski Bauhaus angażuje architektów, inżynierów, projektantów, artystów, naukowców i przedsiębiorców do poszukiwania m.in. nowych form architektury oraz technik budowania przy użyciu inteligentnych technologii. Reagowanie na zmiany klimatu jest jednak procesem. Obecnie realizuje się nowe obiekty, zaprojektowane w przestrzeni cyfrowej, których formy są wynikiem analiz strukturalnych i środowiskowych, nie zaś pobudek czysto estetycznych lub wyłącznie funkcjonalnych. Wraz z postępem architekci dostali nowe narzędzia i metody, które mogą być wykorzystywane do zwiększenia racjonalności i wydajności w architekturze.

Miasto jako ekosystem

Raport sekretarza generalnego ONZ U Thanta zatytułowany Problemy środowiska człowieka, przedstawiony w 1969 roku, po raz pierwszy prezentował opinii światowej dane wskazujące na zniszczenie środowiska naturalnego przez działalność człowieka i stał się zaczątkiem oraz symbolem proekologicznego nurtu w polityce i gospodarce. Już w tym raporcie zwrócono uwagę na „brak powiązania wysoko rozwiniętej techniki i technologii z wymogami środowiska”. U podstaw rozwoju nowego kierunku znalazło się poszukiwanie rozwiązań surowcowych i energooszczędnych, opartych na komputeryzacji, procesach technologicznych i zmniejszeniu nakładów pracy. Największe znaczenie dla przemian społecznych i przyszłej struktury miasta ma mieć ograniczenie potrzeb transportowych, zwiększenie pola wymiany doświadczeń oraz zapewnienie lepszego dostępu do informacji. Współczesne środowiska miejskie cechują się coraz większą złożonością oraz tempem i skalą przekształceń. Symulacje cyfrowe miasta to sposób na sprawdzenie, jak poszczególne elementy projektu będą działać w rzeczywistych warunkach. SimScale opracowało pierwszą na świecie opartą na chmurze platformę inżynieryjną i symulacyjną do modelowania przestrzeni. Budowanie modelu oznacza w tym wypadku tworzenie zbioru danych. Efektem, jaki uzyskujemy w tym procesie, jest tkanka urbanistyczna mająca postać struktury. Nie stanowi ona utrwalonej, sztywnej formy, lecz raczej elastyczny, adaptowalny system. Istotą działania staje się generowanie inteligentnego wzoru, budowanego na podstawie określonych parametrów funkcjonalnych i środowiskowych. Ocena wpływu projektowych rozwiązań może być dziś prowadzona dzięki udoskonaleniu technik przetwarzania danych wyjściowych i wizualizacji. Dotychczas takie symulacje wykorzystywano pod koniec opracowania projektu do sprawdzenia, czy obiekt lub grupa budynków spełniają swój cel. Teraz takie rozwiązania są obecne podczas całego procesu projektowania. Istotny wpływ na kształtowanie formy w projektowaniu wykorzystującym technologie cyfrowe mają wyniki dynamicznych symulacji warunków środowiskowych, np. wiatru. Programy symulujące dynamikę przepływów (Computational Fluid Dynamics, CFD) analizują i modulują mikroklimat przy wymianie powietrza pomiędzy obiektem a jego otoczeniem, wewnątrz i na zewnątrz budowli. Fizyka przepływu płynów jest wykorzystywana po to, aby model cyfrowy budynku ukazał zachowania dynamiczne wody, powietrza, dymu, ciepła i fazy ich zmian. Obecna liczba oprogramowania do symulacji daje możliwość tworzenia urbanistycznych scenariuszy dotyczących wysokości zabudowy, zacienienia okolicy, analiz akustycznych, a co za tym idzie poprawy komfortu życia. Analizie mogą podlegać kwestie środowiskowe, takie jak energochłonność materiałowa, ale również budżetowe, dotyczące powierzchni użytkowej czy zgodności z wymogami norm i przepisów. Potrzebne narzędzia są już dostępne, lecz niekoniecznie wykorzystywane. Inną z możliwych metod wykorzystywania omawianych algorytmów są badania scenariuszy ruchu kołowego i pieszego. Analiza natężenia ruchu pozwala oszacować, czy zaproponowane rozwiązania komunikacyjne sprawdzą się w praktyce i przyniosą oczekiwane korzyści środowiskowe, np. eliminację korków. Za pomocą uproszczonego modelu można przedstawić ogólne wytyczne poruszania się w zadanej przestrzeni. Algorytmy wykorzystują w tym celu podstawowe zasady inteligencji rozproszonej. Na tej podstawie możliwa jest identyfikacja największych przeszkód komunikacyjnych, uzyskanie rozwiązania pozwalającego na rozproszenie ruchu w celu poprawy warunków środowiskowych czy komfortu użytkowników przestrzeni.

 

Siedziba firmy Bloomberg w Londynie, proj. Foster + Partners, fot. Nigel Young/Foster + Partners / AHEC

 

Formowanie analityczne

Symulacja pozwala zbadać wydajność budynku przez cały cykl jego życia, od wczesnych etapów projektowania przez budowę po gruntowną modernizację energetyczną, a nawet rozbiórkę. Najszerszą grupę narzędzi stanowią te określające zasoby energii słonecznej obiektu oraz jego wydajność. Dzięki nim możliwe są oszczędności w utrzymaniu obiektu poprzez pasywne zyski energii oraz poprawa komfortu mieszkańców. Wykorzystanie wektorów padania światła naturalnego pozwala obliczyć wymagane w polskim ustawodawstwie nasłonecznienie dla wszystkich pomieszczeń jednocześnie, przekształcając i tworząc optymalne zabudowania mieszkalne. Do takich symulacji zaliczamy narzędzia: Daylight Factor, Daylight Autonomy, Climate Based Daylight Modelling oraz „wskaźniki komfortu” światła dziennego, takie jak Daylight Glare Probability. Kluczowe znaczenie ma tu połączenie wyników z potencjałem innych narzędzi inżynierskich. Możliwa jest także optymalizacja samej bryły budynku pod względem jej nasłonecznienia i ilości ciepła przechwyconego średnio przez metr kwadratowy fasady. Takie algorytmy automatycznie przeszukają dla nas setki tysięcy potencjalnych rozwiązań, by wskazać te, które najlepiej spełniają zadane kryteria. Traktowanie generatywnych metod projektowania w ten sposób stoi w opozycji do nadmiernie skomplikowanych form, „produkowanych” wyłącznie z pobudek estetycznych. Ukończony w 2015 roku budynek ENR2 Environment and Natural Resources 2, projektu Richärd+Bauer Architecture, jest wynikiem zaangażowania Uniwersytetu Arizony w zrównoważony rozwój oraz interdyscyplinarne badania, które koncentrują się na środowisku i naturalnych zasobach. Odpowiednie ukształtowanie bryły budynku, tzn. częściowe podporządkowanie jego formy czynnikowi energetycznemu, może znacznie poprawić jego bilans. W obiekcie zaprojektowany został centralny dziedziniec, który sprzyja cyrkulacji powietrza i zbieraniu energii. Tarasy biegnące po jego obwodzie tworzą przyjemną, zacienioną przestrzeń. Architekci pomyśleli także o wprowadzeniu zieleni na dachy i ściany obiektu. Połacie dachowe ukształtowane zostały tak, by efektywnie zbierać wodę opadową. Oczyszczona deszczówka i szara woda są wykorzystywane do podlewania roślin. Budynek został zatopiony nieco poniżej poziomu gruntu, dzięki czemu wykorzystuje chłodniejsze temperatury ziemi, aby utrzymać chłód na parterze. „Kiedy wynaleziono klimatyzację, budynki zostały zamknięte i zapomnieliśmy o naturalnych technikach. A teraz widać ponowne pojawienie się tych technik w połączeniu z technologią, którą mamy dzisiaj” – mówi Ladd Keith, kierownik Katedry Zrównoważonych Środowisk Budowlanych na Uniwersytecie Arizony. Zaawansowana technologia nie kończy się jednak na aspektach projektowych. Większość budynków na terenie kampusu jest wyposażona w liczniki monitorujące zużycie wody, energii elektrycznej, ogrzewanie i wydajność chłodzenia.

Wyniki cyfrowych symulacji wykonanych przez inżynierów z SWECO wpłynęły na obiekt Bloomberg w Londynie, projektu Foster and Partners. Integralną częścią jego fasady bioklimatycznej są zautomatyzowane osłony przeciwsłoneczne, które pozwalają ograniczyć zapotrzebowanie na chłodzenie i ogrzewanie, a to przekłada się bezpośrednio na redukcję kosztów eksploatacji. Lamele różnią się skalą, nachyleniem i sposobem rozmieszczenia na poszczególnych elewacjach, w zależności od orientacji i nasłonecznienia, stanowią przy tym integralną część naturalnego systemu wentylacji budynku. Zapewniają zmienną izolacyjność fasady, a w rezultacie komfort termiczny i wizualny, czyli kluczowe warunki sprzyjające dobremu samopoczuciu użytkowników. Aby zagwarantować prawidłowy poziom oświetlenia we wnętrzach, system automatycznie dostosowuje kąt nachylenia lameli do kątu padania promieni słonecznych w czasie rzeczywistym. Mówimy tu o funkcji „śledzenia słońca”. Osłony ustawione w najlepszej pozycji zapewniają dostęp światła naturalnego i jednocześnie chronią przed oślepieniem – większość energii słonecznej zostanie odbita lub rozproszona, a wnętrze optymalnie oświetlone. Inną funkcją jest „ogrzewanie słońcem” – system podniesie osłony zimą w czasie intensywnego nasłonecznienia i nieobecności osób w celu dogrzania pomieszczenia. Kolejna funkcja to „trzymanie ciepła”, czyli opuszczenie osłony, która stworzy dodatkową warstwę izolacji i zapobiegnie stratom ciepła. Inteligentna fasada to tylko jeden z czynników energooszczędnych, zaprojektowanych w budynku. Został tu także opracowany pasywny system wentylacji, w którym powietrze jest wciągane przez obiekt i wydmuchiwane przez centralne okno dachowe. Z kolei sufity pomieszczeń w postaci aluminiowych paneli „płatków” pełnią funkcję wykończenia oraz elementu chłodzącego i tłumiącego akustycznie, łącząc się w energooszczędny zintegrowany system. Przewodniczący RIBA, Ben Derbyshire, okrzyknął projekt „monumentalnym osiągnięciem, które nie tyle spowodowało podniesienie poprzeczki w projektowaniu biurowców i przestrzeni miejskich, ale przebiły się przez sufit – w obszarze zrównoważonego rozwoju, innowacyjnych rozwiązań i dążenia do stworzenia najlepszego z możliwych miejsca pracy”.

 

Siedziba firmy Bloomberg w Londynie, proj. Foster + Partners, fot. Nigel Young/Foster + Partners / AHEC

 

Optymalizacja

Optymalizacja to poszukiwanie zestawu najlepszych rozwiązań spełniających jedno lub wiele kryteriów, które muszą być policzalne. Przy użyciu ogólnodostępnych algorytmów można przeliczać dziesiątki lub setki wariantów, w krótkim czasie. Obecnie powszechnie używanym narzędziem obliczeń inżynierskich są analityczne techniki komputerowe, a najbardziej pragmatycznym i zrozumiałym nurtem w tej szerokiej dziedzinie jest optymalizacja strukturalna. Korzyści tego łatwo skalkulować. W wyniku optymalnego rozmieszczenia materiału możemy np. zredukować masę stali, lepiej dopasować rozpiętość belek konstrukcyjnychi wysokość typowych kondygnacji.

Algorytm Evolutionary Structural Optimization (ESO) opiera się na prostym założeniu dyskretyzowania objętości formy za pomocą analizy sił oddziałujących na nią, za pomocą metody elementów skończonych (MES). Do objętości przykłada się siły, które dana forma będzie miała za zadanie przenieść, oraz ustala się punkty podparcia i zaczepienia. Następnie usuwa się materiał z miejsc, w których nie odgrywa on istotnej roli konstrukcyjnej, i przenosi do obszaru, gdzie jest szczególnie potrzebny z uwagi na oddziaływanie sił. Jeżeli w jakimś miejscu materiału będzie więcej, niż wymaga tego bezpieczeństwo konstrukcji, wówczas następuje redukcja jego ilości. Te czynności (analiza, usuwanie) powtarzane są aż do osiągnięcia optymalnej formy. Metoda analizy kształtu opiera się na procesie, którego celem jest osiągnięcie najkorzystniejszych rozwiązań strukturalnych. W konsekwencji otrzymujemy najlżejszą możliwą formę.

Sposób ten został wykorzystany w projekcie konstrukcji podpierającej zadaszenie lobby Katarskiego Centrum Konwencji w Doha, projektu Araty Isozakiego, oddanego do użytku w 2011roku. Przy opracowaniu technologii budowy współpracowała firma SMART (Software Modeling Analysis Research Technologies). Konary drzewa podtrzymujące lobby są dwuwarstwowe. Widoczna z zewnątrz srebrna powierzchnia stanowi osłonę stalowego, pustego w środku rdzenia.

 

Katarskie Krajowe Centrum Kongresowe, proj. Arata Isozaki, fot. Philip Lange / Shutterstock.com

Nowy język formalny

Wymyślony przez Buckminstera Fullera w 1969 roku termin Statek Kosmiczny Ziemia (Spaceship Earth) miał uświadamiać jego współpasażerom, że powinni pracować razem, gdyż są jego załogą. Przeznaczeniem ludzkości jest rozwiązywanie problemów lokalnych przez wymianę doświadczeń, gdyż tylko w ten sposób można osiągać inne, większe korzyści.. To wspólna rola projektantów, naukowców, programistów, przemysłu i administracji. Nowe możliwości projektowe zostały doskonale opanowane przez architektów, jednak oferowane oprogramowanie wykraczające poza granice własnego zawodu pokazuje większy obraz, który rzadko jest omawiany, czyli powiązania projektu architektonicznego z zagadnieniami dotyczącymi wykonania budynku i udostępniania informacji projektowych. Już na etapie koncepcji można przygotować zarys właściwości projektu, rozwijalnego dalej przez rozszerzenie aspektów technologicznych, ekonomicznych i ekologicznych. W takim podejściu kluczowa jest nieustanna integracja z zaangażowanymi dyscyplinami. Przepływ danych i bezkonfliktowość w procesie wprowadzania zmian w modelach roboczych umożliwia technologia modelowania informacji o budynku (BIM), która jest jedną z bardziej obiecujących rozwiązań cyfrowych i wciąż udoskonalaną na podstawie doświadczeń projektantów i wykonawców. W BIM komunikacja pomiędzy bazami danych obejmującymi wszystkie aspekty projektu (od danych środowiskowych i wymagań programowych aż po materiały i kosztorysy) oraz pomiędzy wszystkimi osobami zaangażowanymi w proces projektowania (od architektów i inżynierów po inwestorów i budowniczych) jest możliwa przez zbiór protokołów. Takie projektowanie zwiększa przepływ informacji i poprawia zagadnienia koordynacji projektu, daje architektom szansę dokonywania świadomych wyborów, także w zakresie materiałów. Dodatkowe nakładki do projektowania BIM, takie jak EC3, pozwalają poprzez analizę modelu zweryfikować ilość CO2 na podstawie bazy danych umieszczonych w aplikacji.

Muzuem Narodowe Kataru w Doha, proj. Jean Nouvel, projekt wnętrza Koichi Takada Architects, fot. Tom Ferguson / Koichi Takada Architect

Projektować jak natura

Czy możemy wzorować się na skryptach budowania, które pokazuje nam natura? Czy to wystarczy, żeby ludzkość przetrwała szczęśliwie na planecie Ziemia? Wzory, których dostarcza natura, od zarania dziejów były inspirujące dla form budowlanych. Systemy biologiczne mają łatwość łączenia i stosowania słabych materiałów, aby uczynić z nich silne struktury. Przyroda wykorzystuje najprostsze surowce w sposób nadzwyczajny. „Technologia Natury jest dynamiczna, lekka i uprawniona przez nakaz funkcjonalny – optymalną wydajność”3 Zasób środków, jakimi ona dysponuje , stanowi dziś nowe źródło inspiracji dla projektantów, którzy chcieliby podążać w kierunku wykorzystania cyfrowych narzędzi projektowania imitujących naturalne procesy formotwórcze. Technologie inżynierskie można wyabstrahować z systemów biologicznych i przełożyć na architekturę. Proces ten, znany jako biomimetyczny, wymaga głębszej analizy systemu organizacji materiałowej. W kategorii koncepcji bionicznej myśl projektowa o formie jest zbliżona do tej zorientowanej na wydajność. Dziś uczymy się od natury oszczędnego gospodarowania energią i materiałem, odnajdujemy w jej utworach efektywne rozwiązania inżynierskie i wzory struktur dla nowych materiałów budowlanych. Poznajemy także sposoby, w jakich środowiska naturalne i zbudowane mogłyby ze sobą najlepiej współdziałać. W naturze wytwarzanie formy i jej materializacja są nieodłączne i nierozerwalne. W tym kontekście projektowanie znacznie zbliża się do produkcji.

 

Pawilon eksperymentalny BUGA Fibre, ICD / Uniwersytet w Stuttgarcie. fot. Roland Heibe

 

Forma BUGA Fibre Pavilion opiera się na wieloletnich badaniach biomimetycznych w architekturze, które są prowadzone w Instytucie Obliczeniowego Projektowania i Konstrukcji (ICD) oraz Instytucie Konstrukcji Budowlanych i Projektowania Konstrukcyjnego (ITKE) na Uniwersytecie w Stuttgarcie. Pawilon pokazuje, w jaki sposób połączenie najnowocześniejszych technologii obliczeniowych z zasadami konstrukcyjnymi występującymi w naturze umożliwia opracowanie nowatorskiego cyfrowego systemu budowlanego. Proces ten ma na celu zobrazowanie przeniesienia do architektury biologicznej zasady systemów kompozytowych włókien za pomocą tworzyw sztucznych. Pawilon zbudowano z ponad 150 tysięcy metrów rozmieszczonych przestrzennie włókien szklanych i węglowych. Jego konstrukcja jest około pięć razy lżejsza od konwencjonalnego modelu stalowego. Skomplikowane procedury testowe wymagane do uzyskania pełnej homologacji wykazały, że pojedynczy element włóknisty pozwala przyjąć siłę ściskającą do 250 kg. Pokazuje to, w jaki sposób prawdziwie zintegrowane podejście do projektowania obliczeniowego i zrobotyzowanej produkcji umożliwia opracowanie wyjątkowo lekkich, wydajnych konstrukcji.

Solar Trees Marketplace, Shanghai, obiekt w budowie, proj. Koichi Takada Architects. il. Koichi Takada Architects

Podsumowanie

Kryzys klimatyczny jest rzeczywistością. Projektanci muszą obecnie określić oraz spełnić wyższe standardy w zakresie zrównoważonego rozwoju i odpowiedzialności. Rodzi to konieczność wprowadzenia istotnych zmian w aktualnym sposobie kształtowania naszego środowiska życia. Nie może być on rozumiany poprzez bieżące rozwiązywanie zastanych problemów, ale jako świadomy wielowątkowy proces, kształtowany zarówno przez dokładne analizy tkanki, w której się znajdujemy, jak i nasz wpływ na tę strukturę, przez kolejne lata.

 

 


[1]Definicja wg ETV - Program weryfikacji technologii środowiskowych Unii Europejskiej.

Marta Gołębiowska
Marta Gołębiowska

architekt, doktorantka na Wydziale Architektury w Szczecinie, zajmuje się tematyką stosowania cyfrowych narzędzi parametrycznych w systemie projektowym, redaktor prowadząca Z:A

reklama

Warto przeczytać