Цифровая тектоника в архитектурном дизайне

В статье рассматривается вопрос влияния социально-экономических факторов на дизайн и появление такого феноменального явления, как пешеходная улица, получившая распространение в период послевоенного восстановления и реконструкции исторических центров городов Западной Европы(1960–1980‑х гг.).

Ключевые слова: история дизайна, история городского дизайна, послевоенная эйфория, ар деко, нью лук, пешеходная улица, дизайн городской среды, предметно-пространственная среда, уличная мебель и оборудование

Наиболее широко используемое сегодня понятие в теории архитектурного формообразования — это «цифровое моделирование», применительно буквально ко всему — дизайну, проектированию, графике, стилям, и в том числе, к тектонике. Ассоциируется оно не столько с компьютерными средствами проектирования, сколько с параметрическим моделированием и новыми технологиями. Можно сказать, что это переход к новой идеологии, к новому способу проектирования, новому мышлению в архитектурном дизайне. В связи с этим, было бы интересно сопоставить традиционное понимание архитектурной тектоники с ее цифровым эквивалентом. Что, собственно, и является целью данной статьи.

Тектоника, в самом общем виде, это концепция, определяющая отношение между формой и ее структурными свойствами. Само слово произошло от греческого «тектон», означающего плотника или строителя. Строитель позднее стал архитектоном, или главным строителем (словарь Ушакова). Первыми «архитектонами» в русских летописях названы Пьетро Антонио Солари, Петрок Малый, Алевиз Новый. Историческое использование термина привело к трансформации концепции от строителя к строительным системам. Архитектоника (ἀρχιτεκτονική) — это строительное искусство (по Брокгаузу и Ефрону), сочетание частей в одном стройном целом, или композиция (С. И. Ожегов). Архитектоны Малевича, плакаты Лисицкого, макеты и фотографии Родченко, и в особенности методические разработки Чернихова [1], дают примеры использования тектоники в качестве инструмента дизайнера, оставаясь актуальными и сегодня. Традиционно, архитектоника понимается как художественное выражение структурных закономерностей, присущих конструктивной системе сооружения. Ключевым является понятие «художественное выражение». Иногда его заменяют словом артикуляция, подчеркивая грамотность, четкое выражение конструктивного решения, как необходимое условие тектоничности сооружения. В период модернизма тектоника интерпретировались как выражение «игры сил» в архитектуре. Тем самым подчеркивалась связь архитектурных форм и статики сооружений. Инженерное конструирование и архитектурные формы могут быть рассмотрены в аспекте эволюции концепции тектоники в различные исторические периоды во взаимосвязи со стилем. С этой позиции можно изучать архитектонику как элемент культурологии. Фрамтон (Frampton) рассматривал роль конструкций в достижении «поэзии форм» в историческом аспекте [2].

Современная интерпретация понятия [3] подразумевает его более широкое трактование, включая цифровое (автоматизированное) производство и конструирование, морфогенез и био- имитации, которые рассматриваются как интегральные части цифровой тектоники. В последнее десятилетие теория и методы цифрового дизайна полностью изменили отношения между архитектурным формообразованием и инженерным конструированием. Современные методы параметрического проектирования привели к новому пониманию несущих структур и материала. Тектоничность форм произвольных сетчатых оболочек сложной конфигурации определяется геометрическими методами трехмерного моделирования и правильным разбиением (тесселяцией) поверхности на плоские панели. Существуют методы построения сложных форм, путем моделирования композитных материалов. Сегодня, архитектурные формы могут быть получены на основе имитации поведения био-организмов под воздействием внешних сил. Таким образом, первое, что отличает цифровую тектонику — это очень широкий спектр методов моделирования для разработки сложных по форме и структуре объектов архитектурного дизайна.

Эпохе цифрового проектирования предшествовал длительный период определения геометрии форм на базе аналоговых моделей. Гауди (1852–1926) внес свой вклад в появление метода структурной тектоники. Он использовал физические модели цепных линий для определения очертания каменных арок. Сам метод известен со времен строительства готических соборов. Он может рассматриваться как экспериментальный метод формоопределения в дизайне. Фрай Отто описал классические отношения между формой и структурой в своем капитальном исследовании облегченных конструкций в индустриальном дизайне [4]. Взаимосвязи между объемной композицией, несущей структурой и мембранами позволили ему вывести типологию форм, в которой тектоника была выражением интеграции этих подсистем. Эти примеры использования тектоники как инструмента для определения форм являются предтечами имитационного моделирования в цифровой тектонике. Таким образом, переход от аналоговых к цифровым моделям, к моделированию поведения материала и несущих систем, явился источником современного цифрового моделирования в дизайне.

Различные теоретические подходы к формообразованию и конструированию в дизайне были сравнительно недавно разработаны в рамках цифровой тектоники. Через переосмысление методологии формообразования была разработана концепция цифрового морфогенеза в дизайне (Oxman) [7]. Эти подходы демонстрируют растущий интерес к цифровым моделям и их приложениям для автоматизированного производства, или численно контролируемого конструирования. Leach, Turnbull и Williams [5], понимают цифровую тектонику как парадигму нового дизайнерского мышления. Их работы внесли большой вклад в теорию цифровой тектоники и морфогенеза современного дизайна, являющегося синтезом архитектуры и инженерного конструирования. Параметризм создает новые возможности для сотрудничества архитектора и инженера на базе цифровых методов в проектировании.

Для того чтобы, классифицировать подходы в формообразовании, интересно сравнить аналоговое моделирование и методы цифровой тектоники. В зависимости от приоритета системообразующего фактора, эти подходы подразделяют на «структура-вперед, материал-вперед и форма-вперед» [7]. Эти подходы существенно различаются. Отличия между ними очень важны для цифрового морфогенеза. «Структура-вперед» — это подход в формообразовании, при котором структурные или морфологические принципы несущих систем являются основой для построения аналоговой или цифровой модели. Эксперименты, основанные на аналоговом моделировании, используются как инструмент формообразования в архитектуре сравнительно давно. Есть три важные составляющие в проектировании таких аналоговых моделей: форма, структура и материал. Приоритет этих переменных определяет рамки, в которых модель будет функционировать. Аналогично, выбор методов формообразования в цифровой тектонике и морфогенеза определяется порядком этих переменных. Модели цепных линий Гауди (висячие цепи, проволочные и веревочные модели) являются каноническим примером масштабных моделей, использованных для определения очертания без моментных каменных арок. Экспериментальные модели были также использованы для инженерных исследований сводов собора Саграда Фамилия (Sagrada Familia Church, Burry, 2001). Использование моделей для формообразования ассоциируется с Ф. Отто и его многочисленными экспериментами, выполненными в институте облегченных конструкций (Lightweight Structures, ILS) при университете Штутгарта. Эти эксперименты внесли большой вклад в теорию и практику формообразования облегченных конструкций. Разнообразные материалы, включая кабели, веревки, цепи, мыльные пленки, резину, ткани, проволочные сетки, а также различные экспериментальные модели на их основе, были использованы для изучения несущих свойств систем и поведения материала. Аналитические исследования, выполненные с большой точностью, использовали тестовые процедуры, результаты которых были тщательно проанализированы и задокументированы. Наиболее заметными исследованиями методов формообразования в ILS были с одной стороны, работы над кабельными сетями и мембранами, а с другой, общие исследования проблемы минимальных поверхностей. Предварительно напряженные кабельные сетки, мембраны, решетчатые оболочки и купола, плоские и пространственные стержневые системы, ветвящиеся древовидные опоры легли в основу классификации облегченных структур. Выделение подклассов для отдельных видов несущих систем и манипуляции с их параметрами (например, количество опор для радиальных кабельных покрытий) делает возможным получить новые формы сетчатых оболочек. Многие ILS чертежи иллюстрируют сравнительный анализ вариантов для различных классов несущих структур. Эти вариации определены необходимыми переменными класса, такими как число и расположение опорных элементов или форма опорного контура. Разработанный в рамках типологического проектирования, этот метод формообразования был наиболее плодотворным для Ф. Отто. Материал-вперед это подход, при котором материал играет системообразующую роль и является основой для разработки формообразующих принципов. Мыльные пузыри, проволочные модели, мембраны из ткани использовались для изучения структур с минимальными поверхностями, и были классическими примерами метода «материал-вперед». Форма-вперед определяет случай, при котором определенные геометрические факторы были установлены на ранних стадиях проектирования (например, оболочки свободного очертания Mannheim Multihalle), а структурные принципы и материал должны быть приспособлены к форме. После создания общей формы, были использованы модели для анализа несущей структуры и материалов, например, известные детальные модели несущей структуры Мюнхенского Олимпийского стадиона.

Понятие морфогенез объединяет систему ключевых концепций, относящихся к теории и методам морфо-экологического дизайна (Weinstock, 2006) [6]. Цифровой морфогенез предлагается как некая система методов и техник на базе эмергенции, относящихся к морфологическому нахождению форм и репрезентативным моделям цифровой тектоники. Вместе цифровой морфогенез и цифровая тектоника создают мощную парадигму архитектурного дизайна. Многие ключевые концепции морфогенеза пришли из области биологии развития организмов. Принципы структурного и материального порядка в биологии и естественных науках также присутствуют в исследовании биоподражательных принципов. Природные структуры используются как основа для определения геометрии, паттернов, форм и поведения в архитектурном дизайне.

Формоопределение и формореализация. Методы первой группы направлены на определение геометрических параметров объекта аналитическим способом или путем построения аналоговой модели, исходя из заданных критериев. Например, определение минимальной поверхности, или определение формы исходя из распределения внутренних усилий и т. п. Методы второй группы предполагают, что форма возникает как результат некоторого процесса или поведения объекта под воздействием внешних факторов. В основе конструирования таких объектов лежат стохастические процедуры, учитывающие случайные отклонения от общей тенденции его развития, например L-systems (системы Линденмайера), клеточные автоматы и т. д. [8]. В отличие от проектирования, эти методы формообразования определяют систему правил или методов, описывающих некоторый эволюционный процесс. Очевидно, что в первом случае методы нацелены на оптимизацию формы, в то время как во втором на ее реализацию через совокупность отдельных состояний. Кроме того, все методы могут оперировать в трех модах: структура-вперед, материал-вперед и форма-вперед, каждая из которых имеет различные отношения к тектонике.

Эмергенция. Классическое определение эмергенции связано с феноменом отношений «части к целому» и процессом проектирования «снизу-вверх». Поведение целого более сложно чем поведение части и эффект от сложного поведения в целом не может быть предсказан из части. Эмергенция в биологии объясняет динамическое развитие природных систем и явлений. Топологические формы или структуры могут сохраняться при взаимодействии между организмом и воздействиями окружающей среды. Эмергенция имеет важное теоретическое значение для описания поведения сложных систем, адаптивных и динамических процессов.

Эволюционные адаптивные процессы производят постепенные трансформации, приводящие к сложным системам и поведениям. Эволюционные адаптивные принципы в биологии были продемонстрированы Дарси Томпсоном (D’Arcy Thompson) в его капитальной монографии [11], который использовал топологию как способ сравнительного анализа. Этот анализ представляет морфогенетические отношения между формами подвидов, которые могут быть трансформированы один в другой путем топологических преобразований. Концепция эмергенции на основе эволюционных адаптивных процессов уместна для эволюционного параметрического моделирования тектонических отношений между структурой и материалом, как видно из работ ILS, так и в недавних исследованиях цифрового морфогенеза (Sasaki, 2007).

Самоорганизация определяет принципы упорядоченности изменений и адаптации, посредством чего возникает эволюционный адаптивный процесс. Эти принципы взаимоотношений относят к тектонике и являются содержанием цифровой тектоники. Самоорганизация (в моделях цифровой тектоники) позволяет рассматривать формообразование как ответ на действие сил, имеющих функциональное или физическое содержание.

Изменение и адаптация. Сложные адаптивные системы являются в целом анизотропными и дифференцированными объектами. Они часто характеризуются множественными внутренне связанными элементами с различным поведением. Эта степень гетерогенности и иерархической сложности есть характеристика современных несущих структур. Морфологические структуры, лежащие в основе эволюционных изменений, являются базовыми для компьютерного моделирования в цифровой тектонике. Представление структурных отношений в виде эволюционных моделей делают возможным моделирование морфогенеза. Цифровые эволюционные модели — это модели структурных и материальных отношений части к целому, которые могут быть модулированы параметрически. В классической архитектуре такие отношения управляются правилами таксономии, которые основаны на формальных паттернах. Цифровая тектоника основана на компьютерных моделях цифровой таксономии, определяет правила конструирования и презентационные модели структурных и материальных отношений.

Цифровая тектоника несущих систем и технология производства. Как материал, так и технология производства может быть системообразующим фактором для формообразования. Спайбрук (Spuybroek, 2006), исследуя соотношения несущих структур и ограждающих конструкций мягких оболочек, оперирует термином «тектоника текстиля», подразумевая, что тектоника формы определяется методом производства: раскроем, переплетением, плетением, вязанием и т. п. ARUP AGU (Advanced Geometry Unit) — научно-исследовательская дизайнерская группа, которая развивает геометрические методы моделирования для проектирования сложных несущих и ограждающих конструкций, не укладывающихся в существующую типологию, во взаимосвязи с автоматизированными способами их изготовления. Унифицированные элементы несущих систем, например плиты, балки, оболочки, не могут быть использованы для проектирования сложных пространственных структур. Для этого, в проекте должны быть разработаны специальные цифровые модели на основе программного скрипта. Актуальность цифровой тектоники как системы знаний в области дизайна определяется современным развитием методов проектирования и автоматизированного производства (на базе CAD, CAE, CAM технологий), и представляет большой теоретический интерес (Raiser и Umemoto, 2006). В рамках инженерной практики, различные попытки сформулировать структурные морфологические принципы архитектоники, в духе работ Ф. Отто, в настоящее время предпринимаются в рамках параметрического моделирования.

Цифровые технологии для тектонических моделей. Существуют различные цифровые техники моделирования, основная цель которых формализовать методы архитектурного формообразования в рамках общего подхода «от части к целому». Ассоциативная геометрия один из таких подходов, который в настоящее время поддерживается различными расчетными технологиями. Тем не менее, возрастающая сложность архитектурных объектов требует нетрадиционных методов для их моделирования, и как Ханиф Кара (Adams Kara Taylor, AKT), пишет: «Развитие графических интерфейсов для вычислений, позволяет инженерам управлять сложной геометрией форм, которая больше не основывается на пропорциях и алгебраических соотношениях, но на аппроксимации поверхностей, на базе математического исчисления» [9].

Цифровой морфогенез. Методы аналогового моделирования Ф. Отто, могут быть рассмотрены как первые попытки создания морфогенетических систем, демонстрирующих процессы интегрированной самоорганизации, использующие формальные, материальные и структурные принципы. Цифровой морфогенез есть процесс создания объектов морфогенетического дизайна, основанный на количественных методах, использующие модели цифровой тектоники. Цифровой морфогенез является парадигмой нового структурализма [7]. Эти разработки в настоящее время создают общую основу для уникальной модели цифрового дизайна, содержанием которого являются сложные формы структурной организации. Цифровые модели морфогенеза отличаются от общих дисциплинарных моделей дизайна, предназначенных для анализа тектоники моделей несущих систем из различных материалов. Методы цифровой тектоники становятся актуальными, когда необходимо имитировать поведение сложных эволюционных систем, двигаемых, или контролируемых, силами окружающей среды (физические нагрузки, температурные данные, и т. п.). Эмергенция и формообразование — это две наиболее важные теоретические концепции, лежащие в основе численных моделей цифрового морфогенеза. Структурная Морфология есть суть структурного и морфологического знания, лежащего в основе цифровой тектоники. Расчетные модели, такие как модели ассоциативной геометрии, обеспечивают эволюционный потенциал морфогенетических систем. Топологические системы преодолевают ограничения традиционных формальных и типологических моделей. Параметрические модели являются основанием для большинства морфогенетических процессов в дизайне.

Цифровой морфогенез в инженерном конструировании. Одно из недавних приложений этого подхода в архитектуре может быть найдено в работах Mutsuro Sasaki. Он работал с Arata Isozaki, Toyo Ito, Kazuyo Sejima и другими ведущими японскими архитекторами. Sasaki использовал две техники: первая — это метод анализа чувствительности (Sensitivity Analysis Method). Традиционный метод основан на экспериментировании с висячими моделями, которым использовались Гауди и Хайнц Айслер (Heinz Isler) для определения формы оболочек с поверхностями свободного очертания. Новая цифровая версия этого метода названа «Метод определения формы на основе анализа чувствительности» (Shape Design Method using Sensitivity Analysis). Он использует принципы минимизации поверхностной энергии структур с поверхностями свободного очертания (Sasaki, 2007). Другая техника определена как 3D Extended Evolutionary Structural Optimization, которая расширяет традиционный ESO метод. Традиционный метод (Evolutionary Structural Optimization, ESO) был использован для генерации форм. Форма была связана с механическим поведением системы, которое последовательно отвечает на ее модификацию. Новая версия этого метода генерирует рациональную структурную форму. Этот метод использует эволюционный процесс, который может быть применен к трехмерной структуре. Метод «анализа форм» (Shape Analysis Method) основан на итеративном процессе, нацеленном на достижении оптимального решения для несущих структур в рамках топологических и архитектурных ограничений в заданной дизайнерской концепции. Расчетная матрица используется для определения структурной формы в соответствии с напряжениями и деформациями. Эволюция в этом методе интерпретируется путем использования итеративных аналитических методов, которые основаны больше на топологии, чем на геометрии. Заключительная форма генерируется путем трансформаций, сохраняя те же топологические отношения. Использованный алгоритмический метод приспосабливает эволюционный адаптивный потенциал заданного дизайна. Знание тектоники материальных систем позволяет модели контролировать процесс эволюционной адаптации. Кроме того, эволюционный адаптационный процесс может быть обусловлен расчетом сил, или загрузкой данных. Помимо этих возможностей были выявлены некоторые ограничения в современном уровне развития цифровой тектоники, например, как учитывать неоднородность материала. Дальнейшим развитием цифровых морфогенетических эволюционных моделей является изучение внутренней организации эволюционного процесса. На этом этапе важно выработать тип пространственных систем, которые могут следовать стратегии адаптации.

Цифровая тектоника и стиль в архитектурном дизайне. Сегодня авангардный дизайн, основанный на новейших цифровых технологиях, отличает пышность и вычурность. Концепция «Замысловатая Плоть» (Convoluted Flesh), центральная в исследованиях дизайна группы Маркос и Марян (marcosandmarjan). Эта группа (Diploma Unit 20, Bartlett School of Architecture, University College London), предлагает новое пространственное видение архитектуры. «Плоть» как архитектурный термин дополняет общую метафору «кожи» (ограждения), как плоской и тонкой мембраны, и «скелета» как несущих конструкций. В то время, когда основное направление структурализма привязано к поверхностям, цель «Convoluted Flesh» привлечь внимание к внутренним пространствам и предложить новые орнаментальные, образные и конструктивные качества в архитектуре интерьера. Этот подход дает новое типологическое и топологическое понимание архитектуры. Традиционный процесс конструирования направлен на генерацию форм от общего к части, на основе методов инженерной тектоники. Понятие «Convoluted Flesh» подразумевает подход, развивающийся изнутри наружу, не отрицая, при этом, традиционные качества, основанные на пользе, прочности и красоте. «Замысловатая Плоть» ассоциируется с формальной, конструктивной и пространственной сложностью, заимствованной из пышности барокко и характеризуется дихотомией рационального и эмпирического, превращением классической архитектурной семантики в наигранную «театральную» тектонику. Исследования marcosandmarjan дают оригинальную версию того, что понимается под эмергенцией нового «цифрового модернизма» — нелинейность 3D поверхностей, универсальность параметрических техник, использование компьютера для формообразования. Различные определения Convoluted Flesh предопределили появление подходов, предполагающих экспериментальные и, тем самым, непредсказуемые результаты в дизайне на основе эксцентричного, но глубокого понимания архитектуры. Основываясь на успехах технологий изготовления и методологии проектирования, их работа нацелена на интерпретацию процессов конструирования, разработку синтетической модели дизайна, сочетающей технологичность с поэзией форм, визуализацию с историей, орнаментальность с тектоникой в рамках архитектурной «плоти». Например, серия Nurbster, объединяющая модели и прототипы, созданные для выставочных инсталляций. Был создан аналогово-цифровой репертуар на основе 2D/3D программ в дополнение к CNC, CAD/CAM технологиям быстрой разработки прототипов, позволяющих сборку большого количества компонентов. По размеру и масштабу система Nurbster принадлежит к области проектирования интерьера и дизайна городской мебели, предполагает модульность и массовое изготовление, эргономичность и тектоничность. Синтез 3D техник и CAD/CAM технологий присутствует в ряде проектов Unit 20, например, в проекте «Синтетический Синкретизм» (Synthetic Syncretism — сочетание несопоставимых образов мышления и взглядов) Тобиаса Кляйна. Бывший студент  школы Bartlett,  преподающий теперь в архитектурной ассоциации Королевского Колледжа Искусств (Royal College of Arts, the  Architectural Association)  является основателем экспериментальной дизайн-группы «horhizon». Больше чем на умелое моделирование и навыки визуализации, такая работа опирается на точность 3D сканирования костных образований, с разработкой цифровых «плазм». Интерес к эмергентным системам, как новым организационным моделям, возможность разработать новый био-подражательный подход в архитектуре, делают это направление все более привлекательным. Уникальные качества беспозвоночных и флоры дают примеры сложных систем живых организмов, которые сейчас оцениваются и кодируются в виде генерализованных расчетных данных, используемых в архитектурных экспериментах. Мост между органической и неорганической системами путем передачи необходимой генетической информации не новое предложение. Флора_флекс (Flora_flex) — это предварительно изготовленная, модульная строительная система, демонстрирующая возможности параметрического дизайна как источника бесконечных вариаций. Комбинируя элементы ботаники, морфологии, топологии, оптические эффекты и эмергенцию растущих элементов, эта система представляет собой новое поколение мембран, использующих «сложность» как способ повышения привлекательности современного дизайна. Прототип панели, собранный из взаимозаменяемых элементов, представляет собой матрицу, образующую рельеф на ее поверхности и меняющей прозрачность и комбинаторные параметры. Флора_флекс доступна по цене, обещая большую гибкость дизайнерских систем. Основанная на современных технологиях, эта предварительно изготовленная способом формования или 3D-печати из различных композитных материалов стеновая система, нацелена на использование последних достижений в материаловедении.