MODELOWANIE BIONICZNE – PAWILONY BIONICZNE

Kształtowanie współczesnej architektury to coraz bardziej złożony i skomplikowany proces. Projektowane obiekty swoją formą, strukturą, systemami elewacyjnymi czy technologiami coraz częściej nawiązują do form spotykanych w naturze.

Poszukiwania w zakresie łączenia natury i techniki w architekturze w znacznej mierze dotyczą optymalizacji struktur nośnych uzyskiwanych na podstawie analiz interdyscyplinarnych. Niekonwencjonalne podejście do ich kształtowania pozwala na bardziej nowatorskie projektowanie, co jest szczególnie widoczne w projektowaniu bionicznym. Podejmowane próby w zakresie poszukiwania synergii rozwiązań projektowych (poprzez nowatorskie, spektakularne formy) oraz technologii inspirowanych światem przyrody są prowadzone w wielu ośrodkach badawczych, m.in. na Uniwersytecie w Stuttgarcie czy Uniwersytecie Technologicznym Katalonii oraz awangardowych pracowniach, co jest szczególnie widoczne na przykładzie pawilonów o funkcji wystawowej.

Pawilony badawcze projektowane na wzorcach bionicznych
Poszukiwania architektury pawilonów badawczych w zakresie kształtowania strukturalno-materiałowego to nowe, mało zbadane zagadnienia analizowane m.in. w aspektach:
• zastosowania modeli matematycznych opisujących naturalne procesy formotwórcze,
• przenoszenia zasad budowy struktur w sposób uproszczony,
• analogii w sposobie budowania struktur przez organizmy żywe, Z
• bionicznych technologii materiałowych i systemów elewacyjnych.

W projektach badawczych istotne staje się prowadzenie analiz numerycznych w interdyscyplinarnym zespole projektowym przy udziale architektów, konstruktorów, ale także biologów i specjalistów z dziedzin pokrewnych. Analizy w zakresie sposobu kształtowania struktur, właściwości i cech materiałów oraz sposobu funkcjonowania systemów i procesów biologicznych umożliwiają zastosowanie tej wiedzy w technice, przede wszystkim do minimalizacji zużycia materiału i efektywnego kształtowania form struktu
ralnych w naśladowaniu natury. Zagadnienia umożliwiające optymalizację konstrukcyjno-materiałową są coraz częściej podejmowaną tematyką badań w instytutach naukowych na uczelniach wyższych. Szczególnie interesujące architektoniczno-strukturalne „efekty” są możliwe do uzyskania poprzez zastosowanie modeli matematycznych opisujących naturalne procesy formotwórcze. Zagadnienie to jest poruszane m.in. przez Manuela Fabiana Hartmanna z Uniwersytetu w Innsbrucku w ramach projektów studenckich. Proces projektowy, prowadzony przez Manuela Fabiana Hartmanna, Johannesa Stadelmanna, Paula Koeba, Martina Grießera, Michaela Bachlechne’a wraz ze studentami w ramach przedmiotu Design and Construction, postępował w oparciu o narzędzie cyfrowe do projektowania SMART form, udostępnione przez Ala Fishera z Buro Happold. Formę obiektu generowano z uwzględnieniem parametrów funkcjonalnych oraz uwarunkowań lokalizacyjnych. Elementy zostały wygenerowane na bazie diagramów Woronoja, co pozwoliło na zoptymalizowanie struktury nośnej. W lekkiej drewnianej konstrukcji wykonano otwory. Formę strukturalną zoptymalizowano z wykorzystaniem programu Karamba we współpracy z Clemensem Preisingerem i Werkstatt Architekturfakultät. [5] Tesselacja Woronoja może być również stosowana do dyskretyzacji form przestrzennych. Wynikiem jest tworzenie obiektów o naturalnej i niebanalnej stylistyce, inspirowanej formami spotykanymi w naturze lub wykorzystującymi naturalne systemy samoorganizacji struktur biologicznych. Przykładem kształtowania dyskretyzacji powierzchni form zakrzywionych może być również pawilon – grota do medytacji, wykonany w ramach projektu badawczego przez grupę METALAB Architecture + Fabrication, we współpracy z Geraldem D. Hines, Mrs. Jane Blaffer Owen, Andrew Vranem, Joe Meppelink, Benem Nicholsonem (wraz z grupą studentów z College of Architecture) w Houston, w Teksasie. Obiekt miał pełnić rolę stałego punktu orientacyjnego na terenie kampusu. Realizacja projektu była możliwa dzięki wykorzystaniu zaawansowanych technologii cyfrowych i nowoczesnej prefabrykacji. Podziały strukturalne generowano parametrycznie – jako powierzchnie minimalne inspirowane formami spotykanymi w organizmach morskich. [2]

Przyroda inspiruje
Podobne eksperymentalne badania prowadzili naukowcy Institute for Computational Design i Institute of Building Structures and Structural Design Uniwersytetu w Stuttgarcie w cyklicznych projektach badawczych. W pawilonie Research Pavilion z 2011 roku inspirowano się szkieletem jeżowca. W procesie kształtowania zastosowano algorytm symulujący naturalne procesy formotwórcze, a uzyskane formy strukturalne były weryfikowane pod względem przestrzennym i wytrzymałościowym, przy uwzględnianiu możliwości produkcyjnych. Jako rozwiązanie techniczne zaproponowano prefabrykowane drewniane panele ze sklejki o grubości 6,5 milimetra. Klinowe połączenia płyt zostały zaprojektowane w sposób umożliwiający przenoszenie naprężeń, przy praktycznym wyeliminowaniu wpływu zginania. Zintegrowany system połączeń umożliwił uzyskanie geometrycznie bardziej efektywnej formy. Struktura obiektu ma cechy form biologicznych, wśród których badacze z Uniwersytetu w Stuttgarcie wyróżniają różnorodność, anizotropowość i hierarchiczność. Ostateczną formę strukturalną uzyskano w wyniku prowadzonych analiz wytrzymałościowych. [3] Przykładem zastosowania modeli matematycznych opisujących wzorce ze świata przyrody jest również projekt pawilonu SUTD Library Pavilion, zrealizowany jako część projektu badawczego na terenie kampusu Singapurskiego Uniwersytetu Technicznego i Designu we współpracy ze studiem City Form Lab i inżynierami z pracowni ARUP. Poprzez zastosowanie łuku, na bazie krzywych łańcuchowych, możliwe było ukształtowanie zadaszenia pawilonu bez konieczności wprowadzenia podpór pośrednich. Konstrukcję przekrycia zmontowano z elementów ze sklejki łączonych w trójkąty przy pomocy stalowych łączników. Drewniana „skorupa” została pokryta sześciokątnymi panelami wykonanymi ze stali. Przenoszenie, w pewnym uproszczeniu, procesów formowania się struktur spotykanych w świecie przyrody jest możliwe dzięki współpracy z biologami, ale też z paleontologami. Przy zrozumieniu zasad budowy tych struktur możliwym efektem jest uzyskanie niezbędnych danych oraz opracowanie techniczne nowych materiałów. W wyniku interdyscyplinarnej współpracy „elementy biologiczne” ulegają uproszczeniu i są zastępowane strukturami konstrukcyjnymi, czego przykładem jest jeden z pawilonów projektowanych w ramach wspomnianego cyklu badań prowadzonego na Uniwersytecie w Stuttgarcie, zrealizowany w latach 2015–2016. Projekt ten był prowadzony we współpracy z biologami z Katedr Biologii Ewolucyjnej Bezkręgowców (Department of Evolutionary Biology of Invertebrates) oraz Paleontologii Bezkręgowców (Department of Palaeontology of Invertebrates) Uniwersytetu w Tybindze w Niemczech. W koncepcji założono ukształ
towanie bionicznego pawilonu na wzór skorupy jeżowców, m.in. pieniążkowców. Szkielet jeżowca przeanalizowano po zeskanowaniu elektronowym skanerem mikroskopowym. Zauważono, że w konstruowaniu efektywnego szkieletu ma znaczenie warstwowa struktura, zróżnicowany i złożony materiał oraz sposób jej kształtowania „dający lekkość” całego układu. Po wstępnych analizach zaproponowano dwuwarstwową strukturę z cienkich drewnianych listew. Poszczególne moduły łączono z wykorzystaniem robota sterowanego numerycznie. W efekcie uzyskano podwójnie zakrzywioną, sztywną powłokę. Połączenia elementów (sploty) zaprojektowano na wzór włóknistych powiązań pomiędzy płytami jeżowców. W celu optymalizacji formy strukturalnej konstrukcję analizowano pod względem statyczno-wytrzymałościowym. Podobne badania w zakresie odwzorowywania struktur budowanych przez organizmy żywe prowadzono przy projektowaniu pawilonu badawczego (Research Pavilion) w latach 2014–2015. Projekt zakładał ukształtowanie i skonstruowanie obiektu na wzór struktur budowanych przez wodnego pająka Agyroneda Aquatica. W efekcie, na podstawie analiz metod kształtowania struktur biologicznych, zaproponowano innowacyjną metodę skonstruowania obiektu. Strukturę nośną stanowi pneumatyczna powłoka wykonana z folii ETFE, w kształcie bańki wzmocnionej włóknami węglowymi. W wyniku analiz komputerowych wyznaczono miejsca wymagające dodatkowego wzmocnienia, przez co uzyskano usztywnienie samonośnej struktury. Zastosowane elementy pneumatyczne pełnią również rolę szalunku oraz stanowią pewnego rodzaju „skórę” zintegrowaną ze strukturą obiektu. Należy również zauważyć, iż powstają projekty badawcze, w których uwzględnia się wykorzystanie organizmów żywych do budowy struktur, jak w przypadku pawilonu Silk zrealizowanego w laboratorium Massachusetts Institute of Technology, który został „zbudowany” przez jedwabniki. Zastosowanie elementów ze świata przyrody jest również widoczne w poszukiwaniu bionicznych technologii materiałowych. Szczególnie interesujące są poszukiwania w zakresie zrównoważonych materiałów, zwłaszcza biodegradowalnych, które zastosowano w przypadku pawilonu wystawowo-badawczego Hy-Fi. Projekt studia The Living był realizowany jako eksperyment w ramach MOMA PS1 i zakładał zbudowanie pawilonu ze specjalnej, biodegradowalnej cegły, wyhodowanej z łodyg kukurydzy i grzybni, która spaja odpady biodegradowalne. Technologia wykonania organicznego materiału została przedstawiona przez Ecovative Design. Poprzez podgrzanie oczyszczonych elementów biologicznych przeznaczonych na kompost, połączenie ich z grzybnią oraz zapewnienie odpowiednich warunków do rozwoju „wyhodowano” biodegradowalne cegły. Proces rozwoju grzybni trwa około 5 dni i zostaje zahamowany poprzez zwiększenie temperatury. Wytworzone w procesie hodowli biocegły pokryto opracowanym przez firmę 3M materiałem załamującym światło. Z cegieł, przy wykorzystaniu sterowanych numerycznie robotów, wybudowano wieżę. W celu poszukiwania lepszych właściwości materiałów bioniczne technologie materiałowe to również adaptowanie materiałów organicznych, takich jak kości. Badania w tym zakresie są prowadzone w poszukiwaniu materiałów termoizolacyjnych, jak w przypadku Vacum Insulation Panel (próżniowych paneli izolacyjnych) na przykładzie budynku badawczego IKAROS House, projektu naukowców z University of Applied Sciences w Rosenheim, w Niemczech. Panele składają się z rdzenia z materiału nanoporowatego opakowanego szczelną membraną z folii wielowarstwowej [1]. Jako rdzeń stosuje się włókna szklane, otwartokomórkową piankę poliuretanową i polistyrenową, krzemionkę pirogeniczną lub nanożele o wysokiej izolacyjności cieplnej. Należy zwrócić uwagę, że podstawowym polem badawczym powinno być działanie dla efektywniejszego wykorzystania właściwości i cech technicznych obecnie stosowanych materiałów. Przykładowo badania w zakresie bionicznych systemów zacieniających sprowadzają się do budowania układów, które mogłyby samoistnie reagować na zmienne warunki atmosferyczne, bez wykorzystywania dodatkowych systemów elektronicznych. Takie założenie przyjęto przy projekto
waniu pawilonu badawczego HygroSkin na Uniwersytecie w Stuttgarcie. Dyskretyzacja powierzchni pawilonu została ukształtowana na bazie diagramów Woronoja. Główną ideą projektową było wykorzystanie właściwości anizotropowych drewna – pęcznienia i kurczenia się. W projekcie „skóry architektonicznej” wykorzystano zmienność wymiarową drewna pod wpływem zmian wilgotności. W „odpowiedzi” na zmiany pogody elementy obudowy „otwierają” i „zamykają się” wyłącznie poprzez wykorzystanie odpowiednich właściwości materiału.

Podsumowanie
Współcześnie wiele aspektów wpływa na postrzeganie architektury jako ważnego elementu materialnej działalności człowieka, szczególnie w kontekście otoczenia, powodując wzrost zainteresowania technologiami natury. Architektura w coraz większym stopniu podąża śladem przyrody, próbując zanalizować i przenieść „mądrość” natury do techniki. Poszukiwania w zakresie kształtowania architektury w analogii do świata przyrody to szczególnie interesujący i obiecujący nurt w projektowaniu, umożliwiający tworzenie rozwiązań wyższych generacji materiałowych i bardziej synergicznych pod względem architektoniczno-konstrukcyjnym. W wyniku prowadzonych prac badawczych możliwe jest optymalizowanie rozwiązań przestrzenno-strukturalnych, m.in. poprzez minimalizowanie zużycia materiałów oraz wprowadzanie technologii materiałowych biodegradowalnych. W efekcie powstają oryginalne obiekty, bardziej zaadaptowane do panujących warunków, przy ich większym stopniu integracji z krajobrazem przyrodniczym.

Anna Nowak, Wiesław Rokicki Politechnika Warszawska, Wydział Architektury, Katedra Projektowania Konstrukcji, Budownictwa i Infrastruktury Technicznej

BIBLIOGRAFIA [1] Bochenek M.: Izolacje próżniowe (VIP) właściwości i przykłady zastosowań w budownictwie. 30 07 2014. http://www.izolacje.com.pl/artykul/id1669,izolacje-prozniowe-vip-wlasciwosci-i-przykladyzastosowan-w-budownictwie (data uzyskania dostępu: 01.05.2015). [2] Griffiths A.: SUTD Library Pavilion by City Form Lab. 15.06.2013. http://www.dezeen.com/2013/06/15/ sutd-library-gridshell-pavilion-by-city-form-lab/ (data uzyskania dostępu: 12.20.2014). [3] Menges A.: ICD/ITKE Research Pavilion 2011. 2011. http://www.achimmenges.net/?p=5123 (data uzyskania dostępu: 02.04.2018). [4] Nowak A.: Kształtowanie bionicznych powierzchni strukturalnych w architekturze współczesnych elewacji, praca doktorska na Wydziale Architektury Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2017. [5] Preisinger C.: Small Wooden Building/ Pavillon in Alberschwende. 2013. http://www.karamba3d. com/projects/small-wooden-building/ (data uzyskania dostępu: 02.13.2017).