Między naturą a algorytmem
Projektowanie parametryczne i biomimetyczne mają dziś w Chinach szczególne znaczenie. Współczesna architektura tego kraju coraz częściej wykorzystuje algorytmy matematyczne, ale równocześnie sięga po rozwiązania podpatrzone w naturze.
Szybki rozwój gospodarczy i wysokie zużycie energii skutkują zmianami klimatycznymi i wyczerpywaniem się zasobów naturalnych, w związku z czym architekci i urbaniści stoją przed wyzwaniem stworzenia nowego typu zrównoważonego miasta. Na świecie dąży się do tworzenia nowoczesnych struktur miejskich, które będą łączyć wysoką intensywność rozwoju z poszanowaniem środowiska. Jednocześnie współczesne projekty architektoniczne wspierane są przez wiele narzędzi projektowych wykorzystujących algorytmy analizujące między innymi różne warianty i formy.
Szczególnie intensywny rozwój tego typu architektury można zaobserwować w Chinach, które od lat 90. XX wieku podlegają niezwykle intensywnej urbanizacji. Za ilustrację może tu posłużyć dzielnica Lujiazui w Szanghaju, w ciągu zaledwie dwudziestu lat przeobrażona z pól uprawnych w jedno z najpotężniejszych centrów finansowych na świecie (fot. 1 i 2). O skali i tempie przekształceń przestrzennych dokonywanych w Państwie Środka mówi fakt, że na jego terenie znajduje się dziesięć z dwudziestu najwyższych budynków świata. Do tych gigantów należy Shanghai Tower. Znajdujący się w dzielnicy Lujiazui wieżowiec owysokości 632 m stanowi symbol nowoczesnego rozwoju metropolitalnego.
Warto przy tym zauważyć, że współczesna architektura Chin coraz częściej wykorzystuje algorytmy matematyczne, ale równocześnie sięga po rozwiązania podpatrzone w naturze.
Projektowanie parametryczne w architekturze chińskiej
Rozwój projektowania parametrycznego, opartego na algorytmach matematycznych i zmiennych parametrach, oraz ewolucja narzędzi projektowych, takich jak CAD (computer-aided design) i BIM (building information modeling), umożliwiły realizację niezwykle skomplikowanych form architektonicznych. W przeciwieństwie do tradycyjnego podejścia, w którym projektant tworzy pojedynczą koncepcję, projektowanie parametryczne pozwala na generowanie wielu wariantów, które automatycznie aktualizują się na ekranie, a następnie na optymalizowanie formy pod kątem określonych kryteriów, takich jak nasłonecznienie, przepływ powietrza, efektywność energetyczna czy estetyka. Technologię projektowania parametrycznego wykorzystano m.in. przy projekcie CITIC Tower w Pekinie, budynku o wysokości 528 m. Celem było tu znalezienie najbardziej efektywnego systemu konstrukcji obwodowej, pozwalającego spełnić wymagania dotyczące odporności sejsmicznej i wiatrowej.
Jedną z najbardziej rozpoznawalnych postaci w świecie współczesnej architektury była Zaha Hadid, brytyjska architektka irackiego pochodzenia. Jej twórczość wprowadziła do architektury płynne, dynamiczne formy inspirowane procesami naturalnymi i ruchem w przyrodzie. Laureatka prestiżowej nagrody Pritzker Architecture Prize – ocenianej jako najwyższe wyróżnienie w dziedzinie architektury – uznawana jest również za jedną z prekursorek architektury parametrycznej. W pracowni projektowej Zahy Hadid powstało wiele budynków, które łącząc zaawansowane modelowanie cyfrowe z ekspresją formy, stały się ikonami współczesnych Chin.
Do najbardziej znanych realizacji Zahy Hadid należą Galaxy Soho w Pekinie, Opera w Kantonie (Guangzhou) (fot. 3) czy Muzeum Technologii w Shenzhen (fot. 4). Charakterystyczne dla projektów Zahy Hadid płynne linie stały się możliwe do wykonania dzięki rozwojowi modelowania parametrycznego, które umożliwiło kontrolowanie tysięcy elementów konstrukcyjnych różniących się wymiarami i geometrią. Budynki zaczęły zatem przypominać struktury powstałe w wyniku naturalnych procesów lub wręcz organizmy żywe.
Biomimetyka – algorytmy uczą się od natury
Od wieków ludzkość obserwowała zjawiska naturalne i próbowała je naśladować – początkowo po to, by dostosować je do własnych fundamentalnych potrzeb, takich jak ochrona przed zagrożeniami środowiskowymi. Wiele przykładów, z których część istnieje do dziś, można odnaleźć w architekturze wernakularnej. Są to domy budowane przez plemię Hadza w Tanzanii, inspirowane ptasimi gniazdami, czy minarety w Agadezie, w środkowym Nigrze, nawiązujące do kopców termitów. Pomimo prymitywnej natury struktury te charakteryzują się zdolnością adaptacji do otaczającego środowiska.
Wraz z rozwojem cywilizacji i postępem technologicznym nastąpiło przejście od intuicyjnego naśladownictwa natury do zaawansowanych systemów adaptacyjnych reagujących na zmieniające się otoczenie. Termin biomimetics lub biomimicry oznacza właśnie transfer idei czy analogii biologicznych, wprowadzanych do systemów i technologii w celu rozwiązywania złożonych problemów ludzkich lub wyzwań stawianych przez tworzone formy. Bio z greckiego oznacza życie, a mimesis – kopiowanie.
Inspiracją dla projektu Stadionu Narodowego w Pekinie (fot. 5), w którym elementy nośne wspierają siebie nawzajem, tworząc masywną, trójwymiarową kratownicę zapewniającą idealną sztywność, było ptasie gniazdo. Dodatkowo konstrukcja ta umożliwia naturalną cyrkulację powietrza w przestrzeni stadionu, jednocześnie zmniejszając elektrostatyczność. Zastosowane na dachu membrany, wykonane ze sztywnego, ciągliwego polimeru o nazwie etyleno-tetrafluoroetylen (ETFE), przypominają z kolei miękkie materiały, których ptaki używają do wypełniania przestrzeni między gałązkami w swoich gniazdach.
Zasady geometryczne występujące w naturze często umożliwiają optymalizację rozkładu obciążeń i redukcję masy konstrukcji. Jest to tak zwana biomimetyka systemowa, w której forma, struktura i materiały funkcjonują jako całość.
Do przykładów zastosowania tego podejścia należy fasada National Aquatics Centre w Pekinie (fot. 6), powstała na podstawie badań struktury bańki mydlanej – lekkiej konstrukcji o optymalnych kształtach, zapewniającej wysoki poziom wewnętrznej stabilności. Geometryczna struktura konstrukcji basenu jest zgodna z matematycznym modelem piany, której krawędzie przekształcono w potężną konstrukcję stalową. W celu zmniejszenia masy i poprawy właściwości sejsmicznych budynku zamiast szkła projektanci zastosowali membranę ETFE. Materiał waży zaledwie jedną setną tego, co odpowiadające mu szkło, jest też znacznie lepszym izolatorem termicznym. Dzięki zastosowaniu ETFE około 20 proc. energii słonecznej jest zatrzymywane w budynku i wykorzystywane do ogrzewania.
Wiodącym ekonomicznie regionem Chin jest obszar delty Rzeki Perłowej. Wzniesiony tu budynek Pearl River Tower w Kantonie (fot. 7) został zainspirowany strukturą gąbki morskiej – bezkręgowca Porifera, który całe życie spędza przyczepiony do podłoża.
Organizmy te odżywiają się dzięki filtrowaniu wody wpływającej do ich wewnętrznej jamy. Projektanci budynku wykorzystali tę obserwację, projektując konstrukcję budynku z czterema otworami, przez które zasysane są otaczające wiatry. Było to możliwe, ponieważ kierunek wiatru w Kantonie jest dosyć przewidywalny – przez 80 proc. roku wieje z południa. Dzięki takiemu projektowi osiągnięto minimalizację wpływu na środowisko i maksymalizację efektywnego wykorzystania energii naturalnej oraz zabezpieczenia przed silnym parciem wiatru.
Inteligentne miasta przyszłości
Władze wielu miast kładą silny nacisk na wdrażanie inteligentnych technologii, które pozwalają na efektywne wykorzystanie energii i ograniczenie użycia konwencjonalnych źródeł energii, redukcję emisji dwutlenku węgla, a także promowanie zrównoważonego rozwoju oraz gospodarki o obiegu zamkniętym (GOZ). Współczesne metropolie są złożonymi organizmami, które coraz trudniej projektować wyłącznie tradycyjnymi metodami. Zastosowanie ma tu BIM, zaawansowana technologia modelowania i projektowania cyfrowego.
Algorytmy tworzą cyfrowe modele całych miast i pomagają podejmować decyzje dotyczące zużycia energii, optymalizacji transportu, ograniczenia emisji oraz estetycznego zagospodarowania przestrzennego. Narzędzia te, wspierane przez sztuczną inteligencję, pozwalają na przetwarzanie bardzo dużej ilości danych. Koncepcja miejskiego cyfrowego bliźniaka (urban digital twin), modelu cyfrowego połączonego z rzeczywistą przestrzenią miejską za pomocą sieci czujników, to technologia o ogromnym potencjale przekształcenia zarządzania i planowania infrastruktury inteligentnych miast w kierunku zrównoważonego rozwoju.
W Chinach bionics lub biomimetics są przedmiotami prowadzonymi na wielu uczelniach wyższych. Biomimetyka ma znaczący potencjał w kształtowaniu zrównoważonej architektury i budownictwa, ponieważ rozwiązania skoncentrowane na adaptacji zasad zaobserwowanych w naturze mogą prowadzić do wymiernych korzyści środowiskowych, takich jak zmniejszenie zużycia energii i optymalizacja rozwiązań projektowych, oraz do poprawy estetyki megamiast. Warto poznawać osiągnięcia Państwa Środka w tym zakresie. Projektowanie biomimetyczne w połączeniu z zaawansowanymi nowoczesnymi technologiami, projektowaniem parametrycznym i inteligentnymi materiałami, może wyznaczyć nowe standardy w interdyscyplinarnym projektowaniu przyszłych budynków na całym świecie.
Archiwum: Anna Piętocha
