АРХИТЕКТУРНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ДИГИТАЛЬНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ПАВИЛЬОНОВ

Ильвицкая С.В.¹,  Карпенко В.В.²

¹ д.а., проф., зав. кафедрой архитектуры, ² архитектор, аспирант кафедры архитектуры, Государственный университет по землеустройству.

 АРХИТЕКТУРНАЯ КОНЦЕПЦИЯ ДИГИТАЛЬНЫХ  ДЕРЕВЯННЫХ ПАВИЛЬОНОВ

Аннотация

В статье раскрыты основные законы дигитального формообразования деревянных павильонов на примере существующих деревянных павильонов, содержащих в себе принципы формирования параметрических и фрактальных структур. Выявляются особенности проектирования и творческий подход архитекторов, работающих в направлении дигитального проектирования с использованием деревянных конструкций.

Ключевые слова: деревянная архитектура, дигитальные конструкции павильонов, фрактальная архитектура.

Ilvitskaya S.V.¹,  Karpenko V.V.²

¹   PhD in Architecture, professor, head of the department of architecture, ²  ORCID: 0000-0003-3388-8379, Architect, postgraduate student, State University of Land Management

THE ARCHITECTURAL CONCEPT OF THE DIGITAL WOODEN PAVILIONS

Abstract

In the article the basic laws of the digital shaping of the wooden pavilions on the existing wood pavilions, containing the principles of formation of parametric and fractal structures. Identifies the features of the design and creativity of architects working towards a digital design using wooden structures.

Keywords: wooden architecture, digital design pavilions, fractal architecture.

Дигитальная деревянная архитектура

Формирование понятия «дигитальная архитектура» (англ. Digital – цифровой) произошло в начале 90-х годов XX века в процессе поисков новых образов на волне новых достижений науки и компьютерных технологий. Основными отличительными признаками от линейной архитектуры являются не только полное формирование здания или сооружения с помощью компьютерных технологий, но и параметрические: отсутствие как такового стандартного модуля, отсутствие симметрии и динамичность форм. Здание трактуется не только как криволинейная форма, а как биологический природный организм, отраженный посредством математических алгоритмов, являя собой эклектичность виртуального и реального. Одновременно, с появлением каждого нового дигитального проекта здания или сооружения появляются новые параметрические понятия и теории, так и с появлением новых математических теорий и программных изобретений появляются новые архитектурные дигитальные объекты.

Выделяют несколько основных методов проектирования дигитальной архитектуры, активно использующихся современными архитекторами для создания архитектурных форм: параметрический, фрактальный, метод тесселяции, принципы роевого интеллекта и химерных систем и метод, основанный на клеточном формате. Можно выделить следующие подходы к дигитальной архитектуре: редукционный, иерархический и эволюционно-алгоритмический.

На протяжении 20 века глубокое изучение структуры деревянных конструкций посредством физического и аналитического эксперимента позволило открыть новые формы, создать и воплотить в жизнь ряд архитектурных сложносоподчиненных объектов. Одними из ведущих архитекторов-инженеров экспериментирующими с пластикой дерева были Райт Ф., Фуллер Р., Фрей О., Аалто А и т.д. Результатами в поиске новых форм были открытия структурных сеток, раковин-сеток, био-сферических, мембранных и сетчатых конструкций.

Можно выделить 3 основных исторических типа формирования структур павильонов, которые приводит в своей работе Антонио Лара:

- Канонические формы;

- Формы, воссозданные через визуально-пластичные процессы;

- Формы, воссозданные на базе цифровых дигитальных вычислений.

Одновременно с развитием технологий обработки дерева, развития слоистых структур КДК (клееных деревянных конструкций), появляется возможность создавать конструкции большей длины и более сложных форм. Сегодня за счет использования всевозможных огнезащитных и биозащитных пропиток мы можем сохранить и улучшать свойства деревянных конструкций. С появлением гнутоклееной древесины возможно получать практически любые гнутые и искривленные формы с требуемыми параметрами, не обращая внимания на естественные ограничения – длину стволов деревьев. По сравнению с металлическими конструкциями дерево обладает меньшей массой и не на много выше металла по цене. С развитием цифровых технологий появляется возможность в виртуальном пространстве воссоздать и исследовать трехмерную модель проектируемого объекта, структурно разобрать ее на конструктивные деревянные элементы, проанализировать узлы, создать спецификации и деталировку для последующего изготовления, сборки и контроля производства. Под влиянием множества факторов, таких как: развитие цифровых технологий, увеличения разнообразия строительных материалов,  наблюдается использование дерева, как технологичного и перспективного материала, при проектировании и строительстве.

На примере двух основных – параметрического и фрактального методов, рассмотрим принципы формирования дигитальных деревянных павильонов.

Дигитальные параметрические павильоны из дерева

Основоположниками параметрического течения были Заха Хадид и Патрик Шумахер, характерные положения были опубликованы ими в манифесте в 2008 году. «Параметризм - новый глобальный стиль для архитектуры и городского дизайна. Стиль родился от цифровых методов анимации. Его последние разработки основаны на передовых параметрических дизайнерских системах и скриптовых методах. Этот стиль был разработан за последние 15 лет и теперь требует гегемонии в авангардистской архитектуре» - статья Патрика Шумахера.

Параметрическое направление особенно активно используется в последнее десятилетие  как в градостроительстве, ландшафтном дизайне, архитектуре, дизайне интерьера, так и в промышленном дизайне. Используя первоначальные заложенные факторы (параметры) предметов – форму, фактуру, рельеф, количество, вплоть до волновых колебаний музыки и света, после последующей обработки и трансформации, возможно создать сложную пространственную модель. Можно провести аналогию и с законами природы, где все изменяется, диффузирует, делится, тем самым, рождая новое. Основными параметрическими программами для обработки и анализа являются Rhinoceros, ANSYS, продукты семейства AutoCad , Emergent Technologies and Design (разработана Архитектурной Ассоциацией в Лондоне) и пр. Такие крупные архитектурные бюро, как Zaha Hadid, MVRDV, Big, в каждом из своих проектов используют параметрическое программирование. Из наших отечественных ученых исследователей в данной области можно выделить архитектор, дизайнер, одного из основателей образовательного и исследовательского проекта параметрической архитектуры «Точка ветвления» Эдуарда Хаймана. Среди международных высших учебных архитектурных заведений, занимающихся разработкой алгоритмов и дигитальные эксперименты представлены такие крупные, как AA  (Architectural Association), SCI-Arc (The Southern California Institute of Architecture), University of Applied Arts Vienna, RMIT University и др.

Ярким примером дигитальной архитектуры в области параметрических деревянных павильонов может служить «Павильон сплавного леса» (англ. Driftwood pavilion), спроектированный студентами архитектурной школы (Architectural Association)  «Unit 2» для фестиваля «AA Summer Pavilions» на Бедфорд-Сквер в Лондоне в 2009 году. Руководителем группы студентов был Чарльз Уокер.

Рис. 1 - «Павильон сплавного леса» команды «Unit 2»:

а - фотография, б, в - схемы направления параллельных векторов, г-структурная схема.

Источник: http://designandmake.aaschool.ac.uk/aa-summer-pavilions/

Авторы первоначально вдохновились чувственными изображениями иорданского города Петры и впоследствии был сгенерирован программный алгоритм в виде движущихся параллельно векторов, что и послужило созданию динамичной параметрической формы павильона, напоминающего движущийся по реке лес. Окончательно спроектированный и смонтированный павильон состоял из 28 слоев клееной 4-х миллиметровой фанеры, которая скрывает внутренний несущий каркас.

Характерные черты параметрической дигитальной архитектуры, воплощенной в дереве, можно увидеть в работах студии Ramboll. Спроектированный в 2012 году павильон Трада (англ. Trada Pavilion) для выставки деревянного зодчества в Ковентри, Великобритания использует новый алгоритм вычисления, позволяющий получить близкую к морской раковине структуру с полигонально-упрощенными панелями облицовки. Панели из фанеры толщиной 15 мм вырезаны фрезерным станком и крепятся между собой стальными поворотными петлями. Создание параметрической модели позволило просчитать и собрать нагрузки, что позволило конструкции выдерживать как собственный вес, так и внешнюю нагрузку и уже на ранних этапах оптимизировать расположение петель и минимизировать расход материала на производство.

Рис. 2 - Павильон «Трада»

Источник: http://www.ramboll.com/projects/ruk/trada%20pavilion

Проект архитекторов студии City Form Lab в Сингапуре в 2013 году завершили строительство павильона библиотеки, предназначеного для студента университета Сингапурский университет технологий и дизайна (SUTD). Место монтажа павильона расположено позади существующего здания библиотеки и зонировано тремя деревьями. Павильон должен служить местом сбора студентов, а ночью или вечером лекторием.

Рис. 3 - Павильон библиотеки университета SUTD от студии City Form Lab в Сингапуре:

а-фотография павильона, б – продольный разрез.

 Источник: http://cityform.mit.edu/projects/sutd-gridshell

Павильон оборудован временными рабочими местами и системами хранения. При вычислении рассчитывалась форма двойного искривления, которая следует за линиями толчка в сжатии. Использование параметрического программирования, архитекторам позволило в короткие сроки создать сложную структуру без каких-либо колонн, вертикальных опор, но и помимо этого спроектировать обтекаемую форму из практически прямых составных фанерных панелей и плит листовой стали. Общей сложностью было задействовано 3000 фанерных 600 стальных паттернов, на которых с внутренней стороны были выгравирована нумерация для последующей сборки.

В 2015 году к выставке в Милане, Италия был спроектирован ряд деревянных павильонов, использующих в проектировании дигитальное параметрическое программирование. Свои проекты представили практически все крупные государства, такие как Франция, Испания, Китай, Япония, Вьетнам, Латвия и т.д. Несколько, на мой взгляд, самых ярких хотелось бы рассмотреть в качестве наглядных примеров параметрического программирования и функциональной выставочной архитектуры.

Рис. 4 - Проект павильона Франции на выставке в Милане, Италия, 2015

Источник: http://www.expo2015.org/en/news/all-news/the-first-foundation-stone-of-the-french-pavilion-is-laid

Проект деревянного выставочного павильона, представленный от Франции является усовершенствованной и более сложной параметрической моделью деревянного павильона Hila, который был представлен финскими студентами-архитекторами в 2014 году. Параметрическая структура павильона представляет собой сочетание символов характерных для Франции: большие территории и как следствие – ландшафт и топография выраженная в рельефе, изменение почв и геология, которая обеспечила Францию разнообразием почв, генетика, приспособленная к климатическим особенностям данного региона, а как следствие акцент на развитие сельского хозяйства. Структура рельефа ясно видна в нижней подсеченной части фасада, в остальном фасад ясно выражен в чистой форме куба павильона. Поэтому архитектурный проект павильона представляет прежде всего проект большого рынка, открытого городу, запроектированный и построенный из естественного природного материала – дерева. Фасадные вертикальные ламели, изготовлены из лиственицы, внутренние же части – из ели. Само дерево местное и поставляется из места неподалеку от завода-изготовителя из окрестностей Милана. Сооружение опирается на 4 опоры, что опять же является символом: питать планету сегодня, иметь питательную ценность в будущем, удовольствие и питание, нести обязательства перед будущим. Сам павильон изначально планировался, как сборно-разборный, и в будущем будет использоваться повторно. Павильон оборудован тремя лестницами и лифтами.

Рис.5. Макет павильона Китая «Земля надежды» на выставке в Милане, Италия, 2015

Источник: http://www.archilovers.com/projects/143169/china-pavilion-at-expo-milano-2015.html

В 2015 году с целью проектирования китайского павильона «Земля надежды» для миланской выставки в Италии объединили свои усилия главный архитектор Йикэн Лу университета Тсингуя и студия «Link-Arc». Базируясь на главных тезисах для проекта павильона, «Кормя Планету-энергия для Жизни», т.е. природа и город существуют в гармонии. Основной акцент сделан на формирование яркого образа плавающей кровли-облака – «области надежды». Сам изменчивый и рельефный профиль кровли символизирует холмы, которые по задумке архитекторов должны плавно растворяться в городском окружающем пейзаже. Плавающая крыша Павильона разработана как структура древесины, которая ссылается на систему "сформированного луча", найденную в традиционной китайской архитектуре, но приспособлена, чтобы приспособить современную строительную технологию. Параметрически с помощью анализа нескольких ландшафтных поперечных профилей и последующей обработки удается получить сложной формы деревянный павильон. Традиционное китайское терракотовое строительство крыши истолковано как большие бамбуковые группы, которые уменьшают структурный вес и подчеркивают уникальный силуэт Павильона. Нижняя часть силуэта здания подхвачена пейзажем с пшеницей - «область надежды», тем самым показывая аграрное прошлое Китая.

Дигитальные фрактальные павильоны из дерева

Этой же группой студентов архитектурной школы АА (Architectural Association) также был спроектирован «Свистящего павильона» (англ. Swoosh Pavilion) для лондонского фестиваля архитектуры «AA Summer Pavilions» в 2007 г, который является ярким примером параметрического дигитального деревянного проектирования.

Рис. 6 - «Фрактальный павильон» команды «Unit 2».

Источник: http://designandmake.aaschool.ac.uk/aa-summer-pavilions/

Из более ранних работ 2005 г. архитектурной школы (Architectural Association)  «Unit 2» хотелось бы отметить характерный для фрактальный форм павильон, структура которого изначально обусловлена фрактальной математической зависимостью – «Фрактальный павильон» (англ. Fractal pavilion). Один из самых ранних, практически без какого-либо декорирования, он представляет собой структуру, основанную на принципе золотого сечения, рекурсивном повторении гребней и спиралевидных лучей, направленных, как и в бионике, от вершины к самым маленьким веткам с геометрической прогрессией.

Если рассматривать фрактальную зависимость по поколениям, то Поколение 0 будет являться основным и будет параллельно линии горизонта и образовывает навес и переходит в опоры павильона. Нельзя сказать, что архитекторами была исключительно чистый фрактал и скопирован в качестве исходной структуры. Многие ветви и их взаимосвязи были укорочены в процессе проектирования, так упразднено поколение 9. Обработка фрактального поколения 4-8 производилась дисковыми пилами и крепилась между собой металлическими связывающими пластинами. Все чертежи студентов производились в программе AutoCad и в последующем нарезаны металлорежущим программным станком из слоистой древесины. Общее количество составляющих деталей и компонентов сложного павильона составило около 2 тысяч элементов и 60 семейственных связей и было заспецифицировано программно и в последующем при монтаже конструкции требовало лишь незначительной доработки, обработки защитными пропитками и узлов сопряжения антикоррозионными составами, что в значительной степени уменьшило время изготовления, доставку и последующую сборку павильона.

Пример симбиоза дигитальной архитектуры и природных форм можно отследить в павильоне «Фрактальный лес» («Монализа»), который был спроектирован студией «WoodLab» для миланской выставки в Италии в 2012 году. Концепция павильона родилась у авторов благодаря созерцанию дерева тополь, переосмыслению его жизненного цикла. Тополь изначально произрастает из семени, растет, превращаясь в многолетнее высокое дерево и формирует семью аналогичных тополей, образующих лес. Именно отсюда черпает истоки идея самого фрактала в основе структуры павильона. Первые эскизы «Фрактального леса» были в ручной подаче, в последующем уже в программе SketchUp. В структуре павильона в виде семян представлены сидячие места, с которых и начинается рост павильона, павильон плавно начинает увеличиваться уже символизируя рост тополей, в тени которых посетитель может укрыться и чувствовать себя в безопасности. Одновременно с тем, текучесть форм скамеек и вертикальных стоек близка к природной плавности линий. При проектировании и вычислении был задействован алгоритм для вычисления роста и фракталы для того, чтобы воссоздать ветви тополя. При воссоздании итеративного процесса несущая опора раздваивалась и такое раздвоение длилось до 3. В процессе параметрического моделирования неоднократно рассматривался изгиб тополя и его внутреннее напряжение с помощью программы ANSYS и Rhinoceros.

Рис. 7 -  ««Фрактальный лес» («Монализа»):

а - анализ роста фрактальной структуры, б - эскиз павильона.

Источник: https://iasefmdrian.wordpress.com/

Чтобы учесть физические особенности клееной фанеры,  перед тем как изготовить полномасштабный павильон были созданы типовой узел и 2 макета в меньшем масштабе (1:20), на основе которых проводились структурные тестирования и корректировки недочетов в конструкции.

Опыт, проделанный при создании павильона «Фрактальный лес», позволяет изучить параметрические и дигитальные навыки проектирования павильонов из возобновляемых источников материалов.

Использование дерева в качестве строительного материала позволяет минимизировать расходы, связанные с производством, доставкой, использовать отходы и вторично переработать павильон после использования. В значительной степени уменьшается время, затраченное на монтаж конструкции. Единственной слабой стороной таких конструкций является необходимость непрерывного высококачественного инженерного обеспечения и саморазвития.

Заключение

Как течение, которое набрало силу во второй половине ХХ века, дигитальное параметрическое проектирование и фрактальные построения позволяют создавать новые формы, методики, анализировать и корректировать их в процессе проектирования деревянных павильонов. Прецендент использования мы можем наблюдать в самых крупных компаниях, таких как Zaha Hadid, MVRDV, Big. Среди международных высших учебных архитектурных заведений, занимающихся разработкой алгоритмов и дигитальные эксперименты представлены такие крупные, как AA  (Architectural Association), SCI-Arc (The Southern California Institute of Architecture), University of Applied Arts Vienna, RMIT University и др.

В концепции  дигитального проектирования деревянных павильонов есть большой потенциал, который только развивается, исследуется и набирает обороты. За последнее десятилетие формы дигитальных павильонов видоизменяются и совершенствуются. Попытки получить гармоничное взаимодействие природы и города, регулировать процесс урбанизации породило новые вычислительные алгоритмы, основа которых взята из природных стихий, образов и явлений. И так же, как, и в природе, дигитальные процессы видоизменяются, делятся, сливаются, чтобы получить новое знание, новые сложные системы формообразования в архитектуре.

Литература

1. Гозак А.П. Алвар Аалто / А.П. Гозак. – М.: Стройиздат, 1976.
2. Лисенко Л.М. Дерево в архитектуре / Л.М. Лисенко. – М.: Стройиздат, 1984 – 176 с.
3. Азизян, И.А., Добрицына И.А.,Лебедева Г.С. Теория композиции как поэтика архитектуры / И.А. Азиян, И.А. Добрицин, Г.С. Лебедева. – М.: Прогресс-Традиция. 2002. – 568 с.
4. Добрицина, И.А. От постмодернизма к нелинейной архитектуре / И.А. Добрицина. – М.: Прогресс-Традиция, 2004.
5. Каллегари Г., Сэссоун М., Спинелли А. (2013). Древесина цифровые работы, Милан, Edizioni Ambiente.
6. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы / Б. Мандельброт. – М.: Ин-т компьютерных исследований, 2002. – 656 с.
7. Burry, J., Burry, M. The New Mathematics of Architecture / J. Burry, M. Burry. – London: Thames & Hudson Ltd. – 2010. – 272 p.
8. Хайман Э. Новая морфология архитектуры. Зачем гены зданиям?/ 2012. Хайман Э. // [Электронный ресурс]. – URL: http://www.archi.ru/russia/news_for_print.html?id=40448
9. Iwamoto L. Digital Fabrications.Architectural and Material Techniques / Iwamoto L. – New York , Princeton Architectural Press, 2009.
10. Antonio J. Lara Bocanegra. Innovation in Timber Architectural Structures and Digital Fabrication: A Cartograph
11. Ильвицкая С.В. Роль архитектора в культурной инновации.// Материалы научно-практической конференции« «Наука, образование и экспериментальное проектирование в МАРХИ, М. 2015.
12. Ильвицкая С.В., Саркисов С.К.. Петрова Л.В., Булгакова Е.А. Инновационные технологии в контексте творческого обучения архитекторов // Журнал «Землеустройство, кадастр и мониторинг земель». №4, 2015.

References

1. A. P. Gozak, Alvar Aalto / A. P. Gozak. – M.: Stroiizdat, 1976.
2. Lysenko L. M. Wood in architecture / L. M. Lysenko. – M.: stroiizdat, 1984 – 176.
3. Azizyan, I. A. and Dobritsyn,I. A., Lebedeva G. S. Theory of composition as the poetics of architecture / Asian I. A., I. A. Dobrotin, G. S. Lebedev. – M.: Progress-Tradition. 2002. – 568 p.
4. Dobritsyna, I. A. From postmodernism to nonlinear architecture / I. A. Dobrynina. – M.: Progress-Tradition, 2004.
5. Callegari G., Sasson M., Spinelli A. (2013). Wood digital works, Milan, Edizioni Ambiente.
6. Mandelbrot B., the Fractal geometry of nature B. Mandelbrot. – M.: Institute of computer researches, 2002. – 656 p.
7. Burry, J., Burry, M. The New Mathematics of Architecture / J. Burry, M. Burry. – London: Thames & Hudson Ltd. – 2010. – 272 p.
8. Hyman E. New morphology architecture. Why genes are buildings?/ 2012. Hyman E. // [Electronic resource]. – URL: http://www.archi.ru/russia/news_for_print.html?id=40448
9. L. Iwamoto, Digital Fabrications.Architectural and Material Techniques / Iwamoto L. – New York , Princeton Architectural Press, 2009.
10. Antonio J. Lara Bocanegra. Innovation in Architectural Timber Structures and Digital Fabrication: A Cartograph
11. Ilivitskya S. V. Role of architect in cultural innovation.// Materials of scientific-practical conference" of "Science, education and experimental design in MARCHI, M. 2015.
12. Ilivitskya S. V., Sarkisov S. A.. Petrova L. V., Bulgakova E. A. Innovative technologies in the context of creative learning architects // the Magazine "Land management, cadastre and land monitoring". No. 4, 2015.