К вопросу о природных алгоритмах в архитектуре
Turing Pavilion - Biothing
Недавно на a4archnews вышло интервью, где меня спрашивали о параметрической архитектуре и Точке ветвления.
Там был один вопрос и ответ, который меня попросила прокомментировать одна из участниц нашего воркшопа «Натуральная отзывчивость».
- Является ли параметрическая архитектура попыткой симуляции природных процессов (с целью проектирования эффективных и адаптирующихся к внешним условиям зданий и городов)?
- Практически невозможно использовать напрямую природные процессы. За природой надо подглядывать, но решения о том, как интерпретировать те или иные природные процессы лежат на плечах архитектора. Один из кризисов алгоритмизации архитектуры связан с тем, что большинство алгоритмов выведены в процессе изучения природы в биологии и физики, но они очень тяжело правдиво перекладываются на архитектуру. А создавать собственные алгоритмы и процессы очень нетривиальная задача.
Ответить я решил здесь, возможно он заинтересует кого нибудь ещё. В ответе я буду специально сводить мое размышление к каким-то общим принципам, так как на самом деле почти с каждым утверждением должно следовать череда пояснений, поправок и отступлений от правил. Таков уж этот необъятный, но зато увлекательный мир параметрического проектирования.
Для начала необходимо пояснить, что существуют две ветки использования алгоритмов взятых из природы в архитектуре.
Первая ветвь - это создание моделей имитирующих реальное поведение конструкций или материалов, или например перемещение толпы в замкнутом пространстве. Для того чтобы адекватно имитировать тот или иной процесс необходимо предметно изучить то, как этот процесс происходит в реальном мире. Например, если создается параметрическая модель складчатой конструкции из дерева, то необходимо сделать материальные модели складок, изучить то, как они деформируются в зависимости от воздействия разных нагрузок, вывести закономерности. Затем построить параметрическую модель, подать на неё такие же нагрузки и сверить с тем как деформации компьютерной модели коррелируют с материальными моделями. Об этом хорошо рассказывает Ачим Менгес (Achim Menges) в своей недавней лекции.
Кстати примерно тем же способом мы действовали на воркшопе «Натуральная отзывчивость». Там мы исследовали свойства биметаллов и возможности создания адаптируемой архитектуры, на основе их, когда происходит деформация формы в ответ на изменение температуры. Одной из задач было как раз сопоставление физической модели и виртуальной, и последующее масштабирование параметрической модели для прогнозирования свойств более сложных моделей.
воркшоп Натуральная отзывчивость - Group1
Чтобы перейти ко второй ветви, необходимо отметить следующее. Параметрическая модель это обычно такой алгоритмический франкенштейн, составленный из отдельных кусков-алгоритмов, вложенных друг в друга и связанных между собой. Эти куски могут быть как небольшие общепринятые и повсеместно используемые вспомогательные алгоритмы (кривая Безье, выборка случайных чисел, булевы операции), так и фундаментальные алгоритмы как, например фракталы или клеточный автомат. Проектная концепция, которая обуславливает сущность решения, описывается определенным процессом, который осуществляется в определенном ядре всего алгоритма параметрической модели. Так и проектная концепция и алгоритм параметрической модели выражают один некий принцип.
Именно эти фундаментальные модели/алгоритмы, такие как фракталы, клеточные автоматы, стайное поведение, диаграммы Вороного и Делоне становится отправной точкой многих архитектурных концепций. И именно тут кроется большая проблема.
Эти фундаментальные модели или были подсмотрены у природы, или были сначала придуманы математиками и потом нашли свое воплощение в природе. Но, так или иначе, эти модели позволили описывать в той или иной степени процессы, которые свойственны природным системам.
Архитектуре свойственно вдохновляться природой, но проблема кроется в том, что сущность природных моделей не так часто совместима с сущностью систем, с которыми работает архитектура. Заворожённые процессами, протекающими в природе и созданными ими невероятными формами, архитектуры берет эти формы и процессы за свои прототипы. Но в природе эти формы обусловлены многими условиями. Они не берутся сами по себе и не существуют просто так для красоты. Природные формы это результат фундаментальных физических законов. Из этих физических законов постепенно формируются возможности и ограничения свойственные разным материальным системам. Одни принципы формировали другие, так постепенно складывалась многоуровневая система правил, по которым формировалась природа.
Так, например фрактальная и симметричная форма папоротника появилась как результат длительного развития в условиях ограничения на хранение малой информации в реликтовых клетках и возможности реплицировать эту информацию путем деления клеток. Простейшие инструкции, выведенные в процессе эволюции, которые мы сейчас можем описать фрактальными алгоритмами позволили создать из колоний клеток сложную живую систему. Папоротник с его фрактальностью это один из возможных ответов, которые смогла дать эволюция на возможности и ограничения, которые были свойственны физическим и биохимическим условиям на планете.
IFS Fractal Fern
Большинство фундаментальных алгоритмов свойственных природе это не что иное, как математическая формализация необходимости системам экономить энергию, информацию или материал. Или скорее это даже невозможность не экономить (см. законы термодинамики). При этом, чем сложнее система тем меньше она зависит напрямую от фундаментальных физических законов, которые предопределяют экономичность у простых систем. Поведение человека и человеческий социум неописуем с помощью таких фундаментальных, но простейших принципов как фрактальность.
Например, с одной стороны с помощью фракталов пытаются описать и прогнозировать развитие существующей городской ткани, а с другой стороны с помощью фрактальных алгоритмов проектировать новую городскую ткань. Сам по себе фрактал настолько интересен архитекторам, что они зачастую готовы не погружаясь в проблематику фундаментальной природы фракталов использовать их как творческий принцип. Но так происходит разрушение связей между внутренними свойствами, внешней формой и реальным развитием городской структуры. И чем более жестко навязывается фрактальный принцип, тем сильнее он может входить в непримиримый диссонанс с естественными потребностями урбанистической системы. Если фрактальность в природе это принцип, без которого определенная система не может развиваться вовсе, то его архитектурная интерпретация может быть искусственно введена, при этом сложная городская система её может долгое время терпеть, затрачивая на преодоление проблем, связанных с новой структурой, дополнительную энергию.
Проблема интерпретации возникает ровно в тот момент, когда мы пытаемся субъективно перенести свойства одних систем на другие. Смена масштаба, скорости протекания процессов, причинно следственные связи, различия свойств элементов, всё это может губительно отразиться на адекватности переноса.
Substrate - Jared Tarbell
Но это не значит что, например фрактальность это некий запрещенный вид архитектурного вооружения. Скорее наоборот использование его требует большей изощренности и понимания того как что такое фрактальность и что она может дать нам в наших естественных условиях.
Здесь приведен пример с фракталами, но все сказанное верно для других базовых алгоритмов свойственных природе.
Endemic Interstices - Biothing, Plug-In Student Research
В тоже время возможно для сложных систем, с которыми работает архитектура, существуют свои фундаментальные и не очень фундаментальные алгоритмы, которые позволяют создавать архитектуру иного порядка, эффективной с точки зрения критериев свойственных этим сложным системам (эконмическим, культурным, ресурсным, антропоморфным). Именно здесь кроется один из кризисов параметрического подхода, но именно здесь могут быть основные прорывы, которые приведут к фундаментальным сдвигам.
Собственно сейчас происходит период накопления знаний о том, как работают материальные и социокультурные механизмы, пробуются новые способы и методы, придумываются новые концепции, которые могут быть как удачными и не удачными, что позволит, в конечном счете, выйти на новый класс решений. В общем надо изучать, исследовать и пребывать.
Надеюсь этот комментарий ответит на заданный вопрос.