Исследовательский центр NANONANO
Научный центр нанотехнологий "NanoNano" в рамках магистерской дипломной работы.
Авторы: Шапкин Тимофей, Джибилов Алан.
Профессор: Крассимир Крастев
Консультант: Эрик Хелтер
Два года магистратуры пролетели стремительно. За это время родилось достаточно много идей, которые методично наполняли данный блог. Самую яркую из идей я припас напоследок. Итак, сегодня последняя глава среди эпопеи студенческих работ, в которой я расскажу о нашем с Аланом дипломном проекте.
В данном посте я постараюсь изложить информацию более сжато не в ущерб визуальным материалам.
Сразу к делу. Дипломный проект объединяет в себе 2 глобальные исследовательские темы:
1. Адаптивность как решение проблемы устаревания научных центров.
2. Объединение сервисных и несущих систем здания воедино.
Проблема гибкой, адаптивной архитектуры с давних пор волнует умы проектировщиков.
Архитектура в целом - статичное искусство, но попытки наделить ее свойствами приспособляемости и изменчивости предпринимаются около века. И речь идет не просто о каких-либо трансформируемых фасадах или оболочках, а о способности зданий переносить глубокие программные изменения. Наиболее удачный существующий пример на данную тему - это Центр Помпиду в Париже. Способность здания быть полностью перепрограммированным ограничивается только лишь его физическими габаритами. В центре Помпиду использована простая стратегия: по максимуму освободить внутренне пространство от каких либо капитальных элементов и отдать его на всю длину , ширину и высоту на растерзание кураторам выставок.
Конкурсный проект Центра Помпиду, 1971. Ричард Роджерс, Ренцо Пиано.
Центр Помпиду является для нашего проекта источником вдохновения не только в аспекте "приспасабляемости", но и в аспекте внешней эстетики. Мы попытались развить оба этих аспекта до нового уровня.
1. Адаптивность как решение проблемы устаревания научных центров
От Помпиду перейдем к нашему проекту. Вместо культурного центра нам требовался научный центр, где вместо экспозиции современного искусства необходимо менять исследовательское и сервисное оборудование.
Итак, зачем же современным исследовательским центрам необходимо такое качество как адаптивность? В последние десятилетия научная повестка меняется очень стремительно, следовательно также стремительно меняются требования к научным лабораториям и оборудованию. Статичная по своей сути архитектура не поспевает за динамикой прогресса. Те научные центры, которые были построены в 80-х зачастую даже не могут быть так просто переоборудованы под новые требования. К примеру случается, что в нихнет места для прокладки новых более мощных систем обмена воздуха, материалы, которые использовались при строительстве постоянно генерируют недопустимый уровень пыли, плохая изоляция от всевозможных вибраций и так далее. Как это часто бывает, проще снести здание целиком и построить новое. Но тогда где гарантии, что новое здание через пару десятков лет не станет устаревшим? Поэтому совершенно очевидно, что проект научного центра должен обладать механизмами приспособляемости к периодически меняющимся условиям.
Но никто не говорит, что реакция на меняющиеся условия должна быть мгновенной. Оптимальной частотой обновляемости исследовательского центра на наш взгляд - раз в15 лет. Именно за такой срок здание не успевает устареть ни морально ни физически. Как именно данный принцип применяется в проекте я расскажу чуть позже.
А сейчас подробнее поговорим о специфике исследовательских центров в области нанотехнологий. Вся сложность состоит в организации лабораторий и так называемых "чистых комнатах". Требования к ним варьируются в зависимости от исследовательского оборудования. Условно требования можно разделить на 4 группы: Высокоточный контроль влажности и температуры, изоляция от шумовых и механических вибраций, очищение воздуха от частичек пыли, изоляция от электромагнитных и радиоволн.
Зачастую требования к одним лабораториям противоречат другим. Например одно измерительное оборудование требует интенсивное очищение воздуха с помощью вентиляционной системы, которая, в свою очередь, создает шумовые вибрации недопустимые для другого оборудования. Поэтому к расположению лабораторий и чистых комнат внутри научного центра следует относиться с особым вниманием чтобы минимизировать взаимное влияние. Кроме того имеет значение внутренняя эргономика лабораторных пространств и расположение технических зон и так далее. Проект должен быть настолько комплексным, что архитекторам лучше всего в него не соваться.:)
Программа научного центра.
Проектировать лаборатории должны специалисты технологи. А мы, как архитекторы, решили оперировать скорее условными функциональными объемами уделяя больше внимания пространству между ними. В фокусе нашего внимания остались также общественные пространства, циркуляция сотрудников и проблема адаптивности.
Каждая лаборатория имеет свой изолированный объем - ячейку, которая независимо от остальных подвешена в пространстве. Такой подход убивает сразу двух зайцев: дополнительная изоляция лабораторий от внешних раздражителей, как и возможность заменяемости ячеек без воздействия на остальные ячейки. Вспомогательные помещения: столовая, дискуссионный зал, посетительский центр, а также офисный блок аналогичным образом имеют независимые объемы, раскиданные в пространстве. Промежуток между ячейками используется для несущих/сервисных конструкций. Вся композиция из различных функциональных модулей обернута оболочкой, которая поддерживает необходимый микроклимат внутри научного центра.
Представим ситуацию, когда через 15 лет часть лабораторий устарела и возникла необходимость обновления. Технологи говорят, что вместо прямоугольных лабораторий теперь актуальны цилиндрические, что они более удобны и эргономичны. Как скажете, пусть будут цилиндры. Демонтируем старые боксы, привозим созданные на специальном производстве новейшие цилиндрические лаборатории в связке с оборудованием и устанавливаем на освободившемся месте. Повторно обтягиваем защитной оболочкой.
Общая схема зонирования и возможности обновления:
Еще через 10 - 15 лет цикл повторится. В течение жизни здание будет то убывать, то прирастать. Устаревшие программы использования будут изменены на новые. Таким образом эволюционное развитие здания будет отражено как в экстерьере так и в интерьере.
2. Объединение сервисных и несущих систем здания воедино
Плавно переходим ко второй и оказавшейся в последствии ключевой теме в нашей дипломной работе. В процессе анализа аналогов, мы обратили внимание на то, что сервисное оборудование и каналы занимают в научных центрах с лабораторными условиями относительно много внутреннего пространства. Показатель площадей технических помещений иногда доходит до 40 процентов. Оно и не удивительно, ведь кроме стандартного набора в виде электричества, воды и канализации требуются системы кондиционирования с повышенным воздухообменом, подача нескольких видов газа. Каналы, трубы, коллекторы, воздуховоды - звучит как музыка для архитектора. Было бы преступлением с нашей стороны все это спрятать.
С другой стороны мы обратили внимание на современные подходы к проектированию сервисных коммуникаций. На наш взгляд, главная проблема в том, что они проектируются как бы независимо от остального здания. Несущим остовом занимается одна команда специалистов, а сервисным оборудованием - другая. Обе ситемы: как несущая, так и сервисная не интегрированы друг с другом. Отсюда зачастую возникает масса несогласованностей: трубы должны огибать балки и стены, выписывая лишние погонные метры. Коммуникации начинают занимать все больше места, а архитекторы вынуждены закладывать все большую высоту потолков.
Традиционное проектирование: несущий каркас, сервисный каркас.
Потребность научного центра в большом количестве сервисных каналов и стало отправной точкой в нашем поиске дизайнерских решений. Параллельно с виртуальными изысканиями мы занимались физическими моделями. После первых же попыток, стало ясно что вся совокупность каналов может работать как каркас. И тут родилась концепция: объединить все сервисные каналы и несущий остов здания в одну систему.
Модели. Полимерные трубки, марля, полиэфирный клей
Главная схема, которая объясняет концепцию объединения сервисных и несущих систем. Кроме декларируемых преимуществ такого подхода (экономия материалов и пространства) есть и недостатки. В частности в проекте не решен вопрос пожарной безопасности и локального ремонта данных систем.
За аналогами подобных систем далеко ходить не надо. Это простая идея уже давно взята на вооружение самой природой. Рассмотрим, например, древесину. Сосуды древесины, которые через себя проводят воду и питательные вещества, обладают при этом достаточной жесткостью и прочностью, чтобы справляться с нагрузками.
Трехмерная сеть воздуховодов, коллекторов и труб создает пространственно-устойчивую структуру, на которую нанизаны блоки помещений исследовательского центра. Блоки потяжелее традиционно опираются на фундамент. Часть коммуникаций идет на верх, образуя паутину перекрытия над атриумом. У основания трубы концентрируются в пучки словно стволы деревьев, а выше, напротив, начинают ветвится. Таким образом каркас здания представляет собой совокупность переплетенных между собой "деревьев".
Паттерны интегрированной системы научного центра:
Сами корпуса труб предлагается изготавливать по технологии (C-Fab | Branch Technology). Это технология 3D печати арматуры для поверхностей любой сложности, которая комбинируется с традиционными наполнителями. Вся структура научного центра должна быть напечатана по частям и собрана уже на стройплощадке.
Branch Technology. Источник: https://www.youtube.com/watch?v=nrdQrpiLJMQ
Отдельного внимания стоит алгоритм генерации несущей структуры. Тем, кто не интересуется вычислительным дизайном, можно этот абзац пропустить. Целью алгоритма является расположить сеть сервисных коммуникаций таким образом, чтобы с одной стороны опереть на них парящие в воздухе блоки помещений, а с другой - найти оптимально-короткий маршрут в пространстве. Весь внутренний объем, за исключением помещений и транспортных коридоров для людей, заполняется облаком точек в регулярной трехмерной сетке. Далее, используем алгоритм "topology optimization" для всех свободно висящих блоков помещений. Алгоритм использует сгенерированные раннее точки в пространстве и указывает через какие именно пойдет нагрузка нормальных сил. Затем, через указанные точки генерируется облако линий. Так как точки в пространстве имели регулярную сетку, то и облако линий поучилось регулярным. В упрощенном понимании, линии имели только 0,45 и 90 градусов наклона. Этот принцип определил "микросхемную" эстетику структуры. Следующим шагом стало определение точного количества труб и начальные и конечные точки каждой из них. Теперь у нас достаточно данных для использования алгоритма "shortest walk", который и создал конечный паттерн коммуникаций. Но и это еще не все. Далее остаются наслоения алгоритма, отвечающие за дизайн и за то впечатление, что мы видим на рендерах, а именно: профиль труб, радиусы, отталкивание проходящих по одному пути линий (самая сложная часть), концентрирование труб в пучки у основания и так далее.
Генерация фрагмента инегрированной структуры:
Активной параметризации подверглась и оболочка здания. Созданный для проекта алгоритм позволяет обтянуть получившуюся сложную геометрию каркаса и объемы здания в несколько этапов, так как не хватало памяти компьютера для проведения операции целиком.
В процессе работы над проектом были использованы такие аддоны как Millipede, Kangaroo, Shortest walk, Anemone, Weavebird, Lunchbox, Flowpath. Для проекта было написано более 30-и скритпов. Так что я более я не буду останавливаться на вычислительной части, а если есть вопросы по скриптам, пишите в комментариях.
Но вернемся к нашей структуре. Вероятнее всего, чтобы обеспечить устойчивость всех объемов в пространстве, потребуется больше труб, чем диктует необходимость в снабжении лабораторий. Некоторые трубы останутся полыми, сохранив при этом несущую функцию. При необходимости неиспользуемые коллекторы можно ввести в строй или, наоборот, перестать использовать существующие. Таким образом данная система предполагает гибкость функционирования, возможность переориентации и модернизации. Некоторые пучки можно демонтировать, срезать, а в других местах нарастить (напечатать) новые. Это полноценная живая система предполагающая пошаговую эволюцию.
Разрез. Возможна прокрутка по горизонтали.
Фрагмент фасада
Экстерьер научного центра также раскрывает метафоры на тему живого организма. Оболочка, плотно обволакивая коммуникации, напоминает вены под кожей либо корни дерева под асфальтом. Кожа здания не однородна. Местами она становится полупрозрачной, пуская рассеянный свет внутрь.
Экстерьер. Офисный блок (справа), единственное место во всем здании, где потребовалось традиционное остекление.
Внутреннее пространство изобилует общественными и полу-общественными пространствами. Обилие стволов "деревьев" создает градацию пространств разного уровня приватности, что позволяет сотрудникам подыскивать более комфортные площадки для общения с коллегами.
Лаборатории:
Генплан. Предполагаемое место строительства - Сколково.
Модель фрагмента здания. 3D печать + вакуумная формовка.
Данная дипломная работа предлагает несколько новых идей и методов проектирования, призванных решать определенные задачи. При этом всякое предложение, призванное решать одни задачи и проблемы, как правило создают новые проблемы. Решение последних плодит новые проблемы и так далее по кругу с бесконечным латанием дыр. Соглашусь, что проект вызывает больше вопросов, чем дает ответов. Я считаю это нормальным, особенно для работы, балансирующей между чем-то вроде "воздушным замком" и реальностью.