Параметрические паттерны в архитектурном дизайне

Аннотация

В статье дается определение «параметрические паттерны» и рассматривается их применение в дизайне архитектурной среды. Анализируется зарубежный опыт использования архитектурных паттернов в проектировании оболочек сложной формы. Рассматриваются основные инструменты параметрического моделирования паттернов.

Ключевые слова: паттерны, параметрические паттерны, тесселяция, NURBS-поверхности, орнамент.

Паттерн (от англ. «pattern» — образец, шаблон) имеет различное употребление в зависимости от дисциплины или технологии. Общая или математическая теория паттернов была создана Ульфом Гренандером в 1993 году. Паттерн в информатике обозначает шаблон или заготовку для решения определенного класса задач программирования, в психологии — это набор стереотипных поведенческих реакций, принадлежащих одному классу объектов. Паттерн в техническом анализе — характерный, повторяющийся участок на графике какого-либо распределения. Теория пространственных паттернов широко используется в экономической географии, при разработке систем расселения, в градостроительстве и т. д. Особую группу составляют пространственно-временные и фрактальные паттерны, используемые в астрономии. В общем случае паттерн — это узор или геометрический объект, неоднократно повторяющийся в системе. В проектировании — это простое построение или заготовка, дающая решение проблемы в рамках некоторого контекста или ситуации. В 1970;е годы архитектор Кристофер Александр [1] составил типологию паттернов для проектирования. Его «архитектурные паттерны» состоят из 253 шаблонов пространственных структур, представленных в виде диаграмм.

Паттерны являются фундаментальным свойством дизайна (интерьера, архитектуры, города и ландшафта). Паттерны появляются в результате взаимодействия этих подсистем на различном временном и масштабном уровнях. Они могут включать природные и искусственные элементы. Каждое пространство имеет свои уникальные паттерны идентичности. Паттерны могут стать лого, брэндом, иконой или местом. Исследования по истории и теории пространственных паттернов показывают насколько новые технологии проектирования и производства меняют роль паттернов в дизайне. Концепции и понятия, лежащие в основе теории пространственных паттернов, включают исследования порядка, иерархии, организации, масштаба, пропорций, симметрии, равновесия, сложности, красоты, функции, декора, репрезентативности, символов, соединений, воображения и творчества. Основное место при проектировании пространственных паттернов отводится архитектурной геометрии и теории композиции, основанных на таких понятиях как гармония, ритм, метр, цвет, фактура и т. д.

Херцог & де Мерон (Herzog & de Meuron), Jean Nouvel, Вентури, Скотт Браун и партнеры (Venturi Scott Brown), OMA, Заха Хадид, UNStudio, ONL, MVRDV, Will Alsop и Future Systems находятся на переднем крае проектирования пространственных паттернов. Число исследовательских и проектных организаций в этой области, включая ALA, Klein Dytham, Reiser + Umemoto, Lab Architecture Studio, Sauerbruch Hutton, LAB[AU], NOX, Daniel Libeskind, FAT, MAKE, Hild Und K, Jьergen Mayer, David Adjaye, ETH Zurich, MIT SENSEable City Lab, MIT Sociable Media Group, Aranda/Lasch, Popularchitecture and P-A-T-T-E-R-N-S, постоянно растет. В 2004, вслед за OASE Ornament (NAI Publishers) последовали, «Функция Орнамента» (The Function of Ornament), написанная Майклом Кубо и Фаршид Муссави (Michael Kubo and Farshid Moussavi) [2], «Атлас новой тектоники» (Atlas of Novel Tectonics) Reiser + Umemoto [3] и Princeton’s 306 090 Decoration (306 090 — независимая некоммерческая организация, пропагандирующая искусство, 2006). Сесил Балмонд (Cecil Balmond) выпустил свой «Элемент» (Element), манифест инженерного подхода к проектированию паттернов в 2007, издательство Birkhauser опубликовало «Паттерны в архитектуре, искусстве и дизайне» (Patterns in Architecture, Art and Design, 2007) и Pattern (Context Architecture) в 2009. Групповая выставка «Теория паттернов» (Pattern Theory) в галерее MKG127, Торонто 2007, и экспозиция в Harvard Graduate School of Design «Patterns: Cases in Synthetic Intelligence Exhibition» в 2008 явились знаменательными событиями, не исчерпывающими, однако, все разнообразие этой темы, включающей большое количество сборников образцов, каталогов стилей, социально-культурных, географических, антропологических и этнографических книг на эту тему.

Сегодня морфология пространственных паттернов это, в основном параметрические переделки узоров или биоструктуры, которые имитируют механизмы самоорганизации на основе новых эмергентных технологий в дизайне. Среди них паттерны в виде мыльных пузырей, гидрологических и сосудистых систем, протеиновых складок, клеточных автоматов, точек притяжения, силовых полей, кубов Серпинского (Sierpinski), покрытий, муаров (moirйs), узлов, случайных распределений, фракталов, сетей, скоплений частиц (particles), атомных и молекулярных структур (включая кристаллы и квази-кристаллы), жидкостей, газо/метеорологических форм, тканей, вирусов и микроорганизмов, ячеек Вороного (Voronoi cells), системы Линдермайера (L-system), света, огня, ландшафтных, геологических и т. п. структур, различных гибридов и их производных. Многие авангардные проекты содержат инновации, которые являются либо технологическими паттернами, в виде полей, мембран, сложных поверхностей и структур, либо в виде хаотичной среды, так называемой роистой (swarm) архитектуры. Наиболее технически сложные паттерны запроектированы на основе генетических алгоритмов, с использованием программ типа Grasshopper, Generative Components, Processing и L-Systems. Новые технологии распознавания паттернов применяются в градостроительных исследованиях и используются для разработки схем транспорта, логистики, ресурсов, обслуживания, пешеходных потоков и глобальных коммуникаций. Эта консолидация математики, компьютеров и искусства приводит к созданию принципиально новых умных и высоко производительных пространственных паттернов. Наиболее интересные примеры использования паттернов в социальном и культурном аспектах интерактивной архитектуры, дают например, проекты ONL, Jason Bruges, Electroland, Diller Scofidio + Renfro, ETH Zurich и, в особенности, MIT SENSEable City Lab and the Sociable Media Group. Другие примеры включают новые не периодичные, фрактальные и квази-кристальные структуры, в которых исследования пространственных паттернов сочетаются с изобразительными и другими видами искусств (Neo-geo, world art/critical-regionalism, Op Art), с технологией, антропологией, этнографией, исследованиями культуры и медиа средств. Новые технологии позволили архитекторам разработать сложные способы построения паттернов. Они стали популярны благодаря впечатляющим возможностям при проектировании ограждающих конструкций здания — сложная геометрия форм, тесселяция, текстуры и многослойность. Использование полигональной тесселяции в современных ограждениях, например PTW’s Beijing Water Cube (2007), Future Systems' Selfridges универмаг и FOA’s Ravensbourne College of Design and Communication в Greenwich, London (2010) противостоит минимализму и простому членению прямоугольными сетками фасадов Модерна. Чешуйчатые покрытия в проектах Ф. Гэри являются показателем этих тенденций: формы и соединения, изначально обусловленные конструктивной необходимостью обеспечения гидроизоляции мембран путем наложения плиток, становится характерным паттерном, который нарушает монотонность стыков и улучшает трехмерный, динамический эффект покрытия. Рост диагональных сеток и не ортогональных паттернов при тесселяции поверхностей в практике проектирования — OMA’s Seattle Public Library (2004) и CCTV building (2009), Herzog & de Meuron’s Prada Tokyo (2003) и Beijing National Stadium (Bird's Nest, 2008), Foster’s Swiss Re (2004) и Hearst (2006) башни в Лондоне и Нью-Йорке демонстрирует общую тенденцию включения несущей структуры в ограждение, производя антигравитационный и дифференцированный эффекты. архитектурный паттерн градостроительный Существуют два понятия в архитектурной теории, которые объясняют различные подходы к конструированию паттернов: орнамент и декорация. Декор (франц. dйcor, от лат. decoro — украшаю), система украшений сооружения (фасада, интерьера) или изделия. В классической теории, декор был необходим для создания стилевых различий и являлся частью архитектурной триады: планирование, конструирование и декорирование. В рамках этого подхода, «тектоническая артикуляция» не рассматривалась отдельно от декорирования. Модернисткой критике орнамента как декорации впервые был брошен вызов Постмодернизмом. Декоративные мотивы были возрождены в качестве игривой эклектики. При этом не ставилась задача разработки методов конструирования паттернов. Минималистский подход к использованию паттернов имел очевидные ограничения: пространственная организация его композиций была чрезвычайно проста, а поверхности, предназначенные для применения паттернов, были простыми плоскостями. Паттерны были монотонно повторяющимися и использовались как обои. Авангард, основанный на результатах деконструктивизма, был сначала сосредоточен только на сложных геометриях, прогрессируя от плоскостей к гладким NURBS-поверхностям. К концу 1990;х годов, были обнаружены новые возможности использования паттернов, на основе применения техники наложения текстуры на искривленные поверхности. Такие эффекты были достигнуты, например, путем проецирования видео изображения на криволинейные поверхности, или путем встраивания цифровых дисплейных систем. В 1998, AD опубликовал «Архитектура гиперповерхностей» (Hypersurface Architecture), целое издание, посвященное этим новым возможностям. Архитектурный паттерн стал элементом авангардного движения, которое дизайнеры выдвигают как новый стиль «параметризм». С тех пор техника наложения текстур была заменена написанием программного скрипта, а старые методики используются для первоначальной проверки или иллюстрации эффектов, которые затем должны быть реализованы в виде набора процедур. Первые примеры использования NURBS-поверхностей в параметрическом дизайне появились с внедрением фрезерных станков с ЧПУ для автоматизированного производства конструкций. Бернард Кэш и Грег Линн экспериментировали с контурными линиями и траекториями для CAM (computer aided manufacturing). Определение способа разбиения поверхностей на плоские полигоны является главной задачей для реальной практики проектирования оболочек. Применение тесселяции для разработки элегантных мозаик двояко изогнутых поверхностей стало поворотным моментом в развитии архитектурной геометрии, который вывел параметрическое моделирование и написание программного скрипта на первый план. Проблема разбиения сложных поверхностей плоскими панелями стала предпосылкой для создания компанией Bentley Systems программы GenerativeComponents (GC), ассоциативной и параматрической системы моделирования, с главной идеей популяции сложной поверхности численно заданными, само адаптирующимися элементами. Классическая установка GC включает проектирование компонента с изначально переменными свойствами, которые привязаны к целому ряду геометрических параметров поверхности. Для обеспечения полного соответствия, каждый экземпляр параметрически адаптирован к своему уникальному положению на хост-поверхности. Результат может быть назван «параметрическим паттерном». При классической установке, изменение кривизны поверхности приводит к параметрической адаптации компонентов с целью сохранения паттерна, максимально возможной однородности. Параметризм преобразует технику геометрических паттернов в новый реестр тектонической артикуляции архитектурного дизайна. Решающим шагом в инаугурации «параметрического конструирования», явился переход от адаптивной компенсации паттернов к их дифференциации, в зависимости от работы оболочки. Вариабельность поверхности архитектурных форм утилизируется в виде базы данных, которая может управлять поведением паттернов. Дифференциация может быть выполнена преднамеренно, путем «разрисовывания» поверхности каким-либо узором, который становится базой для моделирования паттернов. На современном этапе разработка техник параметрического моделирования, экспериментов в цифровом дизайне, интуитивных подходов к дифференциации поверхностей, могут только приветствоваться. Однако чрезмерное увлечение дифференциацией должно быть подвергнуто критическому анализу, поскольку такой подход низводит проблемы формообразования к «декоративному» проектированию в дизайне. Дифференциация поверхности должна служить средством артикуляции цифровой тектоники, и она работает, только если соотносится с геометрическими или функциональными аспектами пространственной организации конструктивных систем. Акцент на корреляции подсистем в дизайне является второй отличительной чертой параметризма. Поверхностная артикуляция может соответствовать структурным линиям различного содержания, например, изолиниям распределения напряжений на поверхности оболочек. Дифференциация может включать апертуры (лат. apertura — отверстие), размещенные по поверхности, которая может быть выполнена с учетом отделки, а орнамент может быть использован для создания многослойной сетчатой конструкции оболочки. Еще одно направление — это адаптивная дифференциация архитектурного фасада, с учетом экологических параметров, которые различаются в зависимости от ориентации поверхности ограждений. Постепенное изменение интенсивности солнечного света на искривленной поверхности переводится в градиентное преобразование компонентов формы. В параметризме, такие функциональные зависимости реализуются в художественно-эстетической концепции. Важно отметить, что параметризм, как стиль, представляет собой сегодня открытое направление, объединяющее дизайнеров, ищущих новые пути в формообразовании. Можно выделить такие параметры артикуляции поверхностей, как рельеф, материал, текстура, цвет, отражение и прозрачность. Потенциально, эти параметры могут быть использованы в соответствующих процедурных скриптах. Рельеф представляет особый интерес, поскольку он делает архитектурную поверхность чувствительной к изменению условий освещения и угла зрения. Систематическое изменение параметров усиливает ощущение анимации, за счет трансформации архитектурных паттернов на поверхности оболочки. Манипуляции с условиями освещения и позицией наблюдателя может повлечь изменения во внешнем виде и восприятии поверхности или пространства. Паттерны могут быть заданы так, что их ключевые параметры станут чувствительны к изменению формы. Это направление в дизайне получило название «параметрическое определение формы». Параметрическая конфигурация является, пожалуй, наиболее амбициозной формой тектонической артикуляции и станет по-настоящему эффективной, если выйдет за рамки визуальных эффектов. Только при этом условии можно говорить о динамических, высокопроизводительных орнаментах.