Динамические формы в адаптивной архитектуре

Размещено на http://allbest.ru

ТОГУ

Динамические формы в адаптивной архитектуре

Карпова Т. А., Дорофеева Н. Н.

г. Хабаровск, Россия

Абстракт

Последние годы получила развитие отрасль динамического концептуального проектирования. Большинство современных исследований направлены на адаптацию архитектуры к воздействию окружающей среды. Одним из приемов адаптации является метод трансформации архитектурной формы, которая не требует прямого участия человека. В статье проанализированы технологии динамического движения и изучена их роль в развитии адаптивной архитектуры.

Ключевые слова: динамические системы, материалы, адаптивная архитектура, механика.

Введение

Столкнувшись с множеством параметров влияющие на комфортность среды здания. Наряду с множеством методов и технологий, направленных на удовлетворение постоянно меняющихся условий и потребностей, наиболее заметной является адаптивная архитектура динамических форм. В ходе эволюции архитектуры от статики и стабильности к движению и динамике появляется новый архитектурный язык. Он способствует использованию новых материалов, технологий и методов строительства.

Несмотря на положительные особенности, которые помогают адаптироваться к различным изменяющимся условиям жизни человека [9]. Значительная стоимость современных технологий, нехватка ресурсов и знаний в области проектирования и производства, ограничивают возможности применения новых форм. Данное исследование предлагает систематизировать существующие знания о применении динамических форм в архитектуре.

1. Принципы движения

На протяжении веков зодчие направляли усилия на разработку принципов создания комфортных искусственных сред. Однако почти все они касаются строительных конструкций или элементов, которые являются фиксированными и статичными.

Именно динамические формы обладают особенностями, связанными с изменением отдельных частей здания.

Движением в механике называют изменение во времени взаимного положения тел или их частей в пространстве [3]. Областью механики является «Динамика», которая занимается объектами, находящимися под воздействием различных сил [6].

Движение объектов бывает: одномерное, двухмерное, круговое и периодическое [9]. В зависимости от того, как изменяется положение или ориентация объекта относительно одной, двух или трех координатных осей, для каждого из этих видов движения можно определить три степени свободы. Таким образом, способность объекта перемещаться в пространстве определяется максимум шестью степенями свободы [10].

Характеристики движения тела:

- Траектория. Серийное повторение траекторий движения элементов очень распространено в архитектуре [1]. Что касается внешнего вида, можно различать две различные стратегии проектирования: заданное движение элементов, следует заранее определенному плану, в то время как индивидуальное перемещение означает, что кинетический элемент может перемещаться полностью независимо.

- Скорость. Часть движения - это скорость, с которой происходит перемещение объекта. Движение возникает из-за изменения положения от стационарного состояния путем ускорения и замедления до нового состояния. Ускорение также имеет отношение к косвенному сенсорному восприятию. Ускорение и замедление должны восприниматься человеком гармонично[1].

- Масса. Большие массы сложнее привести в движение, а также остановить, в отличие от небольших элементов. Которые можно перемещать намного быстрее. В архитектуре, необходимо учитывать массу элемента, как с точки зрения конструкции, так и дизайна. Массу отдельных элементов можно регулировать при помощи выбора материалов.

- Масштаб. Оказывает определяющее влияние на сложность: техническую реализацию движения. Это относится к мелкомасштабным конструкциям, требующим высокоточного исполнения, а также к крупномасштабным конструкциям, которые сильно влияют для структуры жестких строительных элементов. Точно так же сочетание отдельных движений в кинематическую цепь увеличивает геометрическую сложность архитектуры [2].

2. Типологии фактического движения в адаптивной архитектуре

Перемещение обеспечивает движение элементов в одной плоскости. Вращение позволяет перемещать объект вокруг любой оси, в то время как масштабирование позволяет расширить или уменьшить размер определенного элемента.

Это основные три типа передвижения в динамической архитектуре (рис.1), которые объединяются для создания более сложных движений, таких как направленный поворот, изгиб или скручивание [7].

В архитектуре, твердые тела являются наиболее распространенными и, как правило, связаны шарнирными соединениями, которые образуют подвижные элементы.

Эластичные тела также используются в подвижных элементах в небольших масштабах, за исключением гибких мембранных структур [10]. Учитывая, что движение является неотъемлемой частью механики, типологии динамики в архитектуре можно разделить на четыре типа движения: жестких, деформируемых и гибких архитектурных элементов и пневматических форм.

Рис. 1. Движение жестких архитектурных элементов

Движение жестких архитектурных элементов. Механические движения всегда можно свести к основным типам движения: вращение, перемещение и комбинации этих двух типов. Эта классификация используется независимо от того, где находится шарниры и стыки. Описываемая типология может относиться к элементам крупного и небольшого масштаба [10].

Перемещение. Примером здания, разработанного данным методом, является галерея Sperone Westwater Нормана Фостера в Нью-Йорке (рис.2). Основной архитектурной идеей является передвижная комната размером 3х6 метров, которая соединяет пять этажей.

С ее помощью посетители могут перемещаться между выставочными помещениями. Медленное движение красного архитектурного объема, помещенного за стекло вертикальной шахты, оживляет лаконичный фасад здания и выделяет его на фоне остальной городской застройки.

Вращение. Пример -- жилой дом Suite Vollard в Бразилии архитектора Бруно де Франко (рис.3). Это одно из первых в мире зданий, этажи которого вращаются независимо друг от друга на 360 градусов. Всего в доме одиннадцать таких подвижных этажей, которые совершают полный круг за один час. Этаж может следовать за солнцем с востока на запад.

Рис. 2. Галерея Sperone Westwater (Норман Фостер, США, 2010) [7]

Рис. 3. Жилой дом Suite Vollard (Бруно де Франко, Бразилия, 2004) [7]

Апартаменты площадью 268 м², занимают весь этаж, и внутри разделены на четыре сектора, которые соединены с неподвижной центральной осью.

Движение деформируемых архитектурных элементов. Играют важную роль в мелкомасштабных движениях. Пространственные преобразования являются результатом движения внутренних элементов или самого материала. В зависимости от конкретных свойств и комбинаций используемых материалов, они разделяются на: мягкие, гибкие и эластичные тела. динамический адаптация архитектура природный

Материалы, которые необратимо деформируются под действием силы, редко используются в адаптивной архитектуре. Выставочный павильон «One Ocean», спроектированный архитектурной студией «Soma», стал примером использования движения деформируемых элементов (рис.4).

На крыше павильона расположено сто восемь вертикальных пластин, контролирующих проникновение солнечного тепла, открывающихся и закрывающихся в разном порядке после захода солнца. Боковины фасада («жабры») созданы из усиленного полимерного стекловолокна -- материала, обладающего высокой прочностью и низкой жесткостью на изгибе. Два мотора, управляемые компьютером, приводят элементы в движение.

Рис. 4. Павильон «One Ocean» (студия «Soma», Южная Корея, 2012) [8]

Пневматические формы. Плоские деформируемые материалы могут быть преобразованы в трехмерные объекты за счет наполнения газом под давлением. Спущенные пневматические формы занимают небольшой объем и незначительное пространство. В надутом состоянии они приобретают желаемую пространственную форму [5]. К таким примерам можно отнести офисный комплекс Media- TIC, спроектированный архитектурным бюро Cloud 9 (рис.5).

Рис. 5. Офисный комплекс Media-TIC (бюро Cloud 9, Испания, 2011) [8]

Здание является одним из самых инновационных офисных комплексов в мире. Применение технологий динамических солнечных фильтров из материала ETFE (этилентетрафторэтилен) -- на 55% снижает выброс CO². Уникальная система фасадов -- лепестки-полости из пластиковой ETFE-пленки, в которые накачивается воздух, позволяют снижать ветровую нагрузку, а если в них подается газ -- становятся «антисолнечными шторами». Все инженерные системы полностью автоматизированы и работают на основании информации, поступающей от специальных датчиков, размещенных по всему зданию.

Движение гибких архитектурных элементов. Гибкие архитектурные элементы могут постоянно изменять форму. Такие элементы можно разделить на два типа: линейные и плоские элементы (рис.6).

Рис. 6. Типы движения гибких архитектурных элементов

Линейные примеры включают волокна, шнуры или веревку; плоские примеры включают ткани. Текстиль является чрезвычайно легким и гибким по отношению к площади покрытия, хорошо подходит для создания сильных визуальных и пространственных разграничений [10]. Примером использования текстиля в динамических формах является Curtain Wall House, разработанного Шигеру Баном для размещения студии. Трехэтажное сооружение возведено в Итабаси - пригороде Токио. Дом - почти квадратный в плане на тонких колонках, проходящих все этажи насквозь. Плиты перекрытия над первым и третьим этажом резко выдаются за границы квадрата до красных линий остроугольного пересечения улиц, образуя веранду. По краю крыши устроен раздвижной занавес, которым можно закрыть веранду по периметру, тем самым регулирую освещение и вентиляцию помещений. Визуальный облик здания регулируется различной степенью открытости занавеса.

3. Элементы адаптивной архитектуры

Динамическая архитектура состоит из ряда взаимосвязанных элементов: динамических структур и соединений, приводов, материалов и систем управления (рис. 7). При перемещении архитектурных элементов не требуется, чтобы они все компоненты приводились в движение [4].

Рис. 7. Основные элементы адаптивной архитектуры

Динамические структуры. В эволюции от статических форм к динамическим формам в архитектуре, подвижные структуры стали более легкими и подвижными, активными и менее ограниченными.

Наиболее ярко такие структуры проявляются в мостовых конструкциях. Перемещение мостов является еще одним примером того, как принципы динамики и адаптации используются для различных видов строительства, например, в поворотных и разводных мостах.

Также примером подвижных структур являются динамические крыши. С 1970-х годов, они все чаще используются как временная защита от погодных условий для стадионов или бассейнов. Инновационная концепция крыши была разработана как часть конструкции для Теннисного центра в Шанхае. Конструкция крыши здания включает восемь отдельных элементов, которые при перемещении регулируют освещенность теннисных кортов.

Динамические соединения. Для облегчения динамики между двумя несущими элементами, необходимы независимые компоненты, подшипники или шарниры. Существует несколько видов шарнирных соединений, которые могут передвигать и вращать отдельные элементы. Сочетание обоих движений, которые могут допускать до пяти степеней свободы [10].

Приводы. Устройство, которое перемещает динамические элементы, соединенные с источником питания. Приводы отвечают за движение тела в соответствии с данными системы управления.

Приводы зависят от давления: гидравлические и пневматические поршни -- производят линейное движение [2].

Материалы. Выбор материалов, непосредственно связан с динамикой структурной системы. Гибкие и легкие материалы: сталь, пластмасса или интеллектуальные материалы, дают возможность создавать сложные динамические структуры [8].

Металл - часто используются в адаптивных фасадах из-за их механических свойств, таких как: пластичность, высокая прочность, твердость.

Полимер - характеризуются малой плотностью (0,85-1,8 г/см³), чрезвычайно низкими электрической и тепловой проводимостями, и они дешевле любого другого материала. Пластмассы легко могут менять свою форму, поэтому часто используются в фасадах с большим количеством динамических элементов.

Дерево - по коэффициенту конструктивного качества мало уступает стали. Использование клееных конструкций сняло естественное ограничение древесины - длину ствола. Массивные деревянные конструкции достаточно огнестойки и превосходят незащищенные стальные конструкции.

Углеродное волокно - материал, состоящий из тонких нитей, образованных преимущественно атомами углерода. Углеродные волокна характеризуются высокой силой натяжения, низким удельным весом и коэффициентом температурного расширения. Это позволяет создавать крупномасштабные динамические формы.

Природные материалы: полоски из натуральных материалов, таких как бамбук, хлопок, бумага или кожа, могут использоваться для адаптации внутреннего пространства здания. При помощи натуральных материалов чаще всего создаются динамические перегородки.

Система управления. Набор устройств, которые управляют или регулируют поведение других устройств или систем. Такие системы используются для управления оборудованием или машинами [2]. Объектом управления может быть любая динамическая система или её модель. Система управления состоит из двух элементов:

- системы ввода: это сенсоры и датчики, которые дают различную информацию об окружающей среде. Существует несколько режимов: ручной ввод, датчики и детекторы, ручное программирование.

- контроллеры: это компьютеры, которые отслеживают движение динамических элементов от системы ввода и буфера с приводами и перемещают динамические структуры. Существует три режима систем управления: внутренние, внешние и комбинированные системы управления.

Заключение

Главная задача движения в адаптивной архитектуре заключается во взаимодействии с изменениями окружающей среды, таким как: освещенность, ветер, звук. Многие из динамических концепций и проектов указывают на изменение методов проектирования фактического движения в адаптивной архитектуре в будущем.

Для адаптации здания необязательно применять динамические принципы в крупных элементах (этажах, секциях), перемещение небольших элементов обеспечит достаточную адаптацию здания к природно-климатическим условиям. Современное отсутствие динамики в архитектуре происходит из-за сложности конструкции, высокой стоимости и трудностей в реализации. Однако, развитие материалов, технологий и конструкций делает использование динамики в зданиях с каждым годом все доступнее. Динамические формы является не только дополнением архитектурной эстетики, но и играет важную роль в ее развитии в целом.

Библиографические ссылки на источники

1. Керешун А.И. // Возможности интерактивной архитектуры // Статья [Электронный ресурс]. - URL:http://book.uraic.ru/project/conf/txt/005/ archvuz14_pril/22/template_article-ar=K21-40-k28.htm (дата обращения: 15.12.2017)

2. Красовский А. А. Динамика непрерывных самонастраивающихся систем. М. 1963

3. Механика // Википедия - свободная энциклопедия [Электронный ресурс] URL:https://ru.wikipedia.org/wiki (дата обращения: 15.12.2017)

4. A. Naseem, The Equilibrium in Architecture, Cairo University, Egypt, 2002.

5. H. Sakeek, Mechanics Principles and Applications, 2006, http://www.hazemsakeek.net/Physics_Lectures

6. J. Meriam, Engineering Mechanics: Dynamics, Wiley & Sons, USA, 1998.

7. J. Moloney, Designing Kinetics for architectural facades, Routledge, USA, 2011.

8. K. Chai, The Design and Construction of Interactive Architectural Environments: The Digital Mile, Department of Mechanical Engineering, MIT, USA, 2006.

9. M. Asefi, Transformable and Kinetic Architectural Structures, VDM Verlag Dr. Muller, Germany, 2010.

10. M. Schumacher, O. Schaeffer, M. Vogt, Move: architecture in motion-dynamic components and elements, Birkhauser, Germany, 2010.

Abstract

Dynamic forms in adaptive architecture

Karpova T. A., Dorofeeva N. N.

PNU, Khabarovsk, Russia

In recent years, the industry of dynamic conceptual designing has developed. Most modern research is aimed at adapting the architecture to the effects of the environment. One of the adaptation methods is the method of transforming the architectural form, which does not require direct human participation. The article analyzes dynamic motion technologies and their role in the development of the adaptive architecture.

Keywords: dynamic systems, interactive technologies, materials, adaptive architecture.

Размещено на Allbest.ru