Метод бионического конструирования в архитектурном проектировании
Введение
В прошлом природные формы нередко служили объектом для подражания архитекторов, которые интуитивно заимствовали те или иные черты природных объектов для своих сооружений. Это объясняется тем, что каждый природный объект имеет определенную гармоничную форму, причем эта форма всегда оправдана функционально. Следование природным формам позволяет не только создать эстетически привлекательное сооружение, но и в определенной степени обеспечить ему необходимую прочность, устойчивость, надежность и другие необходимые свойства. Существует множество прочных и красивых пространственных природных систем, таких как, раковины моллюсков, скелеты морских ежей, панцири насекомых, скорлупа птичьего яйца и многие другие.
Еще в Древней Греции геометрия считалась одним из разделов архитектуры. Не исчезла связь архитектуры с математикой и в наши дни. Современный архитектор, помимо непосредственно архитектурных дисциплин, должен знать аналитическую геометрию и математический анализ, владеть методами математического моделирования, разбираться в основных законах механики.
Исследования, проведенные в данной работе, показали, что для многих природных форм, как и для объектов архитектуры, можно подобрать подходящую аналитическую поверхность, описывающую ту или иную форму [1]. Были изучены формы некоторых архитектурных сооружений, найден для них природный аналог и подобрана подходящая аналитическая поверхность. Для большинства аналитических поверхностей в [1] имеются соответствующие уравнения, поэтому сооружения, спроектированные на основе такого подхода, могут быть построены грамотно и надежно, не только радуя глаз окружающих, но и соответствуя всем необходимым требованиям, предъявляемым к зданиям и сооружениям с точки зрения их прочности, жесткости и устойчивости.
1. Понятие архитектурной бионики
Архитектурная бионика, также Био-тек, – архитектурный стиль, основанный на использовании в архитектуре принципов бионики – прикладной науки о применении в технических устройствах и системах принципов организации, свойств, функций и структур живой природы.
1.2 Исторические сведения
Понятие «бионика» (от греч. «биос» – жизнь), появилось в начале ХХ в. В глобальном смысле оно обозначает область научного знания, основанную на открытии и использовании закономерностей построения естественных природных форм для решения технических, технологических и художественных задач на основе анализа структуры, морфологии и жизнедеятельности биологических организмов. Название было предложено американским исследователем Дж. Стилом на симпозиуме 1960 года в г. Дайтоне – «Живые прототипы искусственных систем – ключ к новой технике», – в ходе которого было закреплено возникновение новой, неизведанной области знания. С этого момента перед архитекторами, дизайнерами, конструкторами и инженерами возникает ряд задач, направленных на поиск новых средств формообразования.
В СССР к началу 1980 гг., благодаря многолетним усилиям коллектива специалистов лаборатории ЦНИЭЛАБ, просуществовавшей до начала 1990 гг., архитектурная бионика окончательно сложилась как новое направление в архитектуре. В это время выходит итоговая монография большого международного коллектива авторов и сотрудников этой лаборатории под общей редакцией Ю. С. Лебедева «Архитектурная бионика» (1990 г.)
Таким образом, период с середины ХХ в. по начало ХХI в. в архитектуре ознаменовался повышением интереса к сложным криволинейным формам, возрождением, уже на новом уровне, понятия «органическая архитектура», своими корнями уходящего в конец XIX – начало XX века, к творчеству Л. Салливана и Ф. Л. Райта. Они считали, что архитектурная форма, как и в живой природе, должна быть функциональной и развиваться как бы «изнутри наружу».
Био-тек использовался в советской архитектуре (как одно из направлений советского архитектурного модернизма), его основные положения, методы и задачи были сформулированы архитектором Ю. С. Лебедевым.
1.2 Подходы и задачи
Основным методом архитектурной бионики является метод функциональных аналогий, основанный на сопоставлении принципов и средств формообразования живой природы и архитектуры. Основным практическим методом как бионики в целом, так и бионической архитектуры в частности, является моделирование, при этом в моделях, связанных с архитектурно-строительными задачами, сооружения и их обитатели рассматриваются как единая биотехническая система, живые и неживые элементы которой объединены общей целевой функцией.
Одной из задач, которые ставит перед собой архитектурная бионика, заключается в формировании гармоничного единства архитектуры и живой природы. Другая задача этого направления современной архитектуры – создание таких архитектурных форм, которые отличались бы красотой и гармонией, свойственной живой природе, и, одновременно, были бы функционально оправданы. Кроме того, для био-тека актуальным является поиск таких архитектурно-технических решений, которые позволяли бы использовать экологически чистые виды энергии – энергию солнца, ветра.
Одним из направлений исследовательской работы в СССР в области архитектурной бионики стало создание архитектурных проектов (особенно проектов мобильных зданий и сооружений) для районов с экстремальными климатическими условиями – на Крайнем Севере, в пустынных и горных местностях.
Архитектурная бионика находится в процессе становления, теория и исследовательские вопросы био-тека преобладают над градостроительной практикой. Главное внутреннее противоречие архитектурной бионики состоит в том, что консервативная прямоугольная планировка и конструктивная схема зданий противостоят биоморфным криволинейным формам, оболочкам и самоподобным фрактальным формам; в связи с этим одной из основных задач био-тека является экономически оправданное и эстетическое приемлемое решение этого противоречия.
Среди направлений исследований и экспериментов в архитектурной бионике можно выделить следующие:
Общая теория и методология архитектурной бионики.
Биоматериаловедение – изучение свойств биоматериалов и создание на их основе новых строительных материалов.
Биотектоника – изучение закономерностей, форм и строения живой материи с целью создания новых архитектурных конструкционных форм.
Бионическая архитектура – исследования с целью создания зданий и сооружений на основе «мудрости, логики и интуиции» живой природы.
Архитектурно-бионическая цитология – исследования и эксперименты в области применения в человеческой практике знаний о строении живой клетки и клеточных структур.
Бионическая урбанистика – исследования в области использования закономерностей живой природы в градостроительстве, а также и на более крупных территориях, чем отдельно взятые города.
Бионическая инфраструктура – исследования по применению бионики в области организации современной градостроительной инфраструктуры.
Архитектурно-бионическая экология – исследования в области обеспечения экологического равновесия архитектуры и природы [1].
1.3 Проблема гармонического симбиоза архитектурной и природной среды
Технократическое развитие последних десятилетий давно подчинило себе образ жизни человека. Шаг за шагом человечество вышло из своей экологической ниши обитания на планете. Фактически, мы стали жителями искусственной «природы», созданной из стекла, бетона и пластика, совместимость которой с жизнью природной экосистемы неуклонно стремится к нулю. И чем сильнее искусственная природа захватывает живую, тем более явственной становится потребность человека в естественной, природной гармонии. Наиболее вероятным способом возврата человечества «в лоно природы», восстановления равновесия между двумя мирами является развитие современной бионики.
Архитектурная бионика – это инновационный стиль, берущий все самое лучшее от природы: рельефы, контуры, принципы формообразования и взаимодействия с окружающим миром. Во всем мире идеи бионической архитектуры успешно воплощены известными архитекторами: небоскреб-кипарис в Шанхае, Сиднейская опера в Австралии, здание правления NMB Bank – Нидерланды, учебный центр Rolex и музей плодов – в Японии.
Во все времена существовала преемственность природных форм в архитектуре, созданной человеком. Но, в отличие от формалистского подхода прошлых лет, когда архитектор просто копировал природные формы, современная бионика опирается на функциональные и принципиальные особенности живых организмов – способность к саморегуляции, фотосинтез, принцип гармоничного сосуществования и т. д. Бионическая архитектура предполагает создание домов, являющихся естественным продолжением природы, не вступающих с ней в конфликт. Дальнейшее развитие бионики предполагает разработку и создание экодомов – энергоэффективных и комфортных зданий с независимыми системами жизнеобеспечения. Конструкция такого здания предусматривает комплекс инженерного оборудования. При строительстве используются экологичные материалы и строительные конструкции. В идеале, дом будущего – это автономная самообеспечивающаяся система, органично вписывающаяся в природный ландшафт и существующая в гармонии с природой. Современная архитектурная бионика практически слилась с понятием «экоархитектура» и напрямую связана с экологией.
1.4 Формообразование, переходящее из живой природы в архитектуру
Каждое живое существо на планете является совершенной работающей системой, приспособленной к окружающей среде. Жизнеспособность таких систем – результат эволюции многих миллионов лет. Раскрывая секреты устройства живых организмов, можно получить новые возможности в архитектуре сооружений.
Формообразование в живой природе характеризуется пластичностью и комбинаторностью, разнообразием как правильных геометрических форм и фигур – окружностей, овалов, ромбов, кубов, треугольников, квадратов, различного рода многоугольников, так и бесконечным множеством чрезвычайно сложных и удивительно красивых, легких, прочных и экономичных конструкций, созданных в результате комбинирования этих элементов. Подобные структуры отражают сложность и многоэтапность эволюции развития живых организмов.
Основными позициями для изучения природы в ракурсе архитектурной бионики являются биоматериаловедение и биотектоника.
Объектом изучения в биоматериаловедении являются различные удивительные свойства природных структур и их «производных» – тканей животных организмов, стеблей и листьев растений, нитей паутины, усиков тыкв, крыльев бабочки и т.п.
С биотектоникой все сложнее. В этой области знания исследователей интересуют не столько свойства природных материалов, сколько сами принципы существования живых организмов. Главные проблемы биотектоники заключаются в создании новых конструкций на основе принципов и способов действия биоконструкций в живой природе, в осуществлении адаптации и роста гибких тектонических систем на основе адаптации и роста живых организмов.
В архитектурно-строительной бионике большое внимание уделяется новым строительным технологиям. Так в области разработок эффективных и безотходных строительных технологий перспективным направлением является создание слоистых конструкций. Идея заимствована у глубоководных моллюсков. Их прочные ракушки состоят из чередующихся жестких и мягких пластинок. Когда жесткая пластинка трескается, то деформация поглощается мягким слоем, и трещина не идет дальше.
1.5 Технологии архитектурной бионики
Приведем в пример несколько наиболее распространенных современных направлений разработки бионических зданий.
1. Энергоэффективный Дом – сооружение с низким потреблением энергии или с нулевым потреблением энергии из стандартных источников (Energy Efficient Building).
2. Пассивный Дом (Passive Building) – сооружение с пассивной терморегуляцией (охлаждение и отопление за счет использования энергии окружающей среды). В таких домах предусмотрено применение энергосберегающих строительных материалов и конструкций и практически отсутствует традиционная отопительная система.
3. Биоклиматическая архитектура (Bioclimatic Architecture). Одно из направлений в стиле hi-tech. Главный принцип биоклиматической архитектуры - гармония с природой: «… чтобы птица, залетев в офис, не заметила, что она внутри него». В основном, известны многочисленные биоклиматические небоскребы, в которых наравне с заградительными системами, активно применяется многослойное остекление (double skin technology) обеспечивающее шумоизоляцию и поддержку микроклимата вкупе с вентилляцией.
4
Зарегистрируйся, чтобы продолжить изучение работы
. Умный Дом (Intellectual Building) – здание, в котором при помощи компьютерных технологий и автоматизации оптимизированы потоки света и тепла в помещениях и ограждающих конструкциях.
5. Здоровый Дом (Healthy Building) – здание, в котором, наряду с применением энергосберегающих технологий и альтернативных источников энергии, приоритетными являются природные строительные материалы (смеси из земли и глины, дерево, камень, песок, и т. д.) Технологии «здорового» дома включают системы очистки воздуха от вредных испарений, газов, радиоактивных веществ.
1.6 История использования архитектурных форм в архитектурной практике
Архитектурная бионика возникла не случайно. Она явилась результатом предшествующего опыта использования в том или ином виде (чаще всего – ассоциативном и подражательном) определенных свойств или характеристик форм живой природы в архитектуре – к примеру, в гипостильных залах египетских храмов в Луксоре и Карнаке, капителях и колоннах античных ордеров, интерьерах готических соборов.
К бионической архитектуре зачастую относят здания и архитектурные комплексы, которые органично вписываются в природный ландшафт, являясь как бы его продолжением. К примеру, такими можно назвать сооружения современного швейцарского архитектора Петера Цумтора. Наравне с натуральными строительными материалами, он работает с уже существующими природными элементами – горами, холмами, газонами, деревьями, практически не видоизменяя их. Его сооружения словно растут из земли, а, порой, настолько сливаются с окружающей природой, что их не сразу можно обнаружить. Так, например, термы в Швейцарии со стороны кажутся просто зеленой площадкой.
С точки зрения одной из концепций бионики – образа эко-дома, – к бионической архитектуре можно отнести даже привычные нам деревенские дома. Они созданы из натуральных материалов, а структуры деревенских поселков всегда были гармонично вписаны в окружающий ландшафт (верхняя точка поселка – церковь, низина – жилые дома).
Возникновение данной области в истории архитектуры всегда связано с какой-либо технической новацией: так, зодчий итальянского Возрождения Ф. Брунеллески в качестве прототипа для конструирования купола Флорентийского собора взял скорлупу яйца, а Леонардо да Винчи копировал формы живой природы при изображении и конструировании строительных, военных и даже летательных аппаратов. Принято считать, что первым, кто начал изучать механику полета живых моделей «с бионических позиций», был именно Леонардо да Винчи, который пытался разработать летательный аппарат с машущим крылом (орнитоптер).
Успехи строительной техники в ХIХ–ХХ вв. породили новые технические возможности для интерпретации архитектуры живой природы. Это нашло свое отражение в произведениях многих архитекторов, среди которых, безусловно, выделяется Антонио Гауди – зачинатель широкого использования биоформ в архитектуре ХХ в. Спроектированные и построенные А. Гауди жилые здания, монастырь Гюэль, знаменитый «Sagrada Familia» (Собор Святого Семейства, высота 170 м) в Барселоне и ныне остаются и непревзойденными архитектурными шедеврами и, одновременно, наиболее талантливым и характерным примером ассимиляции архитектурных природных форм – их применения и развития.
А. Гауди считал, что в архитектуре, как и в природе, нет места копированию. В результате его сооружения поражают своей сложностью – вы не найдете в его постройках двух одинаковых деталей. Его колонны изображают стволы пальм с корой и листьями, лестничные поручни имитируют завивающиеся стебли растений, сводчатые перекрытия воспроизводят кроны деревьев. В своих творениях Гауди использовал параболические арки, гипер-спирали, наклонные колонны и т.д., создавая архитектуру, геометрия которой превосходила архитектурные фантазии и зодчих, и инженеров. Одним из первых А. Гауди использовал также и биоморфологические конструктивные свойства пространственно-изогнутой формы, которая была воплощена им в виде гиперболического параболоида небольшого лестничного пролета из кирпича. При этом Гауди не просто копировал объекты природы, но творчески интерпретировал природные формы, видоизменяя пропорции и масштабные ритмические характеристики.
Несмотря на то, что смысловой ряд протобионических построек выглядит достаточно внушительно и оправданно, некоторые специалисты считают архитектурной бионикой только те здания, которые не просто повторяют природные формы или созданы из естественных природных материалов, а содержат в своих конструкциях структуры и принципы живой природы.
Эти ученые скорее назвали бы протобионикой такие постройки как 300-метровая Эйфелева башня инженера-мостовика А. Г. Эйфеля, которая в точности повторяет строение большой берцовой кости человека, проект моста архитектора П. Солери, напоминающий свернутый лист злака и разработанный по принципу перераспределения нагрузок в стеблях растений.
В России законы живой природы также были заимствованы для создания некоторых архитектурных объектов «доперестроечного» периода. Примерами можно назвать Останкинскую радиотелевизионную башню в Москве, Олимпийские объекты – велотрек в Крылатском, мембранные покрытия крытого стадиона на проспекте Мира и универсального спортивно-зрелищного зала в Ленинграде, ресторан в Приморском парке Баку и его привязка в г. Фрунзе – ресторан «Бермет» и другие.
1.7 Направления применения бионического подхода в архитектуре и строительстве
Биология была источником поиска решений инженерных проблем в науке с момента возникновения жизни на земле. Дизайн и функции растений и животных менялись в процессе эволюционного отбора маленькими шажками в течение миллионов лет. В силу длительности процесса эволюции, эта тенденция естественного поиска решений не в полной мере вписывается в современные темпы научного прогресса в инженерии.
Временные рамки могут быть разными, но конструктивные ограничения и цели применения бионического подхода достаточно схожие: функциональность, оптимизация и экономичность. Поэтому, неудивительно, что машиностроение всегда черпает вдохновение в процессе изучения биологических структур и часто вдохновляются ими. Поэтому мы можем оценить их эстетические атрибуты, а также их технические характеристики и дизайн. Бионика как научная дисциплина занимается технической трансформацией и применением структур, процедур и принципов биологического развития систем.
Изначально слово «бионика» происходит от терминов «био» и техники. В наше время, это слово более широко используется для молодой междисциплинарной области исследований, которая объединяет биологию с науками технического профиля, например, архитектура и математика. Природа, с ее большим разнообразием эффективных структур, может быть использована в качестве источника стимуляции возможных экологически безопасных и эргономичных решений проблем. Примеры в природе могут стать креативным элементом в процессе поиска конструктивных решений проблемы. Правила биологической эволюции используются для определения цели и принципов функционирования структур и организаций, а также для создания модели для поиска решений.
Бионический подход может рассматриваться как сокращение разрыва между техногенным миром и природой. Существуют примеры, которые иллюстрируют, как технологические решения были разработаны на основе аналогий, или моделей биологических систем (например, липучка, Эйфелева башня и т. д.). Бионическая инженерия – это инновационное моделирование или изучение природы.
Можно сказать, что бионика – это система проектирования, основанная на поиске приемлемых для человека решений проблем и задач, используя естественные принципы. Она позволяет инженерам использовать это творчество в развитии материалов, конструкций и процессов. Многие старые изобретения берут за основу изучение естественных механизмов. Используемые структуры в природе, играют важную роль для моделирования на микро- и макроуровнях. Нет строгой процедуры для определения того, какой организм или живая система являются наиболее подходящими. Это означает, что существует потребность в разработке методологии формализации процесса.
Исторически сложилось так, что, глядя через призму бионического подхода к проектированию зданий и сооружений дизайнер видит в природе прототип, модель, которую он может использовать в той или иной мере в своей работе. Бионика делится на разные категории по разным параметрам. Например, предлагается разделять бионику на две категории: микро-бионика и макро-бионика [2]. Независимо от этой категоризации, в процессе реализации системного бионического проекта, основные объекты исследования – это живые организмы и проектные идеи. Это является важным аспектом в развитии мостостроения, с тех пор как внимание дизайнеров было обращено в сторону живых организмов.
Макро-бионический дизайн опирается преимущественно на внешний облик и на структуру прототипов в природе. Таким образом, дизайнеры могут использовать бионические идеи в разных вариациях – в формировании общей структуры, отдельных элементов моста, или связанной с мостом инфраструктуры. Зачастую в процессе проектирования современных инновационных мостов используются как статические состояния животных и растений, так и их динамические характеристики. В то же время, в процессе оптимизации эстетического облика моста, дизайнеры могут имитировать внешний облик определенных природных прототипов. В то время, как макро-аспект природного мира может вдохновить инженера в процессе проектирования, в микро-аспекте, функции и механизмы, происходящие внутри организма, могут так же быть огромным ресурсом для проектирования и оптимизации мостов.
Микро-бионическое проектирование подразумевает внедрение внутренней части системы живого организма в проект моста. Возможность живых организмов к адаптации и саморегуляции – природная концепция, используемая инженерами-мостостроителями; например, сопротивление ветровой нагрузке, сейсмоустойчивость, экологически-рациональное проектирование. Что же касается улучшения гидрологических исследований, мы можем взять за пример гидромеханику рыбы. Как в целом, так и в частных случаях, структура мостов может так же проектироваться и оптимизироваться на основе некоторых биотических функций.
В процессе бионического проектирования средового объекта можно опираться на идеи таких ученых, как В. Темнов, который отмечает важность интеграции строящегося объекта на основе социального, экологического, эстетического осмысления с учетом ресурсосбережения в аспектах полезности, прочности, красоты. При этом, форма и структура утилитарного пространства должны выбираться из соображений практичности (пользы и прочности), комфорта и художественно-эстетического качества, с позиции дизайнерского стиля [3].
Предлагая ряд расчетов, автор опирается на законы механики и строительной физики, открывающие неограниченные возможности в выборе форм и структур утилитарного пространства в процессе создания проектов, в том числе на основе бионического подхода. Этот подход позволяет не только эргономично организовать пространство, но и вложить эстетическую составляющую в дизайнерский проект. Так же важно создать такой проект, чтобы будущие конструкции не оказывали губительного влияния на окружающую природу, равно как минимизировали использование природных ресурсов для обеспечения собственной жизнеспособности.
Разработка вариантов проектных решений средового объекта с учетом его будущей функциональности, конструктивно-композиционных решений и эстетического облика может проводиться на базе успешно применяемых в практике проектирования программных комплексов: AutoCAD, ArchiCAD, Nemetsсhek и других современных программных средств САПР.
2. Основные методы бионического проектирования
Бионическая архитектура, это новое направление на возникновение которого повлияла всеобщая экологизация архитектуры, глобализация природных проблем, а также появившиеся новые возможности благодаря разработкам в области инженерного оборудования и синтетической биологии, которые применимы в строительстве. Для изучения феномена этого направления было проведено структурирование уже существующих объектов архитектуры и выявлены методы создания бионической архитектуры, изучая которые можно определить принципы и критерии этого направления [4].
Методы бионической архитектуры:
Прямое копирование (1 этап становления бионической архитектуры).
Метод ассоциаций (2 этап становления бионической архитектуры).
Аналоговый метод «природных технологий» (3 этап становления бионической архитектуры).
Метод концептуальной прогрессии.
Метод воспроизведения живых форм.
2.1 Прямое копирование
Прямое копирование – это метод бионической архитектуры в основу которого заложены принципы восприятия природных объектов как образца для воспроизведения архитектурного объекта
50% реферата недоступно для прочтения
Закажи написание реферата по выбранной теме всего за пару кликов. Персональная работа в кратчайшее
время!
Задать вопрос
на новый заказ в Автор24. Это бесплатно.
