Предисловие: в прошлом году мы с Сергеем Дмитриевым выпустили онлайн курс, посвященный изучению Grasshopper. И, в рамках подготовки к этому курсу, записали несколько интервью с людьми, кто активно использует Grasshopper в своей практике.
Дарья Ковалева: архитектор, научный сотрудник Института Легких Конструкций (ILEK) Университета Штутгарта. Занимается исследованиями в области легких конструкций из бетона, объединяя в своей работе концептуальное проектирование, производственные процессы и работу с материалом в поисках баланса между техникой и эстетикой в архитектуре.
Насколько я знаю, первые твои эксперименты, когда ты стала использовать алгоритмы в работе, связаны с инсталляциями из текстиля. Расскажи о том, как они создавались
Немного предыстории… Еще на дипломной студии в МАРХИ в 2009 г. я впервые столкнулась с алгоритмическим подходом к проектированию, когда мы изучали природные процессы формообразования, а затем создавали свои физические модели. Это был мой первый опыт не образного или композиционного, а скорее процессуального (алгоритмического) подхода к созданию формы. Особенно поражало то, что в природе форма всегда является результатом определенных физических процессов и визуализирует состояние системы в определённый момент времени. Более того, любая механическая система, изменяясь, стремится прийти к равновесию с наименьшими затратами энергии. Воспроизведение физических процессов, лежащих в основе всех биологических явлений, давно применяется в технических дисциплинах, в том числе и в задачах оптимизации (экстремумы функции, уравнения цепной линии, и т.п.). В архитектуре данные методы нашли отражение в творчестве Антони Гауди, а позже получили широкое распространение благодаря работам Фрая Отто в Институте Легких Конструкций (IL, Германия) по нахождению формы (form-finding) тентовых оболочек путем экспериментов с мыльными пленками.
Вдохновившись вышеописанными примерами уже после выпуска из МАРХИ мне было интересно ощутить опыт создания пространства, полученного такими методами. Это привело в 2010-12-х гг. к созданию серии текстильных инсталляций совместно с архитекторами Сережей Неботовым и Женей Шириняном. Первой из них стала инсталляция Continuum, придуманная нами к фестивалю Артерия 2010 в Зеленогорске.
Инсталляция Continuum, Зеленогорск, 2010. © PARALAB. Фото: Алиса Гиль
За пространственную основу мы взяли периодическую минимальную поверхность Гироид. Такие поверхности, обладающие минимальной площадью на заданном контуре, являются аналогами природных мыльных пленок и могут быть описаны математическими уравнениями. При всей своей топологической сложности они, как правило, состоят из однотипных элементов, соединенных между собой в непрерывную гладкую поверхность путем их простого перемещения, поворота и отражения. В нашем случае гипотеза заключалась в том, что, если форма мыльной пленки получается в результате нахождения «наиболее удобного» состояния системы, гладкая поверхность определённой топологии получится при растяжении сшитых между собой в определенной последовательности плоских выкроек из лайкры путем натяжения ткани. В результате были подготовлены 20 одинаковых шестиугольных выкроек, соответствующих элементам поверхности в масштабе 1:2, которые были сшиты между собой, растянуты и закреплены равномерно в трех направлениях (пол, потолок, стены), приняв в результате форму искомой поверхности.
Инсталляция Continuum. Построение модели минимальной поверхности Гироида. © PARALAB
По такому же методу были впоследствии созданы и другие инсталляции. При этом на начальных этапах мы использовали цифровые инструменты Rhino/Grasshopper в основном для моделирования самих поверхностей и раскладки деталей для резки. Позднее, когда мы начали придумывать более сложные поверхности, не сводимые к конкретным математическим моделям, мы начали использовать плагин Kangaroo Physics для симуляции растяжения ткани с помощью масс-пружинных систем. Так мы получали цифровую модель растянутой поверхности, по которой уже могли с достаточно высокой точностью оценить характер создаваемого пространства и подготовить соответствующие выкройки для производства.
Модель текстильной инсталляции для павильона «Руина» (МУАР), созданная в Kangaroo Physics, 2012. © PARALAB
Знакомство с Kangaroo (модуль в Grasshopper, прим ред.) и возможность симулировать физические процессы в цифровой среде кардинальным образом изменили мое представление о потенциале цифровых методов проектирования, выходящих далеко за пределы исключительно геометрических построений и преобразований, характерных для многих чертежных и модельных программ, которыми обычно пользуются архитекторы.
Одно из мест, где ты работаешь – институт легких конструкций (ILEK). Наверное, многим нашим слушателям будет интересно, что вообще такое легкие конструкции, можешь раскрыть для нас это понятие и рассказать, почему важно применять легкие конструкции с точки зрения воздействия процессов строительства и производства на окружающую среду?
Функция любой конструкции – выдерживать определённые нагрузки. При этом ее собственный вес является «необходимым злом». Чем меньше отношение собственного веса конструкции к временным нагрузкам, тем она легче. В принципе, при проектировании любой конструкции инженер стремится к нахождению определенного оптимума. Еще до появления теоретических методов расчета (середина XIX в.), и тем более цифровых (вторая половина XX в.), зодчие интуитивно, а иногда и случайно приходили к рациональным конструктивным решениям, что иллюстрирует множество выдающихся произведений архитектуры от древнего Рима до эпохи Возрождения. Затем на смену опыту и интуиции пришли аналитические методы расчетов, а пионером легких конструкций можно считать выдающего инженера В.Г. Шухова, целенаправленно выводившего оптимальную форму конструкций минимального веса путем решения систем уравнений. Позднее школа легких конструкций (Leichtbau), как явление, сформировалась в послевоенной Германии, благодаря работе выдающихся инженеров и архитекторов Фрица Леонхарда, Фрая Отто, Йорга Шлайха и Вернера Зобека. В основу проектирования легких конструкций, как и у Шухова, легло нахождение такой формы конструкции, при которой она выдерживает заданные нагрузки при минимальном весе. А основополагающие критерии легкости включали в себя преобладание осевых усилий (растяжения или сжатия), приоритет растяжения при перекрытии больших пролетов, а также исключение изгибающих моментов. Несмотря на то, что в легких конструкциях используется меньше материала, технологически они сложнее и зачастую сегодня приносятся в жертву более простым в исполнении и, соответственно, дешевым системам. Тем не менее в свете усугубляющегося кризиса мировых природных ресурсов и загрязнения строительной отраслью окружающей среды потребность в легких конструкциях актуальна сегодня как никогда. А параллельно с развитием доступных и надежных цифровых методов проектирования и производства есть все предпосылки для того, чтобы легкие конструкции получили более широкое распространение и вошли в инструментарий не только инженеров, но и архитекторов.
Чем именно ты занимаешься в ILEK? И какие вообще проекты осуществляет институт?
В институте я занимаюсь исследованиями в области функционально-градиентных бетонных структур по принципам легких конструкций, где бетон используется более экономно, только в тех местах, где он конструктивно необходим. Эти исследования принадлежат к более широкой области легких бетонных конструкций, которыми наш институт занимается более 15 лет. Основу исследовательской деятельности института составляет разработка проектных и производственных методов легких конструкций из различных материалов с акцентом на весь жизненный цикл объекта от проектирования до демонтажа и переработки. Более того, в институте проводятся разработки адаптивных конструкций и фасадных систем, которые путем интеграции сенсорных и активирующих механизмов способны адаптироваться к внешним воздействиям и позволяют дополнительно сэкономить материал. Такие конструкции мы называем ультралегкими (Ultraleichtbau).
Расскажи про проект Rosenstein Pavilion (ANIMA), это действительно впечатляющая конструкция, как она проектировалась и как создавалась в своём физическом воплощении?
Павильон Rosenstein представляет собой пористую бетонную оболочку и был реализован в 2017 г. для выставки "Строительная бионика - биология вдохновляет архитектуру" в рамках итоговой презентации результатов проекта, в котором наш институт принимал участие. Основная идея заключалась в демонстрации потенциала конструктивной оптимизации для архитектуры в условиях нарастающего кризиса природных ресурсов. Следуя принципам формообразования природных тканей, подверженных высоким нагрузкам (кости и панцири), материал оболочки был распределен в соответствии с возникающими в ней напряжениями под действием собственного веса. Для того, чтобы наглядно проиллюстрировать этот принцип для посетителей выставки, внутренняя работа конструкции была материализована в виде градуированной пористости.
Павильон Rosenstein. Музей природной истории, Штутгарт, 2017. Фото: © ILEK
Павильон был интегрирован в интерьер выставочного пространства неоклассического здания музея. Стоя на четырёх опорах на расстоянии 2.6 м., повторяющих шаг несущих элементов помещения, оболочка общей площадью 36 м² раскрывалась кверху в форме воронки, достигая высоты 3.5 м. Форма оболочки, конструктивный расчет, распределение пористости и разделение на отдельные элементы были разработаны в едином интерфейсе Rhino/Grasshopper c использованием плагинов Rhino Vault и Millipede. Затем, выполнялись проверочные расчеты в Sofistik, в том числе и на потерю устойчивости. В связи с временным характером выставки и транспортными ограничениями оболочка собиралась из 69-и отдельных сегментов исключительно на механических соединениях.
Павильон Rosenstein. Схема проектно-производственного процесса. © ILEK
Для производства отдельных сегментов двусторонние опалубки были отфрезерованы на ЧПУ станках с последующим армированием углеродными волокнами и литьем бетона. Благодаря вращательной симметрии оболочки, индивидуальными были только 18 сегментов (1/4 конструкции), а опалубки были использованы 4 раза. После окончания выставки павильон был собран еще 3 раза, в том числе в Берлине и в Мюнхене. Важно отметить, что работа над павильоном велась при непосредственном взаимодействии между архитекторами, конструкторами и инженерами-механиками, что еще раз указывает на интегральный характер архитектурного проектирования. Помимо технических характеристик, важной целью было также продемонстрировать эстетический потенциал процессов оптимизации, выходящих за пределы чисто технических дисциплин.
Этот проект вырос из исследования градиентных материалов, сейчас эти исследования продолжаются?
Работа над павильоном помогла прочувствовать, насколько большое количество проектных параметров необходимо учитывать в течение всего процесса от эскиза до монтажа. Каждое решение, принимаемое в проекте, включая выбор ресурсов, оборудования, проектных и производственных методов, во многом определяет не только формальную и техническую, но и экологическую составляющую проекта. Это побудило к дальнейшим исследованиям в области градиентных структур с большим фокусом на ресурсно-эффективные производственные процессы, в частности на разработку технологий производства безотходной опалубки, которой я занимаюсь в данный момент. Идея заключается в использовании таких материалов и методов производства, которые бы позволяли производить конструкции любой геометрической сложности без каких-либо отходов. На данный момент мы занимаемся автоматизацией производства водорастворимых песочных опалубок, которые можно будет производить на станках ЧПУ, а после литья и твердения бетона, растворять в воде и использовать заново.
Многие твои работы основаны на алгоритмическом подходе к проектированию, но в то же время, ты считаешь, что важно работать с материалом и макетами вживую, а не использовать только лишь компьютерные модели и симуляции. Расскажи, как ты сочетаешь эти подходы в своих проектах и почему важно думать о материале на самых ранних стадиях проектирования?
Как было описано выше, алгоритмический подход к проектированию может осуществляться и в реальной среде как контролируемый процесс создания формы путем воспроизведения последовательности определенных физических процессов. Цифровые модели – не что иное как математическая формулировка тех же физических законов, например, масс-пружинные модели или метод конечных элементов. До появления цифровых методов расчета легких конструкций (которые и сегодня не всегда дают полностью адекватную картину), нахождение формы и проверка прочности производились на масштабных моделях и достаточно успешно. В частности, Олимпийский стадион в Мюнхене был построен в 1972 году еще на заре цифровых технологий благодаря использованию масштабных сетчатым моделей. Многие архитектурные и инженерные бюро используют физические модели на ранних стадиях проектирования, так как они наиболее комплексно дают представление о пространственных и тактильных характеристиках объекта и даже о работе конструкции. В учебном процессе физическое моделирование представляется мне одной из немногих нитей, успешно связывающих в голове студента архитектурного факультета форму, материал и конструкцию объекта. В своей работе я стараюсь использовать характеристики материала и производственные процессы как вводные данные для концептуального проектирования, постепенно выращивая в этих условиях форму в цифровой среде. Так или иначе, архитектура (пока) материальна. Хотим мы того или нет, а любое здание подвержено реальным нагрузкам и сделано из реальных материалов. Так почему бы нам не задействовать их в проектировании немного больше, чем просто выбирать из списка доступных на рынке стандартизированных элементов. Тем более, что без непосредственного участия архитекторов и инженеров, в не меньшей степени ответственных за экологический отпечаток здания, уменьшить выбросы строительной отрасли вряд ли удастся.
Дидактические модели к выставке «Шухов. Формула Архитектуры» (МУАР). Московская Архитектурная Школа (МАРШ). Студенты: Николай Васянин, Наталья Горюнова, Варвара Долгая, Влада Мисюрева, Мартун Погосян, Илья Свирский, Михаил Сиротинин, Богдан Тепшич, Анна Тюрякова. © MARCH. Фото: Мартун Погосян
Ты архитектор, работающий в Werner Sobek, как твои навыки архитектора используются в компании, занимающейся инженерными конструкциями?
Деятельность компании Werner Sobek, начавшей свою практику в 1992 г., за 28 лет успешной работы значительно расширилась. Компания занимается проектированием конструкций, фасадных систем, «зелеными» технологиями, архитектурным и генеральным проектированием. Конструктора и архитекторы работают над проектами вместе cо стадии Эскиз. Когда я пришла в московский офис компании в 2012 г., мы только начали заниматься проектированием высотного здания на 15-м участке в Москва-Сити, которое сегодня находится на этапе строительства. Архитектурных навыков, которые были у меня на тот момент, мне как раз хватало, а вот знания конструктивной и инженерной стороны дела мне казалось недостаточным для проектирования высотного здания как целостного архитектурного объекта. Это стало главной мотивацией переехать в Штутгарт и совмещать исследования в ILEK с работой в местном офисе компании. А такие проекты, как павильон Rosenstein, способствуют выработке методов синтеза архитектурного и инженерного проектирования, которые можно смело применять при проектировании реальных зданий. Развившийся за последние 10 лет цифровой инструментарий, в частности на платформе Rhino, позволяет сегодня архитекторам задействовать на стадии концепции различные симуляции и статические расчеты и все больше помогает сближать некогда разделённые профессии, способствуя развитию интегральных методов архитектурного проектирования.
Что посоветуешь тем архитекторам, кто заинтересуется темой изучения конструкций, какие источники информации, книги?
Первый источник – это архитектура вокруг нас, которая демонстрирует процесс эволюции не только архитектурных стилей, но и строительной науки и техники, хотя последняя, будучи в авангарде развития, зачастую остается без должного внимания. Что касается книг, в качестве введения могу посоветовать исчерпывающий обзор истории развития строительной техники «3,000 Years of Design, Engineering, and Construction» известного теоретика конструкций Билла Эддиса. В качестве специализированной литературы по легким конструкциям рекомендую: «Frei Otto. Complete Works: Lightweight Construction» Э. Мёллера и И. Майснер и «Art of Engineering – Ingenieurkunst» Вернера Зобека. Помимо книг, есть прекрасные инженерно-архитектурные периодические издания, например, Structure by DETAIL и др.
