Gyroid: объединяя архитектуру, биологию и 3D-печать

Мы спроектировали 59-метровый частный дом, который подсвечивает особенности клеточной трехмерной печати, заимствуя принципы организации в природе.

3D-печать – очевидное невероятное?

Какие технологии позволяют современным зданиям максимально сливаться с природным окружением, рождая не столько объектную архитектуру, сколько архитектурные ландшафты? Ответ на поверхности: это 3D-печать.

Чем отличается эта технология от традиционных методов строительства, какие инновации обеспечивают ей репутацию настоящего прорыва в строительной отрасли?

Первым делом, 3D-печать позволяет решать самые насущные проблемы в этой сфере: нехватку экономичных строительных материалов и сокращение сроков строительства с повышением его качества. За счёт чего? За счёт особенностей аддитивных технологий, которые основаны на методе послойной печати зданий или строительных конструкций с помощью крупномасштабных роботов на базе цифровой модели. Иными словами, аддитивное (от англ. additive – прибавляемый) производство предполагает добавление слоёв композитных материалов по заданному проектом алгоритму, позволяющему реализовывать самые сложные архитектурные замыслы, не ограниченные более несовершенством привычных строительных технологий.

Происходит цифровая трансформация как процесса проектирования, так и строительства. Это означает иную логику перехода проектной идеи к реализации – file to factory. Цифровая модель – результат алгоритмического проектирования – уже выполняется на базе проведённых сложных расчётов, что значительно сокращает сроки её корректировки в процессе строительства. И проектирование, и строительство становятся «отточенными», безбумажными и кастомизированными (от англ. to customize — настраивать) в связи с внесением конструктивных поправок и «настроек» под конкретного потребителя непосредственно в сам проект. Все проектные материалы поступают на строительную площадку уже в цифровом виде, практически «на флэшке», и считываются роботами в процессе строительной реализации объекта, что позволяет получить конечный результат аддитивных технологий качественнее, быстрее и дешевле. Иными словами, кастомизированная архитектура, отличающаяся от типовой своей freeform geometry, не превосходит её по бюджету.

Технология Cellular Fabrication

Произвести революцию в архитектурной среде нацелена компания Branch Technology. Её команда, состоящая из настоящих изобретателей – архитекторов, дизайнеров, инженеров, строителей, математиков – выстраивает на базе 3D-печати крупные конструкции из пластика ABS, усиленного углеродным волокном. Этот лёгкий материал способен выдерживать вес, почти в тысячу раз превышающий его собственный. Особенность технологии Cellular Fabrication, которую использует компания, в клеточном методе печати, значительно облегчающем вес полых конструкций по сравнению с послойным наращиванием стен. Ячеистые конструкции представляют собой несущий каркас здания, внутренняя и внешняя отделка могут быть какими угодно, что позволяет создавать лёгкие и прочные гибридные сооружения. При их создании значительно сокращается расход отделочных материалов, которые могут быть и такими недорогими, как изоляционная пена и бетон, а могут представлять локальный рынок стройматериалов, характерных для данной местности, как глина или песок. Таким образом решается целый узел проблем: нехватки материалов, сложной логистики их доставки, токсичности их состава, дороговизны их изготовления и т.п.

Показателен в этом отношении опыт последней Венецианской архитектурной биеннале. Золотой Лев – главный приз биеннале – достался создателям павильона ОАЭ, возведённом из альтернативного строительного материала, в котором воплощена идея “future vernacular”. Кирпичи для павильона были произведены из остатков солевого раствора после промышленного опреснения воды в Арабских Эмиратах. Так материал, свойственный для этой местности, более того, полученный из отходов, был оценён как экологически более приемлемая замена портландцемента, на который приходится 36% выбросов CO2, связанных со строительной деятельностью. Вручение Золотого Льва – знак преференций мирового архитектурного сообщества. Оно должно учитывать глобальные тренды: при столь стремительной урбанизации строить надо много, быстро и недорого. Но главное – разнообразно, избегая ошибок прошлого, когда те же цели привели мир к монотонности типовой застройки.

Именно такая постановка задачи привлекла наше внимание к конкурсу Freeform Home Design Challenge, объявленный Branch Technology в 2016 г. на проект одноэтажного дома для одной семьи, который можно построить в запатентованной компанией технологии 3D-печати Cellular Fabrication. Потенциал этого метода решено было проверить и высветить с помощью нашего проекта.

Gyroid house: поиск формы

Созданный нами проект Gyroid house – отражение философии SA lab. Архитектура для нас – феномен на стыке реального и цифрового миров, обыкновенно существующих параллельно. Не будучи осуществлённым, наш проект остался в цифровом пространстве идей, но, рассчитанный на реализацию в русле новейших технологий, он однозначно заглянул в реалии физического мира и вполне мог бы с ними ужиться. Давайте посмотрим – каким образом?

Проект предполагал построение минимальной модели человеческого бытия – жилой ячейки. По условиям конкурса – это дом площадью до 60 м. кв. на заданном участке – довольно узком по своей конфигурации. Проектный замысел предстояло реализовать в 3D-печати, что означало большую свободу пространственного дизайна, отнюдь не ограниченного евклидовой геометрией. Для нас это послужило отправной точкой. Поиск сложной и экспрессивной формы изначально не был самоцелью, но давал нам возможность «высветить» явные преимущества клеточного метода печати Branch Technology.

На отведённом участке был намечен условный контур параллелепипеда, в пределах которого предстояло сформировать жилое пространство, отвечающее значительному множеству требований, сформулированных алгоритмически. Одной из наших идей была нацеленность на минимизацию ограждающих жилой объём поверхностей. Для достижения цели компьютеру была задана вариационная задача – найти поверхность наименьшей площади, натянутую на данный контур так, чтобы под ней образовалось полое пространство, отвечающее искомым параметрам. В идеале это поверхность мыльной плёнки (результат равновесия однородного напряжения). В математике такие поверхности называются минимальными.

Особенно интересны минимальные поверхности, повторяющиеся в трёх измерениях и образующие ячеистые структуры. Именно к этой категории относится поверхность Gyroid. В природе это способ соединения клеток в более сложные формы, к примеру – в крылья бабочек. И несмотря на хрупкость самих бабочек, Gyroid – весьма прочная сетчатая структура, способная образовать не только их трепетные крылья, но и самонесущую архитектурную оболочку будущего здания.

Gyroid house: выбор формы

Комбинируя поверхности Gyroid и разворачивая их под разными углами, мы получаем бесконечное множество вариаций архитектурных оболочек, образующих перетекающие друг в друга пространства почти природного происхождения. Наш подход к выбору формы совпал с декларируемой философией Branch Technology, стремящейся брать за основу логику природных алгоритмов и перекладывать их в строительство.

Как вообще происходит выбор формы при вычислительном дизайне? В процессе отбора из бесконечного потока геометрических вариаций той модели, что отвечает объективно заданным параметрам и субъективным предпочтениям архитектора. По существу, архитектурная форма рождается случайно – в результате симбиоза творческой интуиции художника и железной логики компьютера.

«Настраивая» поверхности Gyroid с помощью инструментов алгоритмического проектирования Rhino и Grasshopper, мы меняли не только внешний вид и форму объектов, но их внутреннюю атмосферу и даже алгоритм поведения в их интерьерах. Выбранный нами фрагмент Gyroid, по всем критериям подходящий для организации 59 м. кв. жилого пространства, поможет нам это доказать.

Жизнь в 3D-модели – вызов или реальность?

Изначальная форма дома – фрагмент поверхности Gyroid, впоследствие оптимизированный с помощью плагинов Galapagos и Ladybug. На полученной основе была создана несущая конструкция. В качестве ограждающих конструкций была предложена система остекления на металлическом каркасе. Для внешней отделки здания предполагались фиброволокнистые панели, а для внутренней отделки – штукатурка.

Главная интрига в пространстве интерьера заключалась в световых проёмах, расположение которых оптимизировано компьютерной программой в заданном нами ключе светового дизайна. В результате мы получили в интерьере эффект «просветов» в облаках. Световые потоки Gyroid house усиливали эффект свободного перехода от физической к виртуальной реальности, обусловленный влиянием образов гейм-дизайна на жилой интерьер.

В физической же реальности на площади в 59 квадратов разместились привычные функциональные зоны: гостиная, столовая, спальная и санитарно-технический блок. При необходимости зоны можно менять местами, «настраивать» интерьер под конкретные требования потребителя, что допускает свободная планировка и природная текучесть живого пространства. Дополняя жилую ячейку с помощью идентичных модулей (фрагментов бесконечной поверхности гироида), можно увеличить площадь дома с 59 до 175 квадратных метров.

Обращаясь к технологиям в процессе конкурсного проектирования, мы убедились на собственном опыте: архитектура – вне зависимости от масштаба – способна отвечать самым непредсказуемым вызовам времени. Будучи ориентированной на экологическую эффективность строительства, она способна выстраивать уважительный диалог с природой, учиться у неё, вписываться в её контекст. Архитектура, над которой мы работаем, принципиально адаптивна. Будущее тем временем требует гибких, мобильных подходов – мы же в ответ создаём их в настоящем.

#архитектура #технологии #будущее

Мы пишем об архитектуре и технологиях > https://t.me/SAlab_daily
Смотреть проект целиком >