ГЕНЕРАТИВНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ: МЕХАНИЗМЫ И АНАЛИЗ СОЗДАНИЯ УНИКАЛЬНЫХ АРХИТЕКТУРНЫХ ОБЪЕКТОВ

АННОТАЦИЯ

Современные подходы в архитектуре, отражающие стремление к инновациям и технологическим прорывам, всё больше ориентируются на использование генеративного проектирования, которое позволяет создавать здания, с учётом оптимизации и множества переменных, в соответствии с данными для повышения функциональности и эстетики. Статья рассматривает международный опыт применения данного метода проектирования, его влияние на формообразование и архитектурную целостность объекта.

ABSTRACT

Modern approaches in architecture, reflecting the desire for innovation and technological breakthroughs, are increasingly focused on the use of generative design, which allows you to create buildings, taking into account optimization and many variables, in accordance with data to improve functionality and aesthetics. The article examines the international experience of using this design method, its impact on the formation and architectural integrity of the object.

Ключевые слова: генеративное проектирование, оптимизация, эффективность, функциональность, устойчивость, инновации, форма, энергоэффективность.

Keywords: generative design, optimization, efficiency, functionality, sustainability, innovation, form, energy efficiency.

В статье рассматриваются архитектурные проекты в области генеративного проектирования, а также оценка их значимости и архитектурной ценности в контексте современного архитектурного дискурса. Процесс генеративного проектирования позволяет создавать сложные пространственные структуры, определяемые сочетанием, как числовых параметров, так и взаимосвязями между функциональными требованиями и контекстными данными [1, с. 2].

Термин "генеративное проектирование", изначально появился в контексте компьютерной графики и архитектуры в конце XX века. Джон Фрейзер – архитектор и исследователь, известный своими работами в области компьютеров в архитектуре, один из первых, кто активно использовал и продвигал этот термин [2, с. 6]. Параллельно с Фрейзером, такие исследователи, как: Патрик Шумахер, Генри Урбач и Нил Лич, популяризировали параметрическое и генеративное проектирование, расширяя его понимание в архитектурной теории и практике [3, с. 4]. В своей книге, изданной в 1995 году «An Evolutionary Architecture», Джон Фрейзер описывает подход к проектированию, основанный на использовании алгоритмов, что является инновационным подходом в архитектуре XXI века [4, с. 10]. Поиск наиболее оптимальных вариаций, при котором алгоритмы используются для генерации и оптимизации различных вариантов решения задачи на основе заранее заданных параметров, ограничений и условий [5, с. 6]. При этом учитывается устойчивость, экологичность, энергоэффективность, а также материализация, что ставит генеративное проектирование востребованным методом в архитектурной практике за последние 30 лет.

Данный метод объединяет технологические достижения с требованиями устойчивости и эстетики, что первостепенно актуально в условиях постиндустриального общества, требующего гибких и адаптивных решений. А также расширяет профессиональные инструменты, и способствуют разработке устойчивых решений для урбанистической среды.

ПЛАВНОСТЬ И ТЕКУЧЕСТЬ ФОРМ

Центр Гейдара Алиева в Баку, спроектированный студией Zaha Hadid Architects, является иконой слияния эстетики с технологиями параметрического проектирования. Использование генеративного проектирования позволило оптимизировать форму, минимизировать количество визуальных швов и подчеркнуть концепцию «потока» – символ взаимодействия между зданием и природой [6]. Были применены сложные цифровые инструменты, включая параметрическое моделирование, симуляции и алгоритмы оптимизации, где использовались следующие современные программные решения:

Rhinoceros являлось основным программным обеспечением для работы с параметрической геометрией и сложными 3D-моделями. А плагин Grasshopper, позволил создать и оптимизировать сложные изгибы здания через алгоритмы (Рис.1). Autodesk Maya использовался для моделирования и тестирования сложных криволинейных форм, включая визуализации, а также как инструмент 3D-моделирования, сыграла роль в проверке эстетических решений объекта. В проекте CATIA (Dassault Systèmes) применяли для конструирования фасадных панелей и их точного размещения на витиеватой оболочке здания. Tekla Structures применялся для проектирования несущих конструкций, включая металлические рамы и сложные стыковочные узлы, обеспечивая высокую точность деталировки [7].

Таким образом, анализ генеративного проектирования Центра Гейдара Алиева можно структурировать в следующие выводы:

• Инновации в формообразовании и отсутствие прямых углов стало художественным манифестом: использование параметрического подхода позволило создать формы, оптимально адаптированные к контексту участка и идее проекта.
• Эффективность и точность, где генеративное проектирование позволило рассмотреть и проконтролировать множество вариаций формы, тем самым минимализируя ошибки на ранних этапах проектирования. Также удалось разработать фибробетонные панели, идеально подогнанные к каждой изогнутой поверхности.
• Социокультурная значимость объекта, благодаря генеративному проектированию, символически отражает стремление Азербайджана к современности, параллельно сохраняя связь с культурным наследием.

Рисунок 1. Генеративное проектирование в Rhino+Grasshopper

ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ И ФУНКЦИОНАЛЬНОСТЬ

Башни Аль-Бахар в Абу-Даби, разработанные архитектурной фирмой Aedas Architects совместно с инженерной фирмой Arup, получили известность благодаря своей энергоэффективной адаптивной фасадной системе, что служит регулятором тепловой нагрузки, защищая башни от перегрева [8]. При проектировании использовались технологии и параметры, основанные на принципах "умной архитектуры", основные программные решения которой включали:

Плагин для Rhinoceros – Grasshopper, который использовался для разработки алгоритмов, управляющих адаптивными элементами фасада, такими как "машрабия" — подвижные элементы, регулирующие светопроницаемость (Рис. 2) [9]. Ecotect Analysis использовалась для оценки солнечной радиации, углов падения солнечных лучей и теплового эффекта, что помогло определить оптимальную форму фасада и управление системой затемнения. Мощное BIM-решение Digital Project (Gehry Technologies), было полезно для интеграции данных фасадной системы с общей геометрией башен. Custom Scripting — специально разработанный код и скрипты на языках программирования, таких как: Python и VBScript, использовались для автоматизации сложных расчетов и управления алгоритмами фасадной системы.

Таким образом, данный проект является ярким примером энергоэффективной архитектуры с использованием алгоритмического проектирования:

• Эстетика и формообразование, состоящее из машрабий подчёркивает, как генеративное проектирование позволяет создавать не только динамичные, эстетически привлекательные формы, но и функционально адаптивные на солнечное излучение элементы фасада, которые сложно достичь традиционными методами [10].
• Оптимизация и усовершенствование энергоэффективности благодаря генеративному проектированию позволило снизить процент тепловой нагрузки, уменьшить потребление электроэнергии на охлаждение (на 50%) и улучшить внутренний климат здания [11].
• Использование симуляций демонстрирует потенциал генеративного метода проектирования, для улучшения точности прогнозов и взаимодействия архитектуры с окружающей средой.

Рисунок 2. Проектирование мэшрабов в Rhino+Grasshopper

СЕЙСМОУСТОЙЧИВОСТЬ И ЛЁГКОСТЬ КОНСТРУКТИВА

Пекинский национальный стадион ("Птичье гнездо") в Пекине спроектированный Herzog & de Meuron и Ai Weiwei, использовал различные программные инструменты и подходы генеративного проектирования, для разработки уникальной сложной несущей конструкции [12]. Основные программы и инструменты, примененные при проектировании этого объекта:

Rhino, где команда архитекторов применяла его для создания сложной сетчатой структуры стадиона. Плагин для Rhinoceros – Grasshopper, был использован для разработки формы и построения расчетных схем стальной решетчатой структуры (Рис. 3). С помощью CATIA (Dassault Systèmes) инженерная команда работала с аналитическими расчетами, создавая и проверяя конструкцию с точки зрения устойчивости и оптимизации материалов для такой крупной и сложной металлической сетки. Autodesk Maya использовался для трехмерного моделирования и экспериментов с формами, создания первоначальных концептуальных форм и визуализаций. ANSYS использовался для выполнения инженерных анализов, проверок механических характеристик и прочности конструкции, что особенно важно для сетчатой системы стадиона. ALGOR был использован для моделирования и более точного анализа стальных структур.

Таким образом, генеративное проектирование позволило создать архитектурную форму, которая подтверждается не только ее архитектурной ценностью, но и инновационными инженерными решениями, которые обеспечили сейсмическую устойчивость, максимальную прочность и визуальный эффект лёгкости:

• Анализ формы и ее структуры показывает, как технологические инструменты позволяют проектировать не просто форму, а конструкцию, идеально подходящую для физической и функциональной устойчивости [13].
• Генеративные алгоритмы позволили выявить идеальное расположение элементов и максимизацию прочности конструкции, что минимизировало вес металла и улучшило его эффективность [14].
• Использование Rhino и Grasshopper для создания параметрической сетки позволило построить решетчатую оболочку, чьи параметры могли изменяться в зависимости от требуемых условий (например, изменений в нагрузке, температурных колебаниях и т.д.).

Рисунок 3. Генеративное проектирование несущего каркаса Rhino+Grasshopper

ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ(Е) ДИЗАЙН ПРОСТРАНСТВА

Уникальная структура The Vessel (Судно) в Нью-Йорке, представляющая собой трёхмерную многоуровневую узорную лестницу, спроектированная Томасом Хезервиком, была создана с учётом оптимальной функциональности и визуальной выразительности. Здесь используются принципы повторяемости и параметрического моделирования для создания впечатляющего общественного пространства [15]. При проектировании использовались технологии и параметры, основные программные решения которой включали:

Grasshopper использовался для написания нодов и сценариев повторяющихся геометрических узоров, модульных элементов лестниц и для определения общей формы на основе таких параметров, как: высота, углы ступеней и взаимодействие с пользователем (Рис.4). Также плагин позволил быстрое прототипирование и корректировку пропорций взаимосвязанных лестниц, что обеспечивает как структурный баланс, так и эстетическую гармонию [16]. Revit использовался для информационного моделирования объекта (BIM), т.е. для интеграции результатов генеративного дизайна с архитектурными чертежами. Он также являлся основным программным обеспечением в документировании и управлении процессом строительства. Для конечно-элементного анализа (FEA – Finite Element Analysis) использовались SAP2000 и Robot Structural Analysis, которые необходимы для проверки структурной жизнеспособности конфигурации объекта. Генеративные входные данные из Grasshopper оценивались на предмет напряжения материала, устойчивости и распределения нагрузки. Также компания разработала индивидуальные программные решения, предназначенные для создания и оптимизации конкретных геометрий и взаимодействий лестничных клеток. Они обрабатывали динамическую связь между взаимодействием пользователя и структурной формой, а также точное масштабирование и модульность для изготовления ступеней и перил, для сборки на месте [17].

Таким образом, можем заключить, что The Vessel показывает, как вычислительные и параметрические технологии дизайна занимают центральное место для достижения его визуальной и структурной формы:

• Структура лестницы управлялась алгоритмами для воспроизведения повторяющихся и геометрических узоров, напоминающих ступенчатые колодцы.
• Геометрическая сложность объекта, включающая 154 лестничных пролёта, 80 площадок и более 2500 ступеней, было бы тяжело достигаемым без точности параметрического моделирования [18].
• Генеративная симуляция использовалась для прогнозирования движения толпы, гарантируя, что дизайн сможет учитывать различные возможности и пешеходный трафик.​

Рисунок 4. Генеративное проектирование конструкции Rhino+Grasshopper

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Таким образом, на примере анализа вышеперечисленных проектов, можно сделать вывод, что генеративное проектирование представляет собой мощный инструмент, расширяющий творческие возможности архитекторов и закладывающий основы для будущего энергоэффективного развития архитектуры. Однако его успешное внедрение требует интеграции технологий в образовательные программы и разработки стандартов, поддерживающих применение этих методов в массовой практике. Следует заключить, что генеративное проектирование имеет удачную перспективу занять главенствующее место в архитектурном проектировании, для поддержания эстетически-инновационного, экологического и устойчивого будущего.

Список литературы:

1. Interview: On Parametricism - A Dialogue between Neil Leach and Patrik Schumacher // China: T + A (Time + Architecture), 2012. – 7 p.
2. Parametric Design for Architecture // Wassim Jabi // 361–373 City Road, London EC1V 1LR: Laurence King Publishing Ltd – 2013. – 209 p.
3. Patrik Schumacher // Patrik Schumacher on Parametricism – “Let the style wars begin”. – London, 6 May 2010. – 6 p.
4. An Evolutionary Architecture // John Frazer and The Architectural Assotiation // 36 Bedford Square, London WC1B 3ES: Target Litho – 1995. Vol. VII. – 126 p.
5. DIGITAL FABRICATION IN ARCHITECTURE // Nick Dunn // 361–373 City Road, London EC1V 1LR: Laurence King Publishing Ltd – 2012. – 192 p.
6. Heydar Aliyev Cultural Centre in Baku // AECCafe [Электронный ресурс]. – URL: https://www10.aeccafe.com/blogs/arch-showcase/2011/11/17/heydar-aliyev-cultural-centre-in-baku-azerbaijan-by-zaha-hadid-architects/
7. Heydar Aliyev Center — Building Components breakdown // Medium [Электронный ресурс]. – URL: https://medium. com/ @buildershive.nitt/heydar-aliyev-center-building-components-breakdown/
8. Al Bahar Towers Responsive Façade // ArchDaily [Электронный ресурс]. – URL: https://www.archdaily.com/270592/al-bahar-towers-responsive-facade-aedas/
9. Al Bahar Towers // AHR [Электронный ресурс]. – URL: https://www.ahr.co.uk/projects/al-bahr-towers/
10. Al Bahar Towers // Arup [Электронный ресурс]. – URL: https://www.arup.com/projects/al-bahr-towers/
11. Al Bahar Towers // En.WikiArchitectura [Электронный ресурс]. – URL: https://en.wikiarquitectura.com/building/al-bahar-towers/
12. 226 National Stadium // H&dM [Электронный ресурс]. – URL: https://www.herzogdemeuron.com/projects/226-national-stadium/
13. National Stadium, Beijing // Arquitectura Viva [Электронный ресурс]. – URL: https://arquitecturaviva.com/works/estadio-nacional-en-pekin/
14. Vessel in Hudson Yards, New York by Heatherwick Studio // AECCafe [Электронный ресурс]. – URL: https://www10.aeccafe.com/blogs/arch-showcase/2019/04/24/vessel-in-hudson-yards-new-york-by-heatherwick-studio/
15. Thomas Heatherwick Unveils the Vessel // ArchitectMagazine [Электронный ресурс]. – URL: https://www.architectmagazine.com/design/thomas-heatherwick-unveils-the-vessel/
16. Design Unveiled for Heatherwick's 'Vessel' at Hudson Yards // ArchitecturalRecord [Электронный ресурс]. – URL: https://www.architecturalrecord.com/articles/11894-design-unveiled-for-heatherwicks-vessel-at-hudson-yards/
17. VESSEL // Heatherwick [Электронный ресурс]. – URL: https://heatherwick.com/project/vessel/