1(2) 2008

ARCHITECTURE AND MODERN INFORMATION TECHNOLOGIES

МЕЖДУНАРОДНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ НАУЧНО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНЫЙ ЖУРНАЛ ПО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИМ И УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИМ АСПЕКТАМ СОВРЕМЕННОГО АРХИТЕКТУРНОГО ОБРАЗОВАНИЯ И ПРОЕКТИРОВАНИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВИДЕО И КОМПЬЮТЕРНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

STUDY OF ARCHITECTURAL SHAPE FORMATION IN COMPARISON WITH NATURAL MORPHOGENESIS USING COMPUTER SIMULATION
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАЛЛЕЛИЗМА ПРИРОДНОГО И АРХИТЕКТУРНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Н.В. Касьянов
Научно-исследовательский институт теории архитектуры и градостроительства (НИИТАГ) Российской академии архитектуры и строительных наук (РААСН), Москва

Концпции и методология современной междисциплинарной науки, в частности, фрактальной геометрии, уже успешно применяются в таких областях науки, как астрономия, физика, химия, биология, экономика. Анализ архитектурного формообразования составляет часть проблемы исследования морфогенеза в столь различных мирах, как неживая и живая природа и созданные человеком формы – и реальные архитектурные, и виртуальные.

Современная экологическая парадигма не отделяет людей и антропогенный мир от природного окружения, рассматривая их как часть единой нелинейной экосистемы. В рамках фундаментальной научной проблемы теоретического исследования процессов формообразования в архитектуре и градостроительстве, неразрывно связанной с прикладными аспектами создания психологически комфортной среды обитания, необходим анализ уже созданных архитектурных форм и поиск новых. Архитектурная наука может быть обогащена использованием концепций современной науки, применимых для анализа действий архитекторов и градостроителей по созданию среды обитания и восприятия ее человеком. Архитектурное формообразование вовлекает множество разнообразных форм, которые не всегда могут быть корректно описаны на языке традиционной геометрии Евклида. Нередко они подобны природным формам, и для их анализа адекватны терминология и концепции фрактальной геометрии и топологии. Такой научный подход помогает выявить общие черты морфогенеза в живой и неживой природе, сходство и отличия природного и архитектурного формообразования. Эти подходы, ведущие к осознанию единых принципов формообразования в природе, уже применяются для анализа архитектурных форм (К. Бовилл, Ч. Дженкс, И.А. Добрицина), но пока они еще недостаточно разработаны и конкретизированы.

Компьютерные технологии, визуализирующие математические концепции фрактальной геометрии и нелинейной динамики, делают их наглядными для представителей гуманитарных наук, давая возможность «перевода» языка нелинейной науки на язык науки архитектурной и разработки нового инструментария научной и практической работы архитектора. Применение современных достижений науки в области теории архитектуры, создание и использование новых методических подходов с широким применением цифровых технологий позволяет говорить о появлении своеобразной новой области научных исследований, находящейся на стыке различных дисциплин, которую можно условно назвать архи-информатикой. Новое направление исследований носит междисциплинарный характер и связывает теорию архитектуры с иными специальностями, среди которых можно упомянуть геометрию, компьютерную графику и геоинформатику.

Путем сопоставления морфогенеза в архитектуре, технике, биологии и кристаллографии можно найти общие принципы формообразования на микро-, мезо- и макроуровне в различных системах, выявить универсальность построения прочных и легких конструкций, создаваемых по фрактальным принципам в архитектуре и самособираемых, самоорганизующихся в природе. На основе подобных принципов построены нанотехнологии, недавно названные в числе приоритетных направлений развития российской науки.

Исследования общности и отличий формообразования архитектурных и природных объектов должны содействовать решению проблем органичного взаимодействия архитектуры и природной среды, способствовать созданию комфортной, гармоничной, экологичной и гуманистичной архитектуры. В архитектурных проектах возможно использование фрактальных алгоритмов, а также визуальных образов, моделей и метафор нелинейной динамики.

Система иерархических самоподобных форм – один из важнейших геометрических принципов построения архитектурной композиции. Фрактальные алгоритмы (правила построения) в природе и творчестве человека открыл Бенуа Мандельброт (B. Mandelbrot). Фрактальные алгоритмы и степенные (логарифмические) закономерности оказались универсальными правилами структурной самоорганизации в пространстве и во времени как в природе, так и в творчестве человека. В неоднократно переизданной и переведенной на многие языки книге «Фрактальная геометрия природы» Мандельброт пишет: «Унаследованная от Евклида геометрия неспособна описать форму облака, горы, морского берега или дерева... Облака – не сферы, горы – не конусы, берега островов – не окружности… Многочисленные реально существующие формы настолько нерегулярны или изломаны, что сложность Природы не только количественно, но и качественно превосходит все то, что допускает геометрия Евклида».

Фрактальны очень многие природные структуры и процессы: реки с их притоками, молнии, раскаты грома, поверхность гор, облаков, распределение галактик, солнечная активность и т. д. (Шредер, 2001; Мандельброт, 2002; Кроновер, 2000). Фрактальность природных объектов подтверждается возможностью построения весьма правдоподобных компьютерных ландшафтов виртуального мира на основе относительно простых фрактальных программ, в которых приближение к реальности достигается некоторой степенью нерегулярности путем введения случайных чисел. Простой алгоритм, «генетический код» формообразования, раскрывается при бесконечном повторении как генератор разнообразных причудливых форм – это означает, что в основе морфогенеза сложных структур и процессов могут лежать простые правила, что дает возможность сжатого математического описания и имитационного моделирования структур и процессов, еще недавно недоступных такому описанию и моделированию. Фрактальность выявляется и моделируется с помощью компьютерных алгоритмов; визуализация нелинейных фракталов стала возможной благодаря вычислительно-графическим возможностям компьютеров (Рис.1).

Рис.1. Множество Мандельброта

Концептуальные и методологические подходы современной науки уже помогли выявить общие черты морфогенеза в живой и неживой природе, что позволило приступить к исследованию сходства и параллелизма природного и архитектурного формообразования. Природные поверхности и формы могут быть достаточно корректно, качественным и количественным образом описаны и проанализированы с использованием терминологии и концепций фрактальной геометрии. Пространственная организация архитектурного морфогенеза включает множество разнообразных форм, которые, подобно природным, могут быть адекватно описаны языком именно фрактальной геометрии. В архитектуре широко распространено применение повторяющихся в разном масштабе самоподобных форм, т.е. в сущности, фрактальных правил построения. Широко известное уподобление архитектуры застывшей музыке (Иоганн В. Гете) глубоко обосновано: и музыка, и архитектура фрактальны. Фрактальные характеристики творческих произведений человека подобны таковым в живой природе, но архитектурные фрактальные структуры намного более упорядочены. Произведения архитектуры включают в себя многие масштабы длины и элементы самоподобия: подобие частей и целого, подчиненность отдельных элементов целому. Фрактальность многих архитектурных форм весьма очевидна и лежит буквально на поверхности (обычно на фасаде). Б. Мандельброт первым написал о фрактальности архитектуры и привел архитектуру здания Парижской оперы, произведение «изящного» искусства (архитектор Ш. Гарнье), как пример фрактального творения. Фрактальная формализация ранее была применена, в частности, для определения фрактальной размерности некоторых архитектурных сооружений (Bovill, 1996), однако этот количественный подход дает не слишком много для понимания фрактальных правил построения архитектурных форм. Помимо количественного, необходим качественный анализ фрактальных алгоритмов архитектуры с привлечением компьютерного моделирования некоторых основных прототипов архитектурных сооружений. Были отмечены повторяющиеся в разных масштабах элементы архитектуры готических соборов, стиля барокко, индийских храмов, проведен анализ повторов в классических ордерных формах.

Биологические структуры сложной пространственной организации растений и животных могут быть количественно охарактеризованы путем определения фрактальной размерности как меры заполнения пространства исследуемой структурой; фрактальная размерность служит показателем морфологической сложности этой структуры. Вовлечение фрактальных алгоритмов в биологический морфогенез обеспечивает сжатое генетическое кодирование, поскольку определяющий форму алгоритм используется повторно и многократно. Современный научный подход с применением фрактальной геометрии, нелинейной динамики и топологии способен выявить здесь множество сходных направлений и решений морфогенеза, включая не раскрытые ранее аспекты формообразования и потенциально новые архитектурные формы.

Структура идеального компьютерного фрактала сохраняется при любых масштабах ее рассмотрения. Реально существующие фрактальные структуры неживой и живой природы отличаются от идеальных компьютерных фракталов неполнотой и неточностью повторений структуры – это фракталоподобные структуры, «обрубленные» на какой-то ступени и сочетающие порядок с хаотическими, случайными отклонениями. Применение относительно простых компьютерных программ дает возможность создания сложных динамичных образов, претерпевающих бесконечные метаморфозы в виртуальном пространстве. Многие сложные формы, нередко напоминающие архитектурные или биологические, могут быть созданы при использовании такого простого рекурсивного алгоритма с обратной связью – как морфогенетического кода.

Один из содержательных примеров параллелизма природного и архитектурного формообразования – сопоставление конструкций геодезических куполов с организацией молекул фуллеренов, макромолекулярных комплексов клеток многоклеточных животных и скелетных структур радиолярий. Фуллерены (новая форма углерода, названная в честь Р.Б. Фуллера (1895-1983) – архитектора и философа) представляют собой молекулы, образующие замкнутую поверхность в форме сферы или вытянутого сфероида, на которой располагаются атомы углерода. Плотность фуллерита значительно меньше плотности графита и тем более алмаза, и это понятно – молекула фуллерена полая. Подобные свойства – прочность в сочетании с легкостью – имеют геодезические купола. Сходство фуллеренов с геодезическим куполом весьма наглядно. Геодезические купола могут быть образованы сложной сетью с многоугольными ячейками, которые формируют поверхность, близкую к сферической. В том и другом случае в сети шестиугольников на замкнутой поверхности неизбежно присутствие немногих пятиугольников – это общая топологическая закономерность, кратко и корректно формулируемая теоремой Эйлера. Это пример закона, общего для неживого, живого и рукотворного антропогенного мира. Повторные подразделения на треугольники, характерные для геодезических куполов – фрактальный алгоритм. Конструкции с таким триангуляционным разбиением оказались не только перспективными в архитектуре, но и очень сходными с природными формами. Биологическая функция фрактальных ветвящихся структур в живой природе – увеличение площади раздела фаз, максимальное заполнение пространства. Это обеспечивает живым организмам максимизацию площади обмена с окружающей средой и соответствующую интенсификацию метаболизма при минимизации общего объема. Такое соотношение подобно принципу минимакса, сформулированному Р.Б. Фуллером для геодезических куполов (этот принцип учитывает соотношение площади поверхности и объема купола с затратами материалов и характеристики прочности сооружения (Рис. 2).

Рис. 2. Пример геодезического купола

К современной «нелинейной» архитектуре близки геоморфная архитектура («landform architecture» Дженкса) и так называемая органическая архитектура. Архитектуре XX века свойственно использование антропоморфных, зооморфных, фитоморфных и других биоморфных, а также техноморфных метафор и пластичных нелинейных форм, как бы вырастающих естественным образом из земли, с органичной интеграцией архитектуры и природного ландшафта. В частности, архитектура модерна начала XX века характеризуется пластичными массами, криволинейными поверхностями, разнообразными «струящимися» растительными орнаментами, рельефными изображениями голов, что придает зданиям биоморфизм – сходство с живым организмом.

Город в ландшафте – сложная, иерархическая фрактальная система, включающая множество масштабов, мультифрактальный паттерн. Модель роста хаотических фрактальных кластеров позволяет понять некоторые общие закономерности архитектурного формообразования и градостроительства. Рост городов достаточно успешно моделируется компьютерными программами (Рис. 3).

Рис. 3. Компьютерная модель роста фрактального кластера

Использование возможностей компьютерной техники является современным и адекватным средством для исследования сложной архитектурно-ландшафтной среды, особенно в тех случаях, когда она интегрирована в пересеченный рельеф местности. Геометрическая достоверность архитектурно-геоинформационных компьютерных моделей дает возможность качественного изучения и полноценного восприятия сложного ландшафтно-архитектурного объекта и анализа его объемно-пространственной композиции по изображениям, полученным средствами компьютерной графики. Особенностью восприятия архитектурной формы и вписанных в сложный пересеченный рельеф «зданий-ландшафтов» является невозможность полноценного представления об объекте на основании архивных данных, карт и полевых исследований. Возникает необходимость иных подходов, что особенно важно для изучения крупных, вписанных в сложный рельеф архитектурно-ландшафтных комплексов на мезо и макроуровне.

Объектом исследования был выбран архитектурно-ландшафтный комплекс крепости Владивосток - памятника истории и военно-оборонительного зодчества федерального значения. Заложенный в 1860 году и получивший выразительное и амбициозное имя, Владивосток к концу XIX века превратился в бурно развивающийся город европейской культуры. Он формировался в результате активной деятельности российских инженеров-архитекторов, офицерского корпуса и деловых людей, мигрирующих из европейской части России и Западной Европы. Решающую роль в градостроительстве Владивостока играло сооружение грандиозного комплекса крепости. Ее постройки в 1995 г. были объявлены памятником истории и военно-оборонительного зодчества федерального значения.

Проектирование и создание крепости было проведено в условиях сложного природного ландшафта в конце XIX – начале XX веков. Укрепления, расположенные на господствующих высотах и органично слитые с местностью, представляют собой удачный образец интеграции природного и антропогенного ландшафта. Впервые на основе архивных данных, обмерных чертежей, материалов полевых и камеральных исследований, картографических материалов, построены компьютерные модели южной части полуострова Муравьева-Амурского, острова Русский и архитектурных объектов в привязке к рельефу местности.

Главный принцип градостроительного развития Владивостока заключается в развитии схемы формирования города в жёсткой зависимости от структуры рельефа. Город и старая крепость представляют собой систему сложных и развитых объемно-пространственных композиций, форма которых весьма изрезана и своеобразна в плане, имеет несколько уровней по высоте и трудна для полноценного восприятия и анализа без соответствующих графических материалов. Рельеф местности здесь весьма сложен – перепады высоты над уровнем моря достигают свыше 400 метров (вершины сопок) в пределах прибрежной территории на расстоянии 12 – 15 км, причем с несколькими линиями пересечений (перегибов) рельефа на данном участке. Для полноценного исследования архитектурных форм этих крупномасштабных объектов нужны были новые методы. В качестве основного метода было выбрано трехмерное архитектурное компьютерное моделирование. Для более полного исследования корреляции архитектурных форм с природными были построены компьютерные модели объектов в их привязке к рельефу местности с развитием графоаналитического и геоинформационного методов (Рис. 4, Рис. 5).

Рис. 4. Каркасная модель рельефа о. Русский		Рис. 5. Виртуальная модель крепости Владивосток в природном ландшафте

Трехмерная компьютерная модель полуострова Муравьева-Амурского и острова Русский позволила наглядно представить, каким образом структура рельефа района города Владивостока и его окрестностей определила принципы построения сложного градостроительного комплекса. «Лицо» Владивостока обращено к морю. Море и живописный гористый ландшафт, кварталы домов, взбегающие по склонам, придают неповторимое своеобразие городу, определяя дух места города-крепости Владивосток. Трехмерная компьютерная модель полуострова наглядно визуализирует особенности природного ландшафта Владивостока.

Технологии, примененные для создания города-крепости, в частности, монолитное бетонирование, послужили важным фактором архитектурного формообразования. Старая Владивостокская крепость – пример очень своеобразного зодчества, то спрятанного под землей, то вновь выходящего на поверхность. Характерна общая тенденция к минимизации экстерьеров по отношению к получившим развитие обширным многоуровневым, соединенным друг с другом, внутренним пространствам. Вершины и гребни сопок в плане служили узловыми точками пространственной организации композиций. Геометрия построения протяженных интерьеров соответствует очертаниям природного рельефа, в какой-то мере представляя собой геометризованный «слепок» поверхности. Нерегулярность природных форм породила неординарность архитектурного морфогенеза, освободив его от излишней упорядоченности. Своеобразие фортификационных сооружений крепости Владивосток усилено элементами непредсказуемости, вносимыми неизбежной случайностью природных форм; искусная привязка типового (исходного) проекта к местности дает возможности уйти от стереотипных решений, освобождая их от излишней правильности. Формы асимметричных, вписанных в природный рельеф оборонительных построек Владивостока лишены статичности, динамичны, геоморфны, «текучи» (Рис. 6).

Рис. 6. Компьютерная модель одного из фортов, интегрированного в рельеф местности

Созданные трехмерные компьютерные модели подтвердили предположение о том, что важнейшую роль при сооружении крепости играли условия местности, вынуждавшие встраивать объекты в сложный для строительства рельеф природной среды, по возможности минимально изменяя ее. Такие модели исчерпывающим образом описывают геометрию историко-архитектурного памятника, вписанного в рельеф, то есть более качественно, чем серия обмерных чертежей, которые традиционно применяются исследователями архитектуры. Трехмерная модель, в частности, позволяет исследовать силуэт сооружения. Традиционные методы графического построения без использования компьютера не позволяют получить подобные результаты. Альтернативой остается традиционное, но более трудоемкое архитектурное макетирование. Анализ полученных данных позволил выявить корреляцию архитектурных форм с природными и наглядно представить, каким образом структура рельефа района города Владивостока и его окрестностей определила принципы и этапы развития крепости и городской застройки. Результаты исследования могут быть применены для выработки практических рекомендаций по сохранению, восстановлению и ревалоризации памятников архитектуры.

Подобные методы можно применять для графической реконструкции утраченных, нереализованных или искаженных построек, создания мультимедийных презентаций – с включением анимационных видеороликов с показами интерьеров и экстерьеров не существовавших или измененных к настоящему времени сооружений. При наличии достаточно качественных архивных и иных данных возможно создание прецизионных графических образов, которые с математической точностью будут воспроизводить особенности архитектуры в трехмерном пространстве. Важно, что возможности, совершенно недоступные еще несколько лет назад, очень широки – от получения чертежей самых разных видов до изображений фотореалистического качества или виртуальных макетов. Могут быть продемонстрированы различные изменения объектов во времени – такие образы могут быть представлены видеоклипом или последовательностью изображений.

Полученные таким образом данные широко использовать в качестве иллюстративного материала в научных публикациях. Возможно размещение подобных материалов в сети Интернет, который все шире используется для публикации научных данных. Представляется, что перспективным направлением исследования архитектуры могло бы стать последовательное изготовление электронной базы данных по наиболее интересным историко-архитектурным памятникам. Здесь возможны разработки разного масштаба и уровня – от моделей отдельных зданий и сооружений до градостроительных моделей. Эта работа может привести к созданию полномасштабного свода архитектурных памятников, многие из которых до сих пор являются малоизвестными. Возможно создание «виртуальных музеев», привлечение внимание общественности и административных структур к таким объектам.

Использование в путеводителях и средствах массовой информации яркой и наглядной графической информации, выполненной этими методами, должно способствовать развитию туристско-рекреационного потенциала и возрождению памятников. Полученные результаты могут быть использованы для изучения и корректировки антропогенного воздействия на архитектурно-ландшафтную среду с целью более эффективного сохранения памятников истории и культуры. Это имело бы, помимо историко-культурного, также прикладное значение для разработки перспективных градостроительных планов.

В наше время приходит более глубокое осознание единства природной и антропогенной среды и единства принципов формообразования в «живой» и «неживой» природе. Это подкрепляется достижениями таких направлений нелинейных наук, как фрактальная геометрия и детерминированный хаос. Исследования общности и отличий формообразования архитектурных и природных объектов должны содействовать решению проблем органичного взаимодействия архитектуры и природной среды, способствовать созданию гуманизации архитектурно-ландшафтной среды.

Компьютерное моделирование, нацеленное на поиск алгоритмов архитектурного формообразования позволяет получить результаты широкого спектра – для исследования особенностей архитектуры, как на уровне градостроительных решений, так и в масштабе отдельных зданий и сооружений. На основе полученных данных возможны моделирование и визуализация новых архитектурных форм и создание концептуальных проектов. Это может стать новым вектором развития архитектурной науки, помимо теоретического и исторического направлений исследований. Визуальные образы, модели и метафоры концепций современной науки могут быть применены не только в архитектурной теории, но и в практической работе архитекторов с целью поиска архитектуры, адекватной гармонии порядка и хаоса природной среды, архитектуры, которая может стать смысловой доминантой в природном и историческом контексте, символом и духом места.

Conclusions

Results of the study could be used to develop practical recommendations for the conservation, restoration and valorization of architectural monuments. Digital methods can be applied to image reconstruction of lost, missing or distorted buildings, multimedia presentations, including animated video shows of interiors and exteriors non-existent or modified to date facilities. If there are archive records and drawings it is possible to create precision graphic images that will represent architectural peculiarities in three-dimensional space with mathematical accuracy. It is important that the opportunities which were not available until a few years ago, now are very broad, ranging from a wide variety of drawings to photorealistic images or virtual layouts. Various changes of objects in the time can be demonstrated: such images can be submitted of image series or video sequence. The computer images are widely used as illustrations in scientific publications. The placement of such material in the Internet, are beginning to be increasingly used for the publication of scientific data. A promising line in architecture studies could be to elaborate electronic database of the most interesting historical and architectural monuments. There are elaborations of different scale and level possible, from models of individual buildings to urban models. This work may result in a full code of architectural monuments, many of which are still unknown or poorly known. «Virtual museums» are also possible, attracting the attention of the public and administration to the architectural heritage of the past. Using bright and vivid graphics done by digital methods by the guides and the mass media should promote recreation and the restoration of monuments. The results can be used to examine and adjust the human influence on architectural landscape environment to enhance conservation of historical and cultural monuments. This would be applied to the design of future city planning, in addition to the historical and cultural significance.

Литература

1. Добрицина И.А. От постмодернизма к нелинейной архитектуре. М.: Прогресс-традиция. 2004. 416 с.

2.Касьянов Н.В. Крепость Владивосток – памятник российского военно-оборонительного зодчества конца XIX - начала XX века. Архитектурное наследство. М.: 2006 г. Вып. 46. C. 269-288.

3. Кроновер Р.М. Фракталы и хаос в динамических системах. М.: Постмаркет. 2000. 350 с.

4. Мандельброт Б. Фрактальная геометрия природы. М.: Институт компьютерных исследований. 2002. 856 с.

5.Шредер М. Фракталы, хаос, степенные законы. М., Ижевск: Регулярная и хаотическая динамика. 2001. 527 с.

6.Пайтген Х.-О., Рихтер П.Х. Красота фракталов. Образы комплексных динамических систем. М.: Мир. 1993. 176 с.

7. Bovill C. Fractal geometry in architecture and design. Boston, Basel, Berlin: Birkhäuser.1996. 195 p.

8.Jencks Ch. New science = new architecture // Architect. Design. 1997. Vol. 67. NN 9/10. P. 7-11.

9. Peitgen H.-O. / Jürgens H., Saupe D. // Fractals for the classroom. Parts 1-2, Introduction to fractals and chaos. New York: Springer Verlag. 1992. 450 pp.

Issue contents
Содержание журнала