Моделирование как инструмент проектирования

При традиционном подходе к проектированию архитектор выбирает некий концептуальный подход,  относительно которого ведется дальнейшая разработка («от образа», «от функции», «от социальных аспектов»). Проектировщик обобщает информацию относительно объекта, анализирует связь с окружающей средой, определяет ограничения, а затем создает в своей голове модель. Далее он ретранслирует ее на бумагу в виде эскизов, набросков, чертежей. Затем происходит анализ изображения, выявляются проблемы и неточности, рисунок меняется до тех пор, пока не будет получен приемлемый результат, отвечающий всем заданным параметрам. При таком подходе архитектор напрямую связан с моделью, и она является продуктом его субъективных умозаключений.

Однако предлагается использовать альтернативный подход к проектированию. Современная ситуация в сфере научного познания и в профессиональной практике позволяет утверждать, что требуется разработка теоретического обоснования принципиально нового понимания процесса и метода архитектурного проектирования как установления связей между обществом и архитектурой не напрямую, а посредством использования моделей, обладающих эмерджентными свойствами. То есть моделей со сложным поведением, но структура которых состоит из элементов взаимодействующих друг с другом по простым правилам. Выгода использования таких моделей состоит в относительной простоте их построения. При этом они позволяют имитировать сложные процессы.

Имитационное моделирование является продуктом не только научной, но и творческой деятельности архитектора, является генеративным инструментом формообразования, позволяя увязывать между собой сложные процессы, которые влияют на структуру и форму объекта.

 

Модель и архитектор

Как действует архитектор в процессе проектирования? Обычно он обобщает информацию относительно объекта, анализирует связь с окружающей средой, определяет ограничения, а затем создает в своей голове модель. Далее он ретранслирует ее на бумагу в виде эскизов, набросков, чертежей. Затем происходит анализ изображения, выявляются проблемы и неточности, рисунок меняется до тех пор, пока не будет получен приемлемый результат, отвечающий всем заданным параметрам. Такой метод проектирования является традиционным. Архитектор напрямую связан с моделью, и она является продуктом его субъективных умозаключений.

Однако существует ряд других подходов моделированию. Иногда отстранение и отчуждение архитектора от процесса проектирования ведет к интересным результатам. Так при проектировании порта в Йокогаме архитектурная мастерская FOA использовала компьютерный алгоритм для генерации формы по заданной функциональной схеме. Архитекторы были очень удивлены полученному результату и сначала даже посчитали его неприемлемым. Отчуждение архитектора кому-то может показаться регрессом, заменой человека машиной. Мне кажется, что это нужно рассматривать, как этап в разработке нового архитектурного языка. То есть отчуждение интерпретируется как наблюдение за работой модели. Это способ приблизиться к глубинным сущностям и законам развития природы.

Чарльз Дженкс замечает качественно новые изменения в архитектурном мышлении, которые в будущем могут перерасти в архитектурную парадигму[1]. Прежде всего, он это связывает с переходом общества от неклассического к постнеклассическому пониманию мира. Во второй половине 20 века появились новые науки – синергетика[2] и информатика[3]. Они принесли с собой серьезные изменения во все области деятельности человек, в том числе и архитектуру. Феномен отчуждения возник в связи с этим переходом. Опираясь на возможности, предоставляемые компьютером, постнеклассический взгляд на мир все больше влияет на архитектуру.

 

Имитационное моделирование в архитектуре

Итак, для чего же нужно моделирование?

1. Модель или прототип используется как инструмент, который позволяет создавать сложные структуры с эмерджентным поведением.

2. Архитектор может увязать друг с другом большое количество параметров, что при традиционном методе было просто невозможно.

3. Появляются новые возможности в области формообразования и экспериментирования с  экзотическими формами.

    

    Вводные параметры и выходные данные

   Состояние модели компьютерной или физической зависит от вводных данных. От них будет зависеть поведение системы и трансформации объекта.

    

   Принцип работы модели

   Принцип работы предлагаемого подхода упрощенно таков:

          input ---> черный ящик ---> output

   где input - входные параметры, которые необходимы для функционирования объекта (инсоляция, сила ветра, снеговые нагрузки и т. д.)

   output - решение задачи (это может быть решение по прокладке маршрутов, расчет конструкции, оптимальное размещение функций на ГП и т. д.)

   черный ящик - инструмент позволяющий решить данную задачу. По-другому - вычислитель.

    

   Агентное моделирование и системная динамика

   Итак, черный ящик является инструментом вычисления. Роль необходимых вычислений производит модель. Модели бывают выстроенными «сверху вниз» и «снизу вверх».

   1. Построение модели «сверху вниз» так же называют системной динамикой. Модель строится от общей структуры к частным элементам.

   Однако для нашего вычислителя такой способ построения модели не подходит так как цель вычислений - общая структура о которой мы во многих случаях можем ничего не знать.

   2. Построение модели «снизу вверх» называют агентным моделированием. Аналитик определяет поведение агентов на индивидуальном уровне, а глобальное поведение возникает как результат деятельности множества агентов. При использовании такого метода на основе простых правил можно строить сложные нелинейные структуры. Важным признаком таких структур является эмерджентность - наличие у какой-либо системы особых свойств, не присущих её подсистемам и блокам; несводимость свойств системы к сумме свойств её компонентов.

   Для того чтобы использовать синергетический подход необходимо выстраивать модель на основе эмерджентности и самоорганизации. Эти свойства присущи как природным системам, так и искусственно созданным.

    

   Типы моделей-вычислителей

   модели-вычислители можно разделить на группы:

   1. Живые организмы. Использование в качестве вычислителя простейших, насекомых, животных а так же их тканей и частей. 

   2. Неживые структуры. Фрай Отто называл их аналоговыми моделями. Например, он и использовал в проектировании подвешенные нити, которые принимали оптимальное положение в пространстве (рациональная линия изгиба арки). В качестве аналоговой модели может выступать любой природный или неприродный материал (система из резиновых элементов с применением нагрузки или мыльная пена для получения "минимальной поверхности").

   3. Wet A-Life (искусственно созданные организмы). Это так называемая жизнь в пробирке - искусственно созданные белки и другие молекулы

   4. Soft A-Life (компьютерное моделирование)

      - Клеточные автоматы

      - L-системы

      - Эволюционные алгоритмы

    

   Раньше наиболее применяемой в архитектурном проектировании была группа под номером 2 (Антонио Гауди, Фрай Отто), однако в последнее время с развитием компьютерных технологий вперед вышла группа номер 4 (AA, MIT, Emergent design group, kokkugia, Biothing, Michael Hansmeyer, MRGD, R&Sie(n)).

   Стоит отметить отличее от архитектурной бионики, где изучаются природные структуры, а полезные свойства переносятся в архитектуру.

   Данный метод больше похож на экспериментирование. Исследователь может сам до конца не знать, каким будет результат. Такова природа сложных процессов. Небольшие отклонения или мутации могут привести к значительным изменениям. Группы 1,3 обладают большим потенциалом, но об использовании их в архитектурных целях пока информацию найти не удалось.

    

   Генеративная граматика

   Кристоферу Александеру принадлежат первые попытки создания генеративной грамматики. В 1977 он опубликовал работу «язык паттерна: города, здания , конструкции». Им были выделены 64 паттерна, каждый из которых определял некий пространственный морфотип. В частности для торгового центра он выделял такие паттерны как блок офисных помещений, главный холл, торговое пространство, туалеты, служебные блоки, детскую зону и др.

    

   4. Структура моделирования.

    

    

В таблице представлена структура моделирования. Сначала мы рассмотрим ее составные части, а затем примеры по использованию метода прототипирования в архитектурном проектировании. Имитационное моделирование – метод построения моделей, описывающих реальные процессы. Различают два вида имитационного моделирования: системная динамика и агентное моделирование. Для первого характерен метод «сверху вниз», то есть глобальные правила генерации структуры определяются исходя из причинно-следственных связей. Во втором случае моделирование происходит «снизу вверх», а законы действия системы являются результатом индивидуальной активности членов группы. Для агентного моделирования характерны такие процессы как самоорганизация и эмерджентность.[4]

 Архитектурная мастерская "Канон", Денис Соколов