Арчи

Структурная грамматика архитектурного формообразования

By 22 апреля 2019 No Comments

Все предшествующие обобщения опыта исследований строения архитектурных объектов преследовали одну цель — определение основных позиций новой парадигмы, которая призвана дать ответы на вопросы, не имеющие ответа в традиционных рамках. Для этого были введены новые понятия, объединенные в новую понятийную систему, призванную дать схемы решения поставленных перед современной профессией проблем. Фактически объяснения поставленных вопросов и составляют основу новой теории.

Вычислительные возможности новых компьютерных технологии, используемые для решения профессиональных задач в области архитектурного проектирования, сводятся к тому, что благодаря им стало возможным осуществлять формообразование в условной среде компьютера, получившей название виртуальной реальности. С одной стороны, поскольку данная среда создана искусственно, определимы все параметры ее существования, а значит все то, что в ней происходит, может быть параметризовано, подконтрольно, предсказуемо. С другой стороны, эта среда обладает свойствами, присущими реальному пространству и времени. Но в отличие от реальной среды, мы можем изменять ее характеристики как в части свойств, характеризующих протяженность, размешенность и др., гак и во времени развития процессов, искусственно ускоряя или замедляя моделируемые процессы.

Открытие виртуальной реальности создало условия для новых экспериментов в области формообразования, которые сводились к разработке строгих правил, определяющих последовательность операций с геометрическими примитивами, из которых формально могут быть собраны формы любой сложности, в том числе и архитектурные.

Таким образом, проблема искусственного создания архитектурной формы стали сводиться к поиску алгоритма, который должен быть применен к геометрическим примитивам, чтобы можно было получить архитектурную форму во всей сложности присущих ей архитектурных свойств. В этом и заключается главная проблема. За 20 лет проведения исследований в этом направлении уже можно с уверенностью утверждать, что искусственное архитектурное формообразование возможно и имеет самые большие перспективы своего развития.

В 2003 году произошло значимое для формирования новой проектной методологии событие: Медиа-лаборатория концептуального проектирования Массачусетского технологического института начала реализацию программы сотрудничества с известным своим новаторством архитектором Фрэнком Гери, результатом которой стала новая проектная методика, получившая название Gehry/MIT (Райан С.С. Чин, 2004). В качестве основы реализации данной программы было принято специальное компьютерное обеспечение семейств CAD/CAM39. Такое программное обеспечение начало внедряться в проектирование и производство еще в 1980-е годы для выпуска конструкторских, инженерных и архитектурных чертежных комплектов.

Некоторые исследователи рассматривают процессы генерирования архитектурных форм как одну из методик параметрического проектирования. Это понятие характеризует набор методик, преследующих цель создания JD-модели объекта, которая отображает вариантность форм, обусловленную соблюдением предварительно заданных ограничений (или принуждений), которые могут быть введены в среду CAD посредством цифровых параметрических вводов, формальных процедур-правил, условий визуализации результатов проектирования и требований к тестированию объектов перед их производством.

Как уже отмечалось выше, сегодня мы еще не осознали всей мощи наступающих на архитектурную профессию компьютерных технологий. Об этом свидетельствуют многочисленные попытки приспособить компьютерные технологии к традиционным профессиональным методам проектирования и обучения. Например, с использованием графических пакетов и выводных устройств высокого разрешения архитекторы пытаются имитировать рукотворные чертежи и изображения: засечки, дрожания линий, их сменную толщину, эффекты тушевых и акварельных отмывок, карандашных рисунков и др.

Компьютер способен не только имитировать и подлаживаться под старые методологии, он неизбежно заставит перейти на методологии новые, адекватно использующие его реальные возможности. Какие же методы, способные стать основой этой будущей методологии, уже сегодня предлагают исследовательские группы и передовые архитекторы?

Примером перспективной прикладной разработки методов генеративных проектных систем в архитектуре является метод «генеративных стилистических грамматик», продемонстрированный в работах: Конинга, Эйзенберга — определение грамматики архитектурной стилистики вилл архитектора Фрэнка Л. Райта («F.L.Wright Grammar», 1982); Алваро Сиза, Ж.Х. Дуарте — выработка стилистики застройки жилого района Малагуэра («Ma.lague.im Housing Grammar»)-, Дж. Кагана — разработка дизайнерских алгоритмов для кофейных аппаратов («А Blend of Different Tastes: The Language of Coffe Makers») и стилистики автомобильного бренда Бьюик («Buick Grammar»41 42); Соуфеса поиск стилистики формы автомоби лей БМВ («BMWgrammar»), Ариды — изучение стилистики автомобиля модели «Жук» фирмы Фольксваген («The Beetle grammar»).

Метод «генеративных стилистических грамматик» доказал свою эффективность при изучении стилистических особенностей дизайна известных брэндов и творческих доктрин авторитетных дизайнеров и архитекторов. В частности, наиболее впечатляющим исследованием в этом направлении была работа Дж. Кагана и М. Пуглиза, посвященная поиску стилистической грамматики мотоциклетного брэнда Харлей Дэвидсон (HD)4-. Исследователями были проанализированы стилистические особенности дизайна наиболее популярных моделей данной марки и сформулированы 45 формальных правил данной стилистической грамматики. Владельцы фирмы по производству НО решили проверить разработанную методику на степень совпадения генераций данной проектной программы с общими представлениями обывателя о стиле НО. Провели экспертный статистический опрос по оценке 10 генерированных проектных решений. 3 из 10 проектов получили положительный рейтинг, превысивший 74%. Один проект получил более 94% совпадений с ожиданием. Это достаточно высокая степень стгошстпческого «попадания».

В связи с вышеизложенными соображениями в настоящем пособии предлагается новая структурная грамматика как специфический формальный проектный язык, построенная на использовании генеративных проектных систем, уже разработанных и опробованных в архитектурном проектировании. Ранее были указаны типы «формальных языков», которые показали свою способность к генерации архитектурного формообразования. В качестве основных в данном пособии выделены: грамматика формы (.9(7), генетические алгоритмы ((7,4), ячеистые автоматы (С74).

Генетический алгоритм (6’Л) является исследовательским методом, заложенным в описательную модель механизмов естественного отбора и процессов эволюции. В основе метода заложено условие существования некой исходной популяции, в рамках которой осуществляются процессы отбора и операционные приемы изменения (например, скрещивания и мутации), которые трансформируют данную популяцию в другую. СП являются стохастическими процессами в том смысле, что оперирование процессом генерации осуществляется в режиме случайного отбора. Генетическая алгоритмическая структура новых форм складывается под действием естественных скрещиваний и вероятностных трансформаций (как эго происходит в природе), под влиянием «внутренненаправленных» и адаптационных механизмов, характеризующих в целом механизм естественпой эволюции. Процесс трансформации одной популяции в другую происходит через множество генераций, определяющих эволюционное изменение в определенном направлении.

При обсуждении метода генетических алгоритмов следует отметить некоторые базовые термины, необходимые для описания генеративных моделей. Прежде всего эго различие между понятиями генотипа и фенотипа, которые встречаются в большинстве работ по С.4. Так Холланд вводит в первоначальный текст описания генетических алгоритмов понятие генотип, который определяет основу генетической структуры организации популяции, в то время как фенотип является «смесыо наблюдаемых характеристик» членов популяции. Важно то, что генотип является манипуляциями при скрещивании и мутациях, а фенотип предполагает селекционные процессы.

Каждая из этих методик имеет свои особенности построения генераций архитектурной формы, поэтому все они привлекаются к формируемой описательной модели в соответствии с их генеративными возможностями. Синтез этих методик определяет содержание предлагаемой эвристической модели генеративного проектирования и анализа строения архитектурных объектов. Обобщая предшествующий опыт исследований в области компьютерного проектирования, можно соотнести его с двумя принципиально отличными методологиями: логического построения структур пространственных форм и биологического, естественно-природного. Логические структуры определяют направления поисков, обусловленные проявлением «работы» систем, процессов производства продукта. Для это необходимы строгие правила, грамматические конструкции, предопределенный синтаксис взаимодействий, строго сформулированные языки. В отличие от логических структур биологические фокусируются на более «мягких» и менее строгих механизмах адаптации и эволюции, на решении вопросов целостности, самоорганизации форм, на рождении нового, непредсказуемого, на том новом качестве, которое часто нельзя вывести из логического анализа составляющих это качество. Поэтому в попытке уловить эти принципиально важные для архитектурного формообразования качества мы не делаем предпочтений какому-то одному типу генерационного механизма. С одной стороны, это позволяет избежать формализма предопределения генерации нового логикой предшествующего, исключающей творческое начало, а с другой, сохранить за формообразованием в его генерационном описании возможность воссоздания не просто комбинаторики примитивных соединений, но получения нового качества, целостности, определяющей гармонию в естественном ее проявлении, как это и происходит в биологических процессах.

Производство и применение структурных генеративных проектных систем (или грамматик) может быть использовано в проектном процессе скрыто, как некая принимаемая в разных случаях норма формообразования. Этот процесс можно сопоставить с обычным разговорным языком, когда говорящий использует определенный словарный набор и правила синтаксиса, определяющие связанность речи, но не фиксирует обязательную формализацию используемых наборов.

Для архитектурного «структурно-грамматического» формообразования свойственно обязательное следование трем главным процедурам, сформулированным В. Митчеллом — одним из основателей компьютерных грамматик:

• необходим изначальный элемент формы. Это может быть некая конкретная форма, которая будет в дальнейшем подлежать разного рода трансформациям и преобразованиям, или параметрически заданная конструкция, данные которой достаточны для определения некой формы:

• необходим «словарь» (заданный набор) элементарных компонентов формы, примитивов, определяющих их качественные морфологические отличия, освобожденные от какого-либо функционального назначения, но «сущностно» принадлежащие генерируемому объекту;

• необходим набор «монтажных» правил, предусматривающих сами процедуры замещения или взаимного перемещения.

Беспристрастная, системная формализация архитектурных форм лежит в основе генеративных проектных систем. Дискретизация пространственной формы определяет возможности параметрического управления ее свойствами.

В предлагаемом учебном пособии рассматривается продуктивная типология структур пространственной организации архитектурных объектов на основании выделения, описания их геометрического, топологического и целостно-элементного проявления. За этой внешне простой по выражению формой организации архитектурного пространства, сводимой к членению целого на части, скрываются фундаментальные свойства архитектуры, исследование которых помогает проследить многочисленные формально-логические и практические следствия. Структурные свойства организации пространства архитектурных объектов лежат в основе общих закономерностей существования архитектуры как феномена искусственной реальности. Они обеспечивают процесс действия механизмов архитектурного фо рмообразо ван ия.

Выявлены три основные алгоритма описания структурогенеза: алгоритм копирования, алгоритм флуктуации или постепенного нарастания, усложняющий, но сохраняющий структуру в целом, и, наконец, алгоритм бифуркации, качественно изменяющий структуру.

К сожалению, в архитектурной области не было задач подобного типа, требующих глубинного естественнонаучного изучения с целью определения возможностей форматизации и математического описания. В чем-то архитектура от этого выиграла, задержавшись в лоне высокого искусства. В чем-то проиграла, пожиная плоды отставания при переходе на новые методологии компьютерного проектирования. В наших общих профессиональных интересах преодоление этого отставания, поскольку это вопрос выживания архитектурной профессии с преемственным сохранением веками накопленных архитектурных традиций. Успех адаптации накопленных знаний и отыскания путей их внедрения в новую проектную и образовательную методологию даст толчок к новому развитию профессии в создающихся условиях. В противном случае новые технологии компьютерного алгоритмического формообразования могут, в силу своей дешевизны, простоты и универсальности, «захватить» архитектурный рынок и вытеснить традиционную архитектуру в область искусства архитектуры, как это произошло в мире со- времегаюй музыкальной культуры, где бал правит «попса». Методы быстрого и непритязательного проектного решения задач утилитарных строительных потребностей могут «захлестнуть» не успевшую адаптироваться традиционную культуру.

Основные стимулы к развитию исследований по изучению естественного строя архитектуры заключаются в следующем:

• собственно научный стимул определяет комплексность и сложность моделирования архи тектурных объектов с использованием физических категорий;

• социально-экономический стимул обусловлен возрастающей ролью самой практики компьютерного проектирования как необходимого условия интеграции архитектурных решений и инженерно-технических разработок.