preskočiť na hlavný obsah

Architektonicko-konštrukčné prvky fasád na báze nanomateriálov

/up/images/featured/images/0-nanometarialy.jpg

„Príspevok sa zaoberá perspektívou možnosti generovania konštrukčných prvkov schopných reakcie vlastnou „vnútornou štruktúrou" na báze nanotechnologickej modifikácie materiálov v kontexte nových architektonických trendov (parametrická architektúra, blob-štruktúry). Zameriava sa aj kontext uplatnenia nových materiálov a ekologickej udržateľnosti. Príspevok je aj konfrontáciou teoretických prác vybraných autorov."

Z recenzie doc. Ing. arch. Jána Ilkoviča, PhD.


V súčasnosti, v období digitálnej revolúcie, inteligentný softvér, inteligentná budova, videokonferencia, interaktívne blob-štruktúry a parametrický dizajn, posúvajú funkcie a hodnoty jestvujúcich architektonických štruktúr. Kultúrno-spoločenské, ekonomické a ekologické usporiadanie sa momentálne nachádza vo veľmi komplikovanej štruktúre, čo si vyžaduje nové systémy a stratégie v oblasti architektonickej tvorby. Tieto nové princípy je nutné vo vyššej integračnej úrovni zosúladiť s ostatnými vymedzujúcimi limitmi, ktoré architektúru formujú, teda obmedzenia priestoru, účelu, umiestnenia, typológie, limity dané vyhláškami a dostupnosťou materiálov, ktoré ju profilujú, či jej užívateľmi. Technológie digitálneho modelovania sa snažia tieto ohraničenia koncepčne využiť ako formujúci faktor architektonickej tvorby, na základe ktorého je možné vytvárať simulácie procesov prebiehajúcich v objekte, či jeho okolí a napasovať ho na mieru. Teda vytvoriť asociatívny systém v ktorom sú prvky konštrukcie budované vo viacerých hierarchiách a na každej úrovni. Niektoré parametre týchto prvkov sú extrahované, aby mohli byť použité ako generátor pre ostatné prvky do ďalšej úrovne. Transformácia hmotnej architektúry s virtuálnym priestorom sa postupne stáva realitou, čím štruktúry takéhoto premenného priestoru môžu nadobúdať celkom nové a neortodoxné podoby, meniť svoje funkčné a hmotové parametre v reálnom čase.

Otázka znie, či hranice priestoru, ktorý má architekt potrebu vymedziť, majú byť fixné? Nebolo by adekvátne umožniť architektúre mať svoje hranice premenné, nestále? Môže vôbec takýto priestor fungovať, akým spôsobom je ho možné definovať a aké prostriedky, resp. konštrukčné prvky má architekt na dosah, aby ho bol schopný vytvoriť. Na to, aby sme sa k odpovediam na tieto otázky dokázali priblížiť, nám čisto architektonický pohľad nestačí. Tvorba štruktúr premenného priestoru sa stáva čoraz viac multidisciplinárnym plánovacím procesom.

Integruje v sebe poznatky z biológie, ekológie, fyziky, chémie, štúdium matematických algoritmov a počítačového programovania.

Skriptovanie v procese architektonického plánovania

Projekty generované pomocou skriptovacieho algoritmu optimalizujú konštrukcie, materiál, oslnenie a vnútornú klímu. Vytvárajú sa projekty štruktúr riadenými vlastnosťami. Zaujímavou sa javí predstava, že štruktúra materiálu fasády môže úplne nahradiť nosnú konštrukciu stavby. V kontexte ekologickej udržateľnosti, je týmto spôsobom možné vytvoriť objekt v ideálnom rovnovážnom stave vnútorného a vonkajšieho prostredia. Zadefinovať v objekte možnosť samo-organizácie, ako dynamického procesu adaptácie, ktorým vytvorený systém dosiahne a udrží novovytvorenú štruktúru bez cieleného vonkajšieho zásahu. Avšak odstránenie vonkajšej kontroly úplne nevylučuje prítomnosť vonkajších síl, ktoré na systém pôsobia, pretože všetky fyzické systémy vo vnútri štruktúry existujú spolu, asociatívne v rámci fyzikálnych zákonitostí. Tvorivá metóda hľadania formy rozmiestňuje samo-organizáciu systémov materiálu pod vplyvom vonkajších síl na dosiahnutie optimalizácie smerom k požadovanej hranici výkonnostnej kapacity.

Samoregulačné systémy na báze nanotechnológií, integrované v štruktúre objektu, dokážu zabezpečiť paralelne funkcie vetrania, preslnenia, či presvetlenia, vykurovania a chladenia, prípadne funkciou zásobovania slnečnou energiou.1) Mechanizmy menia tvar aj veľkosť podľa vplyvov z prostredia. Reagujú na spotreby jednotlivých energií vo vnútri štruktúry, pri nedostatku sa aktivizujú alebo sú schopné vytvoriť ideálny stav vnútorného prostredia, na základe atmosférických zmien. Vytvárajú akýsi umelý organizmus, ktorý sa zmenou svojich vlastností a požiadaviek snaží vyrovnať s danosťami prostredia. Príkladom takejto adaptácie, ktorá v prírode prebieha, je pomer výšky rastu rastlín v teplejších krajinách ku nízkym porastom v severných častiach, s menším dopadom slnečných lúčov.

Tensegrity Tower Ondřej Otýpka

Experiment aplikujúci formu systémovej samoregulácie je Tensegrity Tower Ondřeja Otýpka z ateliérovej dielne Miloša Floriána z pražskej ČVUT. Koncept predstavuje výškový objekt vytvárajúci flexibilitu funkčného využitia, reagujúci na nové trendy, optimalizáciu stavebného diela a modulovú prefabrikáciu. Budova má schopnosť bez komplikovaných stavebných zásahov meniť svoj objem, zväčšovať sa a opäť zmenšovať podľa zmien prostredia, čo je umožnené vnútornou štruktúrou jadra zloženého z modulov osemstenov. Limitom expandovania je únosnosť jadra. Z hľadiska ekológie, objekt práve plášťom reaguje na poveternostné vplyvy svetlo, teplo, rýchlosť a smer vetra, ktoré ho formujú a ktorými sa opätovne, ako živý organizmus, dostáva do vyváženého stavu.2)

Climactive Juan E. Subercaseaux

Prírodné systémy schopné reagovať na zmenu prostredia a v určitom časovom rozmedzí sa taktiež adaptovať a mutovať v snahe prežiť a vyvinúť tak odolnejšiu formu, boli hlavnou témou dizertačnej práce Juan E. Subercaseauxa. Riešená bola v divízii AA EMTECH na Londýnskej Architectural Association. Schopnosť prispôsobenia sa daným podmienkam predstavovala nosnú os výskumu. Simulácie a analýzy priniesli spätnú väzbu v rozhodovacom procese hľadania najuspokojivejšieho výsledku symbiózy budúcej stavby a jej okolia. Prezentovaná práca skúma návrh a konštrukciu výstavného pavilónu založenú na dynamickom systéme reagujúcom na zmenu klímy. Projekt sa opiera o vývoj materiálového systému reagujúceho na zmenu vlhkosti. Pasívne dynamický vratný systém je ovládaný a prevádzkovaný bez externých mechanických zariadení, senzorov, či motorov. Stratégia spočívala v definovaní genotypu, ktorý poskytuje nevyhnutný základ pre výslednú stavbu, ktorý následne definuje fenotyp, teda fyzickú vzorku. Genotyp je vyvinutý v súlade s možnosťami výroby, čo je dôležité vymedzenie hraníc. Ide o trojuholníkový prvok zložený z hranolov so sklenenou klapkou. Štúdium materiálového systému bolo vedené v dvoch líniách na fyzickom a digitálnom modely. Úrovňou priamo ovplyvňujúcou návrh sú špecifické vlastnosti prostredia, do ktorého je stavba určená: hodnoty slnečného svitu, sila vetra, teplota a vodné zrážky. Všetky vstupné informácie sú zohľadnené a uložené v genotype a následne uplatnené v procese tvorby fenotypu. Pavilón ako obálka formujúca vnútorné prostredie je škrupinou zostavenou z trojuholníkových komponentov bez ďalšieho nosného systému. Nosná konštrukcia teda reprezentuje aktívny pórovitý plášť stavby. Nepravidelnosť komponentov stavby je určená natočením k svetovým stranám a k slnku. Stavba je vždy posudzovaná ako celok, ktorý svojim programom a tvarom reaguje na klímu, v ktorej sa nachádza. Pavilón pomocou tohto integrovaného systému samočinne reguluje vnútornú klímu hodnoty svetla, pohyb vzduchu a jeho teplotu.

Premenlivé štruktúry v parametrickej architektúre

Nasledujúce dva experimenty Moving Structure a Atom House, vytvárajú akúsi nadstavbu na spomenuté experimenty. Poukazujú na tendencie vyplývajúce z funkčnej potreby súčasného a dá sa predpokladať, že aj nasledujúceho usporiadania. Požiadavkou je premennosť, variabilita vytváraného priestoru.

Moving Structure Pavel Hladík

Materiálový systém je založený na poznatkoch expandibilných a vratne deformovateľných konštrukcií s využitím kovu s tvarovou pamäťou zliatiny NiTiCu, potiahnutých fóliou. Pohyb je umožnený riadenou zmenou medzných hodnôt závislých od teploty. Pri nízkych teplotách stav odoláva zaťaženiu a určuje výslednú medznú geometriu. Vzájomná interakcia medzi článkami spôsobuje pohyb a vďaka hľadaniu miesta a poskytovaniu priestoru susedným článkom celá štruktúra mení svoj tvar. Ovládaná je zvonku reguláciou prechodu elektrického prúdu alebo je možné nechať pôsobiť samotné prostredie na kov.*

Atom House Miloš Florián

Na téme aplikácie nanotechnológií, ktoré sú využité v experimentálnej, ekologicky orientovanej programovanej architektúre je postavený výskumný projekt ATOM HOUSE z dielne ateliéru Miloša Floriána z ČVUT, uverejnený v časopise ERA 21. Projekt je postavený na báze akejsi molekulárnej stavebnice, kde je pohyb jednotlivých častí strojov poháňaný svetlom, elektrickým poľom, prípadne prúdom plynu. Materiálová báza je založená na predpoklade možnosti vzniku úplne nového typu materiálov v súčasnosti s neobvyklými vlastnosťami. Predpokladá, že by sa pri ich tvorbe mohla regulovať presná poloha jednotlivých chemicko-fyzikálnych skupín. Ich komponenty by boli tvarované pomocou CAD systémov a konštruované v simulovanej nanotovárni.4)

Predpoklad ďalšieho vývoja systémov na báze nanomateriálov

Dôležité je definovať, čo môžeme považovať za nanomateriál a v akej mierke sa pri ich štruktúrach pohybujeme. Je potrebné poznamenať, že v metrickom systéme, má „nanomierka"5) rozpätie pod 1 mikrometer (^m) a nad 999 pikometrov (pm). Kritériá vzťahujúce sa k rozlíšeniu medzi nano a „non-nano" sú určené použitím pracovnej definície pre nanotechnológie, ktorá je približne 1 až 100 nm. Akýkoľvek materiál s jedným alebo viacerými internými alebo externými rozmermi v nanomierke je považovaný za nanomateriál.

Nanomateriály a nanokompozity kombinujeme do nanoštruktúr, ktoré môžeme zjednodušene nazvať molekulárnymi stavebnicami. Ich jednotlivé bloky sa skladajú z molekúl s desiatkami až stovkami atómov a dajú sa poháňať elektrickým polom, svetlom alebo prúdom plynov.

Konštrukcia týchto materiálov s presne definovanou aditívnou štruktúrou na atómovej úrovni a s integrovanými molekulárnymi zariadeniami vykonáva rôzne funkcie pre potreby fungovania objektu. Tieto systémy možno programovať tak, aby sa chovali distribuovaným spôsobom veľmi podobne ako vzájomne spolupracujúce bunky v ľudskom tele, menili tvar a prispôsobovali sa zmenám prostredia.6)

Takýmto spôsobom je možné vytvoriť flexibilný, ľahko fabrikovateľný, konštrukčný prvok fasády, ktorý má zmysel a možnosti uplatnenia pri uvažovaní o architektúre inšpirovanej prírodou, na báze skriptovacích algoritmov a prispeje tak reálnemu rozmeru materiálovokonštrukčnej základne parametrickej architektúry. Tá sa momentálne pohybuje skôr len v teoretickej úrovni. Počítačová simulácia vytvárajúca relatívne presné modely v rôznych veľkostných a časových mierkach v súčinnosti s koncepciou využívania nanotechnológií na základe vhodnej kombinácie chemických, fyzikálnych, funkčných a estetických vlastností, vie doplniť a výrazne obohatiť zaužívané projekčné postupy. Taktiež optimalizovať výrobné procesy a tým znížiť materiálne a časové náklady na stavbu objektu, ako aj objem zaťaženia životného prostredia. Uplatnenie a rozšírenie poznatkov aplikácie nanomateriálov je možné aj v oveľa širšej mierke, ako je konštrukcia fasády. Akútna problematika živelnej urbanizácie by vedela pomocou flexibility nanoštruktúr dynamickejšie reagovať na meniace sa požiadavky moderného mesta a postupne sa neinvazívne transformovať. Čoraz sofistikovanejšie systémy v architektonickej tvorbe prispievajú ku kvalite vytváraného prostredia a aplikujú aktuálne trendy neoplazmatického dizajnu, čo predstavuje zohľadňovanie výsledkov medziodborovej spolupráce a prelínanie stavebných objemov s biologickou hmotou.

1)    Florián, M. (2007) Tam dole je spousta místa aneb od kvantových teček k nanoarchitektuře. ERA 21, S/2007, str. 61 63, ERA 21. ISSN 1801-089X, registrácia MK ČR E 15709
2)    Otýpka, O. (2010) TENSEGRITY TOWER. 2010. ARCHITEKT 01 2010, str. 9S, KABINET. ISSA 08627010, registration MK ČR 4636
3)    Hladík, P. (2006) Bottom-up: Architektura vzhůru nohama. ERA 21, S/2006, str. 69 70, ERA 21. ISSN 1801-089X, registration MK ČR E 1S709
4)    Florián, M. (2007) Tam dole je spousta místa aneb od kvantových teček k nanoarchitektuře. ERA 21, S/2007, str. 61 63, ERA 21. ISSN 1801-089X, registration MK ČR E 1S709
5)    Uvedené na internete, 8. január 2011. European Commission. Scientific Basis for the Definition of the Term "nanomaterial". European Union 2010. <http://ec.europa.eu/health/scientific_committees/emerging/docs/scenihr_o_032.pdf>, (January 2011)
6)    FLORIÁN, M.: FLO(W). In: ARCHITEKT, roč. 2010, č. 01, str. 66 69, KABINET. ISSA 0862-7010, registrácia MK ČR 4636
*) zdroj: www.nolimat.com

Ing. arch. Soňa Tóthová, FA STU Bratislava Recenzent: doc. Ing. arch. Ján Ilkovič, PhD., FA STU Bratislava Vizualizácie: O. Otýpka, J. E. Subercaseaux, S. Tóthová

zdroj: VYDAVATEĽSTVO EUROSTAV, spol. s r.o.

Obsah textu nie je možné bez súhlasu autora / autorov ďalej šíriť a publikovať

Páčil sa vám článok?

áno: 205     nie: 145

Odporúč

pošli na vybrali.sme.sk

 

Odporúč známemu


logo © 2007 4-INDUSTRY, s.r.o. Všetky práva vyhradené. Ochrana údajov –  Podmienky poskytnutia služby