Содержание к диссертации
Введение
1 Глава I. Предпосылки и основные этапы развития биомиметического подхода в архитектурном проектировании 14
1.1. Интерпретация архитектуры, как второй природы 14
1.2. Предпосылки формирования биомиметики как отдельной области знаний
1.2.1. Практические предпосылки (архитектура) 17
1.2.2. Теоретические предпосылки 20
1.2.3. Инженерно-технические предпосылки, основанные на изучении природных объектов 1.3. Понятие биомиметики. Специфика понятий биомиметика и бионика 30
1.4. Основные этапы развития БМ подхода в архитектурном проектировании
1.4.1 Ввод понятий форма, конструкция, материал, процесс, функция. Общее описание развития науки биомиметики 32
1.4.2 Оформление биомиметики. БМ подход на основе природных формы и конструкции. С 1930-х гг 34
1.4.3 БМ подход на основе природного процесса. Со второй половины 1970-х гг 45
1.4.4 БМ подход на основе природного материала. С 1990-х гг 52
1.4.5 Комплексный БМ подход на основе природных характеристик (форма, конструкция, материал, процесс, функция). С 2000-х гг 59
1.5. Структура биомиметики 62
1.5.1. Классификация, основанная на этапах биомиметического подхода 63
1.5.2. Классификация Вернера Нахтиголя (1998) 64
1.5.3. Классификация МатееваМатея (1983) 65
1.5.4. Классификация но уровням и типам заимствования биомиметических принципов (2007) 67
1.5.5. Современная структура архитектурной биомиметики (2013) 68
1.6. Выводы по главе 1 70
2 Глава П. Характеристики живой природы в принципах и методах архитектурного проектирования
2.1 Принципы архитектурного проектирования, связанные с заимствованиями характеристик у живой природы ; 74
2.1.1 Метаболизм. Принципы проектирования (на основе творчества Кионори Кикутаке)
2.1.2 Синергетика. Общие принципы проектирования (на основе процессов
самоорганизации). Синергетические градостроительные принципы (по В. А. Колясникову)
2.1.3 Принципы гармонизации естественной и искусственной сред Петры Грубер 82
2.1.4 Биоклиматические принципы проектирования М.-Э. Кнудструп 84
2.1.5 Принципы устойчивого проектирования Клауса Дэниелса (2000) 85
2.1.6 Принципы жизни. (Тайбор Гаити, Петра Грубер) 94
2.1.7 Биомиметические принципы проектирования 105
2.2 Методы архитектурного проектирования, связанные с заимствованиями характеристик у живой природы 109
2.2.1 Методы «переноса» Томаса Спэка и биомиметические методы Мэйбрит Педерсен Зари
2.2.2 Методы Петры Грубер 112
2.2.3 Методы познания 115
2.3 Выводы по главе II 118
3 Глава III. Биомиметические принципы и приемы реализации. Экспериментальное проектирование 120
3.1 Систематизация биомиметических принципов по типам заимствования и уровням применения (архитектура - градостроительство) 120
3.1.1. Уровни применения биомиметических принципов - архитектура и градостроительство 120
3.2 Биомиметические приемы проектирования 120
3.2.1 БМ приемы. Тип заимствования — форма 121
3.2.2 БМ приемы. Тип заимствования — конструкция 125
3.2.3 БМ приемы. Тип заимствования — материал 127
3.2.4 БМ приемы. Тип заимствования - процесс 129
3.2.5 БМ приемы. Тип заимствования - функция 132
3.3 Реновация как биомиметический процесс 136
3.3.1 Жизнь и архитектура 138
3.3.2 Типы БМ походов при реновации. Реновация как процесс взаимодействия нового и старого. Коэволюция 139
3.4 Экспериментальное проектирование 142
3.4.1 Применение БМ принципов при реновации малых городов. Касимов :... 143
3.4.2 Применение БМ принципов при реновации промышленных территорий. Завод технических бумаг «Октябрь» 145
3.5 Выводы по главе III 148
Заключение 150
Библиографический список 153
Список иллюстративного материала 167
Приложение. Графическая
- Понятие биомиметики. Специфика понятий биомиметика и бионика
- Метаболизм. Принципы проектирования (на основе творчества Кионори Кикутаке)
- Уровни применения биомиметических принципов - архитектура и градостроительство
- Типы БМ походов при реновации. Реновация как процесс взаимодействия нового и старого. Коэволюция
Введение к работе
Актуальность работы. Актуальность использования биомиметических принципов в архитектурном проектировании связана с тем, что современное общество столкнулось с рядом острых экономических, социальных, экологических проблем в ведении своей хозяйственной и экономической деятельности, приводящим к дисбалансу природной и архитектурной сред. Сегодня технический прогресс обуславливает усиление темпов развития экономики, а соответственно и рост промышленных предприятий. Выбросы диоксида углерода увеличиваются ежегодно, из-за чего в атмосфере возрастает концентрация этого газа, который обладает свойством поглощать инфракрасные лучи, испускаемые поверхностью Земли. Данный процесс приводит к образованию парникового эффекта. Температура повышается. Происходит смена климата.
Активная экономическая деятельность человека приводит к истреблению невозобновляемых ресурсов. За последние 40 лет потребление ресурсов на планете увеличилось вдвое. С учетом повышения технологичности жизни в городе, а вследствие этого ее комфорта, многие люди стремятся жить в городской среде. Рост городского населения приводит к увеличению плотности городской застройки. Городская инфраструктура, рассчитанная на другую численность населения, устаревает и не справляется с транспортными и пассажирскими потоками. В этой области также необходим новый подход, который позволит усовершенствовать уже существующую структуру.
Сейчас становится все более очевидно, что курс, направленный на индустриализацию и потребительское отношение к природным ресурсам, приводит к дисгармонии как внутри созданной им искусственной среды, так и разрушению ее связи с окружающим миром. Важно выстроить баланс, восстановить взаимосвязь естественной и искусственной сред.
Также актуальной задачей является повышение адаптационных характеристик архитектурных объектов и систем. Возможность трансформироваться и адаптироваться к быстро меняющимся внешним и внутренним условиям ярко представлена на примере живых организмов. Способность к эволюции, соответствию актуальным особенностям среды, в которой находится природный объект, повышает его жизнеспособность. Сегодня архитектурная среда в данном аспекте сильно проигрывает природной.
Биомиметические (БМ) принципы, то есть применение единых подходов к развитию природной и архитектурной сред, способны разрешить ряд задач, возникших в архитектурной сфере человека. Этот подход поможет усовершенствовать архитектурную
практику, сделав искусственную среду более устойчивой к внешним воздействиям, более комфортной и удобной для человека и менее вредоносной для природной, а также повысить выразительность архитектурной среды. Также актуальной задачей, поставленной перед архитектурным проектированием с использованием БМ принципов, является развитие адаптационных возможностей искусственной среды, основанное на изучении индивидуального развития живого организма (онтогенез) и эволюционирования вида (филогенез).
Применение БМ принципов может происходить в различных областях архитектурного проектирования: жилая, общественная, промышленная архитектура, ландшафтная архитектура; на уровнях проектирования архитектурного объема (здание) или градостроительства (городские районы и многофункциональные комплексы); при проектировании нового объекта или при реконструкции уже существующего.
Степень изученности темы. Диссертационное исследование опирается на научные работы, посвященные методам, принципам и подходам биомиметического проектирования, включая вопросы, касающиеся природных форм, конструкций, материалов, процессов и функций живых организмов, использование особенностей которых возможно в архитектурной практике человека.
Теоретические исследования, направленные на изучение БМ принципов проектирования рассмотрены работы Ю.С. Лебедева, М. Матеева, О.А. Гациридзе, В.Ф. Жданова, П. Грубер, Ж.М. Бениус, В. Нахтиголя, К.Дэниелса, Т.Спека, М. П. Зари, В. Олгая, К. Улриша, К. Янга.
Теоретическая база исследования включает также работы, рассматривающие синергетический подход в архитектурном проектировании В. А. Колесникова, А.Н. Анисимова, Р.А. Браже, Е.В. Николевой. Фракталы и фрактальные структуры рассматривались в работах Б. Мандельброта, В.В. Жиркова, Н.В.Касьянова. Вопросы эволюции, а именно типологического развития архитектурных объектов затрагивались в работах П. Грубер, М. Киршнера, Е.Ю. Лобанова, М. Митчел.
Проектирование архитектурных объектов и комплексов рассматривалось в работах П. Грубер, М. Паулина, Ю.С. Лебедева, М.П. Зари, А. Харриса и др.
Использование особенностей природных организмов и процессов изучалось в творчестве В. Орта, Э. Гимара, Ч.Р. Макинтоша, Ф.О. Шехтеля, Л.Г. Салливена, Ф.Л. Райта, А. Аалто, Ле Корбюзье (объемное проектирование) Э. Говарда, Э. Сааринена, Э. Глодена (градостроительные концепции).
Теоретическим исследованиям о взаимовлиянии природной и архитектурной сред посвящены работы М.П. Витрувия, Л.Б. Альберти, А. Палладио, И.В. фон Гете, Г. Грино, Л.Г. Салливена, Ф.Л. Райта, П. Солери, А. Аалто, Ле Корбюзье, В.И. Вернадского, Г.В. Есаулова, Н.В. Касьянова, Г.В. Василькова, Н.А. Сапрыкиной, а также историков и литераторов Н.И. Карамзина, А.А. Писарева, А.И. Галича, Н.И. Надеждина.
Инженерно-технические исследования, повлиявшие на формирование архитектурной биомиметики, представлены в работах, направленных на изучение движения в природе - Л. да Винчи, Г. Галилея, Д.А. Борелли, Д. Кейли; эволюции живых организмов - Ч.Р. Дарвина, Г. Спенсера, Э.Г. Геккеля, У. Матурана, Ф. Варела, морфологии растений - И.В. фон Гете, Э.Г. Геккеля, К.А. Тимирязева, К. Блосфельта, В.И. Талиева, В.Ф. Раздорского.
Применение БМ принципов в типологии формы и конструкции рассматривалось в творчестве: БМ подход на основе природной формы - М. Мауэра, М.Р. Северы, X. Пиоз, М. Соркина, Ханг Нга, Ле Корбюзье, И.В. Жолтовского, К.С. Мельникова, Л. Коста, Ф.Л. Райта; БМ подход на основе природных конструкций - М.О. Барща, М.И. Синявского, Э. Сааринена, К. Танге, Ф. Канделы, М.В. дер Роэ, Й. Утзона, С. Калатравы, В.Г. Шухова, К. Кульмана, Н.В. Никитина, П.Л. Нерви, Б. Фуллера, Н. Фостера, Н. Гримшоу, Ф. Отто.
Применение БМ принципов в типологии процесса проанализировано в творчестве: П. Солери, К. Янга, М. Пирса, К. Кикутаке, «Аркигрэм», Э.Ушиды, К. Финдлей, Ц. Хекера, К. Танге, К. Курокавы.
Применение БМ принципов в типологии природных материалов рассматривалось в работах М. Эшби, С. Шилко, П. Грубер.
Комплексный БМ подход на основе природных характеристик проанализирован в творчестве Н. Фостера, бюро DP Architects, А. Харриса, компании BioPower, компании Arnold Glass, П. Бланка, М. Пирса, Ассоциации архитекторов Мельбурна, Ч. Хоя, М. Вануччи, бюро JSWD Architekten, И.Ч. Пана, С. Рэя, Д. Дадатси, бюро Tripyque, бюро Super Limao Studio, бюро Pacific Environments Architects, Ж. Херцога и П. де Мерона, компании Magnus Larson, Р. Чирибога, Т. Гивенса, Б. Симмонса, К. Барсан-Пипу, бюро Chimera, компании The Chemical Company, Моше Сафди, Д. Тацциоли, Ш. Чен, Р. Койке, Н. Шоссона, компании SMIT, компании Philips, Э. Линакра, И.Кима, компании Sahara Forest Project, бюро Grant Associates и Wilkinson Eyre, бюро UN Studio, бюро Urbanlab.
Применение БМ подхода в проектировании отражено в деятельности следующих научно-исследовательских и образовательных учреждений: Институт вычислительного дизайна (ICD) (Штутгарт, Германия), Институт строительных структур и структурного
дизайна (ITKE) (Штутгарт, Германия), Architectural Association (АА) School of Architecture (Лондон, Великобритания), Школа архитектуры и дизайна (АНО) (Осло, Норвегия), Университет Рокфеллера, (Нью Йорк, США), Мичиганский университет, (Мичиган, США), Токийский технологический институт (Токио, Япония) и др.
Несмотря на актуальность темы, данный вопрос редко поднимается в отечественных изданиях. Максимально комплексный подход можно встретить в работах Ю.С. Лебедев, особенно в книге "Архитектурная бионика". Однако авторами книги - Ю.С. Лебедева, Е.Д. Положай, В.Ф. Жданов, Г.В. Брандт, О.А. Гациридзе, М. Шарафин, М.А. Антонян, Д.Б. Пюрвеев, А.И. Лазарев, А. Мунякович, П. Солери, СБ. Вознесенский, О. Брюттнер, Э. Хампе, В.Г. Темнов, Ф. Отто, Б. Буркхарб, X. Дрюседау, Р. Грефе, Ю. Хеннике, X. Оккен, Э. Шаур, И. Шмаль, Р. Шнейдер, К. Тивиссен, М. Матеев - были рассмотрены только формальные и конструктивные аспекты природной среды, как возможные природные аналоги для применения в архитектурной сфере. Настоящее исследование опирается на ряд положений данной книги, углубляя исследование темы применения БМ принципов в архитектурном проектировании с точки зрения использования различных типологий и рассматриваемых уровней заимствования.
Вопросы заимствования формальных и конструктивных природных характеристик рассматривались в диссертационных работах Саморая В.И., Бурлакова К.В., Байковой Е.В., Козлова Д.Ю..
Применение БМ подхода в реновации относительно ново. Впервые М. Матеев (НБР) в 1978 году вводит понятие «архитектурный трансплантизм» на II Международной конференции по бионике (Ленинград, СССР) и дает краткое описание данной сферы в книге «Архитектурная бионика» под ред. Ю.С.Лебедева.
Объект исследования - архитектурные объекты и среда, спроектированные с учетом характеристик живой природы.
Предмет исследования - использование в архитектурном проектировании подходов, основанных на характеристиках живой природы.
Цель исследования - определение основных БМ принципов для архитектурного и градостроительного проектирования, разработка системы приемов реализации выведенных БМ принципов.
Задачи исследования:
1. Изучение предпосылок формирования и этапов развития БМ подхода в
архитектурном проектировании.
-
Определение особенностей развития данной сферы знаний в России в контексте мировой практики применения БМ подхода в проектировании. Определение тенденций развития БМ проектирования.
-
Определение методов архитектурного проектирования, основанных на заимствовании природных характеристик.
-
Выявление и систематизация принципов проектирования, основанных на заимствовании природных характеристик.
-
Определение БМ принципов архитектурного и градостроительного проектирования и соответствующих им БМ приемов реализации.
6. Рассмотрение реновации как процесса, заимствованного у природы.
Границы исследования
Исторические границы. Рассмотрен процесс зарождения и развития биомиметики как отдельной области знаний в соответствии с хронологией развития общества. Для анализа выбраны наиболее характерные для каждого этапа реализованные и концептуальные архитектурные проекты, имевшие наибольшее влияние на последующее развитие БМ.
Типологические границы исследования включают изучение БМ принципов проектирования, основанных на поведении природных организмов, процессов протекающих в природе, в системе пяти различных типологий заимствования (форма, конструкция, материал, процесс, функция) и двух уровнях применения данных принципов проектирования - архитектура и градостроительство.
Методика исследования основана на комплексном методе и включает:
анализ исторических, научно-технических предпосылок возникновения БМ, как отдельной области знаний;
изучение и систематизацию опыта проектирования и строительства объектов и планировочных структур с применением БМ принципов проектирования (по литературным и электронным источникам, натурный анализ);
анализ существующих методов и принципов проектирования, основанных на заимствовании природных характеристик, определяющих процесс формирования архитектурных объектов и планировочных структур с последующим выявлением БМ принципов и приемов проектирования;
обобщение результатов, полученных в ходе исследования, формулировка рекомендаций по использованию БМ принципов для реновации малых городов;
- экспериментальное проектирование с учетом выявленных БМ принципов
проектирования.
Научная новизна исследования состоит в:
систематизации этапов развития архитектурной биомиметики;
определении структуры современной архитектурной биомиметики;
определении и систематизации БМ методов архитектурного и градостроительного проектирования;
определении и систематизации БМ принципов архитектурного и градостроительного проектирования
определении и систематизации БМ приемов проектирования, соответствующих выявленным БМ принципам и двум уровням применения - архитектуре и градостроительству;
- выявлении тенденций развития БМ проектирования.
Теоретическая и практическая значимость исследования включает:
решение экологических и экономических проблем за счет использования БМ принципов проектирования, основанных на более материалоемких, энергоэффективных, безотходных и менее вредоносных для окружающей среды процессах, протекающих в естественной среде;
решение социальных проблем за счет рационального планирования инфраструктуры искусственных образований, таких как здания, поселки, города и т.д. на основе природных образований;
повышение адаптационных возможностей архитектурных объектов и систем за счет изучения особенностей индивидуального и эволюционного развития живых организмов;
регенерация существующей городской структуры за счет применения БМ принципов в реновации;
повышение выразительности архитектурной среды за счет использования новых конструктивных решений и принципов формообразования.
Практическое значение результатов диссертационного исследования заключается в возможности:
применения БМ подхода в учебном архитектурном проектировании;
применения выведенных БМ принципов при разработке нормативных документов;
применения БМ метода в практической деятельности, как одного из методов архитектурного проектирования.
Научные результаты, выносимые на защиту:
Этапы и закономерности формирования БМ подхода;
Современная структура архитектурной биомиметики;
Классификация методов архитектурного проектирования, основанных на заимствовании природных характеристик;
БМ принципы в архитектурном и градостроительном проектировании, выявленные на базе систем принципов, основанных на заимствовании природных характеристик;
БМ приемы проектирования, соответствующие выявленным БМ принципам и двум уровням применения - архитектуре и градостроительству.
Апробация исследования.
Основные результаты исследования были изложены на научно-практических конференциях в Московском архитектурном институте (государственной академии) в 2011, 2012, 2013 гг., опубликованы в 12 научных статьях, в том числе в 2 публикациях в рецензируемых изданиях, включенных в перечень ВАК. Результаты исследования отражены в НИМ "Концепция организации занятий по теме «Перспективы развития энергоэффективной архитектуры в России» и НИР "Исследование новых тенденций реконструкции и реновации промышленных предприятий" (проект № 01201176712); представлены на лекциях, проведенных автором в Институте гуманитарного образования и информационных технологий (ИГУМО) и в Творческой мастерской архитектора С.Л.Туманина в рамках II архитектурного конкурса ПФО «Архновация». Предложенные автором принципы проектирования были внедрены в учебный процесс (учебное экспериментальное проектирование) в 2013 г. на кафедре «Архитектура промышленных сооружений» в Московском архитектурном институте (государственной академии) при разработке курсовых проектов 5 курса в мастерской экспериментального проектирования проф. Мамлеева О.Р.: «Реновация малого города. Касимов», «Реновация фабрики технических бумаг «Октябрь» в виде методики архитектурного проектирования, основанной на полученных в результате диссертационной работы БМ принципах и приемов их реализации (в 2012-13 гг.).
Структура работы.
Понятие биомиметики. Специфика понятий биомиметика и бионика
Практические -предпосылки формирования БМ подхода в архитектурном проектировании можно проследить, начиная с древнейших времен. Человек всегда обращался к .природе за идеей, помощью. Но с развитием общества, с ростом его потребностей и -технического оснащения, менялись те принципы и элементы природной среды, на которые человек обращает внимание. В книге «Архитектурная бионика» под редакцией Лебедева Ю.С. "[44] автором была предложена следующая система, состоящая из трех хронологических этапов, послуживших предпосылками формирования биомиметики, как отдельной области знаний.
Первый этап определяется стихийным использованием природных характеристик. Живя в естественной среде и формируя свою новую, более комфортную, человек отталкивался от того, что он видел, что его окружало. Он не пытался систематизировать свои знания. Основной функцией, которой наделял древний человек свои постройки, несомненно, была функция защиты. Его жилье представляло собой убежище, место, где он мог укрыться от непогоды и спрятаться от окружающих его опасностей, в лице дикой природы. Конструируя свое жилье, человек имитировал постройки животных - шалаши, термитники, гнезда, норы. Примером данных заимствований можно считать хижину южноамериканских индейцев, похожую на гнездо птицы ткач, глинобитный дом жителей Африки, напоминающий термитник. Таким образом, постройки данного этапа имитировали форму природных объектов и их основную функцию - защитную.
Второй этап имеет довольно широкие хронологические рамки с древности (с момента начала формирования архитектуры как искусства) до середины XIX в. В данный период природа являлась источником вдохновения и восхищения красотой ее форм и пропорций с эстетической точки зрения. Использование форм цветов лотоса и папируса для капителей в египетских храмах, природных мотивов в формообразовании в русских храмов, готические соборы, напоминающие лес, учет пропорции золотого сечения - все это является примером использования декоративной составляющей природных элементов. Помимо попыток копирования красоты природных форм, древние зодчие пытались использовать конструктивно -тектонические принципы построения формы. Примером данного подхода могут послужить нерватура свода готического собора, схожая с нерватурой листа растения, уменьшение диаметра колонны кверху по аналогии со стволами деревьев, канелюры на колоннах, повторяющие бороздки на стеблях растений. Подводя итог данного этапа, стоит отметить то, что человек научился переосмыслять то, что он увидел в природе и применять это на практике. Уровень технического оснащения и знания не позволяли в широкой мере применять выявленные принципы, однако применение природных форм в качестве аналога для архитектурного объекта, с эстетической точки зрения, и природных «инженерных» идей имело место быть уже в этот период.
Середину XIX в можно считать началом третьего этапа, продлившегося до сер XX в., когда биомиметика была официально признана как наука. Характеристики, которые были заимствованы у природы в данный период, связаны с ростом технического оснащения и научного знания. Именно в это время был запатентован бетон, в строительстве стали активно использоваться такие материалы, как металл и стекло. Все эти тенденции нашли отражение в стиле модерн. Данный стиль характеризуется применением «естественных», «природных» форм, обилием конструкций из металла и элементов из стекла. Третий этап был ознаменован синтезом науки и техники и как результат, архитектор получил богатый инструментарий для своей работы. Все эти события позволили по- иному использовать «природные идеи». Помимо заимствований, носивших декоративный характер, архитектор стал использовать более сложные природные приемы, такие как функционально - структурное развитие формы и более сложные конструктивные системы. Стиль модерн тесно связан с «философией жизни» [63], течением, господствующим в философии с конца XIX — начала XX вв. Данное направление не является учением о жизни, а попыткой понять ее, беря за основу целостность и ценность жизни. В истолковании понятия «жизнь» с точки зрения Д. Штенбергера, немецкого историка искусства, это «путь не логики, а биологики, и жизнь, единство с жизнью, единобытие с жизнью, со всем живым становится разгадкой, волшебным словом эпохи. Не разум, не дух, не закон, не свобода, не долг или добродетель. А именно жизнь» . Примерами стиля модерн в архитектуре является творчество таких архитекторов как В. Орта (1861-1947гг) (Народный дом, Брюссель, Бельгия, 1896-1899гг; Особняк Сольве, Брюссель Бельгия, 1892-1893гг), Э. Гимар (1867-1942) (Вход в метрополитен, Париж, Франция, 1898-1904; Дом «Койотт», Лилль, Франция, 1898-1900гг); Ч.Р. Макинтош (1868 - 1928) (Хилл-хаус, Хеленсбург, Шотландия, 1902г; Художественная школа в Глазго, Шотландия, 1907-1909гг), Ф.О. Шехтель (1859 -1926гг) (Особняк З.Г. Морозовой на Спиридоновке, Москва, Россия, 1893г; Особняк Рябушинского, Москва, Россия, , 1900-1903гг, Ярославский вокзал, Москва, Россия, 1902г). Технический прогресс и рост промышленности также повлияли и на градостроительные концепции. Например, Э. Говардом (1850-1928гг) была разработана концепция городов - садов, которые сочетают в себе, по мнению автора концепции, плюсы городских и деревенских поселений. Основная идея заключалась в создании городов определенных размеров и окруженных сельской местностью. На основе этой идеи было спланировано множество пригородов в Великобритании. Финский архитектор Э. Сааринен (1873- 1950) создал проект Большого Хельсинки, основываясь на идеальной схеме расселения по Э. Глойдену. Таким образом, идеи единения с окружением, использование природных принципов повлияло как на архитектуру объектную, так и на градостроительные концепции.
Подводя итог, стоит отметить, что дифференциация социальных процессов привела к появлению более сложной архитектуры с точки зрения функционального зонирования, и уровень заимствованных принципов также поднялся на новый качественный уровень. Архитектор, помимо копирования природных форм и линий, стал обращать внимание на взаимосвязь функции и конструкции. Течение «философии жизни» также повлияло на архитектуру тем,- что появилась концепция целостной архитектуры, подразумевающая единство дифференциации и интеграции форм.
Стоит отметить, что развитие романтизма в искусстве, формирование теории органической архитектуры и деятельность архитекторов в рамках данного стиля также являются составляющей исторических предпосылок формирования БМ подхода в архитектурной практике. Однако более подробно представители теории органической архитектуры будут рассмотрены в следующем параграфе «Теоретические предпосылки» в связи с взаимодействием данной теории с достижениями в естествознании. Обобщая результаты, выделяетсятри этапа: 1. Древность. Стихийное использование природных характеристик -функциональных особенностей природных объектов, возведенных живыми организмами, и воспроизведение их форм. 2. Древность - середина XIX в. Принцип подражания. Использование эстетических характеристик форм и конструктивно - тектонических принципов. 3. Конец XIX в. - середина XX в. Синтез науки и техники. Использование функционально - структурных, конструктивных и декоративных принципов живой природы.
Метаболизм. Принципы проектирования (на основе творчества Кионори Кикутаке)
Потребление энергии осуществляется для поддержания комфортных условий внутри здания, а именно для отопления, охлаждения, освещения, вентиляции и электроснабжения необходимых устройств. Снижение расходов на отопление и кондиционирование здания можно осуществить за счет использования эффективных изоляционных материалов, накопления теплого воздуха в атриумах, защиты помещения от проникновения нежелательных солнечных лучей за счет фасадных систем солнцезащиты, а также при компактном строительстве, то есть рациональном соотношении объема здания к площади поверхности. Для снижения затрат на освещение, стоит максимально использовать дневной свет, а для вентилирования -проектировать систему естественной вентиляции, построенной на физических законах, без лишних энергозатрат на принудительную вентиляцию.
Повышение уровня технологического знания и понимания неправильной энергетической политики привели к формированию теории «зеленой архитектуры», сочетающей в себе высокие технологии и низкое потребление энергии. В архитектурной практике и теории множество специалистов придерживаются концепции и принципов энергоэффективного проектирования. Среди архитекторов стоит выделить Кена Янга (1948-н.вр.), малазийского архитектора, получившего образование в Великобритании. Основным направлением деятельности его компании является экологичная архитектура высотных зданий, основанная на региональных особенностях и биоклиматическом подходе. Основными принципами экопроектирования высотных зданий Кен Янг считает: реакцию на экологию места, на окружение, гибкость, то есть возможность необходимого изменения, вертикальное озеленение, вторичное использование воды и материалов, использование солнечной энергии, естественную вентиляцию. Его архитектура является практическим подтверждением его теоретических взглядов: EDITT Tower (1998), Сингапур, представляющий собой трансформируемый небоскреб - сад, где все стены лодвижны, а этажи могут легко заменяться, Солярис (2011), Сингапур, являющийся ступенчатым небоскребом - парком, перетекающим из горизонтального близлежащего парка и многие др [см. ПРИЛ, Рис.5]. - - Получив" активное развитие в середине 70-хх.гг. XX века, энергоэффективное - Проектирование [58} активно развиваетсяи сегодня, оставаясь актуальной сферой применения БМ принципов в архитектурной практике. С ростом технологий и технического оснащения, с появлением новых строительных материалов появляется возможность повышения экологичности архитектуры и минимизации ее отрицательного влияния на окружающую среду.
Другим природным процессом, занимающим умы людей, стал процесс самоорганизации природных систем, то есть «процесса, в ходе которого создается, воспроизводится или совершенствуется организация сложной динамической системы»30.Еще французский философ и математик Рене Декарт (1596-1650) в работе «Рассуждения о методе» [23] (1637) предложил гипотезу об упорядочивании системы за счет ее динамического состояния. Само понятие «самоорганизация» было введено в 1947 году английским психиатром и специалистом по кибернетике Уильямом Эшби (1903-1972). В 1960хх гг. термин появился в употреблении в теории систем, а в 1970-1980хх. гг. - в физике сложных систем. Герман Хакен (1927-по наст. вр.) ввел понятие синергетики (от греч.оиу приставка со значением совместности и spyov «деятельность»), близкое к современному, в работе 1977 года «Синергетика» [81]. Автор дал определение данной науки, как области знаний, изучающей процессы самоорганизации. Несмотря на то, что изучение динамики систем и ее влияние на внутреннюю организацию началось относительно давно, только во второй половине XX века данное понятие стало проникать в различные сферы деятельности человека. Подробному изучению подверглись природные системы. Этот период отмечен первыми попытками переноса знаний, полученных из данных исследований, в сферу архитектурной теории и практики.
Существует несколько школ, занимающихся рассмотрением вопросов самоорганизации. Во-первых, школа нелинейной оптики, квантовой механики и статической физики Германа Хакена, сформулировавшего понятие «синергетика» [82]. Во-вторых, физико-химическая и математико-физическая Брюссельская школа Ильи Романовича Пригожина (12.01.1917 28.05.2003), в рамках которой была разработана теория диссипативных структур, то есть систем, способных усложнить свою структуру за счет полученной энергии извне. Данная теория была основана на работах норвежского физхимика Ларса Онзагера (27.11.1903 Также включенным в синергетику можно считать теорию аутопоэзиса, понятие в переводе с древнегреческого означающее «самосотворение», «самопроизводство». Термин был введен чилийскими учеными Умберто Матураной (14.09.1928-по наст.вр.) и Франсиско Варелой (7.09.1946-28.05.2001). В основе теории лежит идея о самопостроении и самоподдержании живых организмов, за счет внутренней организации, не разделяющей организм на производителя и продукт. Если рассматривать данную теорию как теорию о самоподдержании, сохранении структуры живым организмом, то она противоречит основным идеям синергетики, изучающей образование новых структур, и скорее относится к сфере устойчивости. Если же акцентировать внимание на самопостроении, то есть создании структуры, то, на взгляд автора настоящей работы, данное понятие соответствует основному направлению синергетики.
Рассматривая суть синергетики, Герман Хакен выделяет ключевые позиции, определяющие основное содержание данной науки: 1. «Исследуемые системы состоят из нескольких или многих одинаковых или разновидных частей, которые находятся во взаимодействии друг с другом». 2. «Эти системы являются нелинейными». 3. «При рассмотрении физических, химических и биологических систем речь идет об открытых системах, далеких от теплового равновесия». 4. «Эти системы подвержены внутренним и внешним колебаниям». 5. «Эти системы могут стать нестабильными». 6. «Происходят качественные изменения». 7. В этих системах обнаруживаются эмерджентные новые качества» (то есть особые свойства системы, не присущие ее подсистемам). 8. «Возникают пространственные, временные, пространственно-временные или функциональные структуры». 9. «Структуры могут быть упорядоченными или хаотическими». 10. «Во многих случаях возможна математизация» .
Все процессы самоорганизации состоят из конкретных этапов. Система из стабильного состояния переходит в неустойчивое, состояние неравновесия, характеризующиеся отклонением стандартных параметров системы от нормы. Это возможно только при условии, что система состоит из большого числа взаимодействующих между собой элементов, то есть является многосоставной, сложной. Важно отметить, что для достижения состояния неравновесия система должна быть открытой, то есть обмениваться с окружением энергией и веществом. В определенный момент времени изменения достигают критического состояния, точки бифуркации (точки ветвления). После чего, накопившиеся и усилившиеся изменения приводят к созданию нового порядка, новой системы с более высоким уровнем организации [86]. В конечном счете, согласно второму началу термодинамики (закону возрастания энтропии), в окружении уровень беспорядка, энтропии, повышается, а рассматриваемая система, наоборот приобретает более высокий уровень порядка, в противоречии вышеприведенному закону.
Уровни применения биомиметических принципов - архитектура и градостроительство
Эволюционирование это основной процесс, который происходит со всеми организмами в живой природе. В процессе эволюции осуществляется адаптация живых существ к изменяющимся условиям окружающей среды. Данные изменения происходят как на уровне развития вида в целом (филогенез), так и на индивидуальном уровне (онтогенез). Если филогенез применим к архитектуре скорее на уровне развития типологии, то есть изменения какого-либо определенного типа здания, рассматриваемого на длительном промежутке времени, то онтогенез рационально рассматривать на "жизненном" отрезке одного здания. Как раз этот тип эволюционного развития и лег в основу теории метаболизма.
Разделение элементов здания на временные и постоянные также является характерной чертой данного архитектурного течения. Разделив элементы по данному принципу еще на стадии проектирования, архитектор делает возможной более легкую адаптацию объекта к изменяющимся условиям на всем сроке эксплуатации здания. К постоянным чаще всего относится несущий остов здания, а к временным - внутреннее устройство, перегородки, а также сантехнический и кухонный блоки. Данное решение позволяет подстраивать внутреннее пространство под изменяющиеся потребности пользователей здания, внешнюю оболочку - под смену климатических, погодных, суточных условий, а инженерные блоки изменять на более современные и технологичные с развитием данного сектора.
Открытость является характеристикой, тесно связанной с первыми двумя. Под открытостью здания подразумевается возможность структуры к перестройке, к изменению, к трансформации. Трансформация связана с адаптацией здания под изменяющиеся условия окружающей .природной и архитектурной сред, а также под смену функциональных (внутренних) потребностей. Формирование мезопространства, в представлении Кионори Кикутаке [1], определяет собой характеристику, которая обозначает некое промежуточное пространство между . архитектурой, как упорядоченной средой, 7и ее окружением, природным или городским, более хаотичным и подверженным различным изменениям. Данное пространство формирует собой некоторую Переходную зону, позволяющую человеку по-иному воспринимать стыковку внешнего и внутреннего пространства. С другой стороны, при необходимости, оно служит неким буфером, запасным пространством, легко поддающимся трансформации при необходимости перестройки здания (временной или постоянной).
Модульность является неотъемлемой чертой всех природных организмов и объектов, начиная с подробного рассмотрения на уровне клеточного строения и заканчивая более крупным анализом составных частей организма и его пропорций. Живая природа отличается от неживой порядком, для поддержания которого требуется некоторое количество энергии. Упорядоченность структуры живого объекта выражается в некоторых закономерностях, которым подчинено строение и расположение его составных частей. Модульность, как природный принцип, позволяет упорядочить пространство, не лишая его дифференциации.
Вариативность - характеристика, которую можно рассматривать в разных аспектах. Если рассматривать вариативность с точки зрения строения объекта, его структуры, то данное свойство отвечает за разнообразие и дифференциацию его составных частей. Вкупе с модульностью, использование данного принципа позволит создать интересную, разнообразную среду, понятную для восприятия, благодаря своей упорядоченности. С точки зрения функции, вариативность выступает как принцип многофункциональности, то есть возможного разнообразия в сценариях использования пространства.
Устойчивость, как принцип проектирования, ставший популярным лишь с 70-х гг. XX века, появился в течении метаболизма значительно раньше, опередив мировую практику в среднем на 10 лет. Под устойчивостью представители данного архитектурного течения понимали экологическое проектирование, то есть архитектуру, не имеющую негативного влияния на окружающую среду, а также вписанную в конкретные условия местности и подчиняющуюся ее законам. Кионори Кикутаке также использует такой прием как минимизация площади поверхности здания. Данный прием позволяет проектировать эффективные с точки зрения экологии объекты, обладающие запоминающейся эстетикой.
Все эти принципы нашли свое отражения в проектах Кионори Кикутаке. Проектом, где воплощены все принципы метаболизма, является Sky house. «Дом одной комнаты», как называет его автор, был построен в Токио в 1958 году. Здание имеет четыре опоры, единое внутреннее пространство и террасу по периметру. Минимальное количество несущих элементов в здании делают возможным быструю трансформацию внутреннего пространства, а с помощью сдвижных ставень, закрывающих остекление по периметру дома, можно регулировать открытость внутреннего пространства и его освещенность. В доме были предусмотрены два временных блока — сантехнический и кухонный. Со временем, как и задумывал автор, они были заменены на более современные. Терраса по периметру представляет собой определенного рода мезопространство. С одной стороны, она находится в доме, но не включена в теплый контур. Вариативность выражается в различных сценариях использования внутреннего пространства, в зависимости от образа жизни и приоритетов семьи, а также в возможности регулировать открытость-закрытость помещения за счет ставень. С точки зрения устойчивого проектирования, можно отметить, что здание вписано в окружающий ландшафт и приподнято на пилоны, что минимизирует количество занимаемой площади поверхности земли. При строительстве дома использовались «дружелюбные» к окружающей среде материалы, такие как бетон и дерево. Несмотря на свой возраст, дом до сих пор функционирует по заданной программе.
Другим проектом Кионори Кикутаке является Marine city project (1958), мобильный город на бетонных платформах в море, способный передвигаться. Концептуальный проект «Дома — ели» (1966) представляет район-коммуну, состоящий из 20-30 домов, соединенных функциональными связями. С прибытием новых жителей дома могут увеличиваться, за счет добавления новых блоков - модулей, тем самым достигается естественный «рост» домов и района в целом. Квартиры в домах имеют свободную планировку, сами дома находятся в природной комфортной для человека среде. Благодаря своей форме, напоминающей ели, дома вписываются в окружающий ландшафт. На основе данного концептуального проекта в 1994 году в Токио была построена гостиница «Софитель», имеющая ту же структуру, что и дома-ели. Одним из самых ярких реализованных проектов, также воплощающим идеи метаболизма, является проект Кишо Курокавы Nakagin Capsule Tower, построенный в 1972 году в Токио. Здание состоит из центрального ядра, где расположены все вертикальные коммуникации и блоков - ячеек стандартных размеров (2.3x3.8x2.1м) с большим круглым окном в торце. Здание до сих пор функционирует, совмещая в себе офисы и жилье.
Таким образом, метаболизм, оформившийся как течение уже в 60-е гг. XX века, значительно опережал течение бионики, господствующее в России в это время. Принципы метаболизма были ориентированы на глубинные процессы, происходящие в природе, на процессы эволюции, адаптации, постоянного изменения. Данные принципы нашли свое отражение не только в концептуальных проектах, но и в реализованных архитектурных объектах. Время проверило жизнеспособность данной концепции, доказательством этому являются проекты, реализованные более полувека назад и до сих пор остающиеся актуальными.
Типы БМ походов при реновации. Реновация как процесс взаимодействия нового и старого. Коэволюция
Биомиметические принципы проектирования были выведены автором диссертационной работы на основе принципов, приведенных выше. Рассмотренные классификации отражают один и тот же процесс - изучение природы, организмов и систем, и внедрение полученных знаний в архитектурное проектирование. Это и есть суть БМ подхода в проектировании. Вышеприведенные системы принципов были сформированы в разное время и акцентировались на изучении различных природных типологий. Чаще всего уровень заимствования природных характеристик соответствовал определенному этапу развития биомиметики и отражал направление БМ деятельности специалистов в области архитектурного проектирования. Современный этап характеризуется комплексным подходом к заимствованию природных характеристик и является следствием развития БМ архитектурного проектирования на протяжении практически всего XX века. Опираясь на принципиальные позиции архитектурных течений, свойственных тому или иному периоду, и учитывая дальнейшее развитие каждого из них, были выведены следующие принципы: адаптация; открытость; вариативность; минимизация информации; устойчивость; формирование мезопространства; историчность; взаимосвязь компонентов; рост [см. ПРИЛ, Рис.25].
Некоторые из БМ принципов встречались в ранее рассмотренных системах. Однако стоит кратко уточнить, что подразумевает каждый из них.
Адаптация в архитектуре может происходить к двум различным факторам — внешним, природным (климатические, погодные условия, ориентация по сторонам света, направление ветра, особенности рельефа и т.п.) или городским (окружающая застройка и элементы инфраструктуры, функциональное зонирование территории, перспективы развития участка городской среды и т.п.) характеристикам окружения, и внутренним (функциональное зонирование проектируемого фрагмента городской застройки или архитектурного объекта), формирующим ряд ограничений, в том числе и социальные, связанные с конкретными задачами и потребностями общества. Адаптация может рассматриваться как на уровне одного здания на протяжении времени его существования (по аналогии с онтогенезом, индивидуальным развитием живого организма), так и на более длительном участке времени, как составной элемент в развитие типологии (по аналогии с филогенезом, развитием вида).
Открытость - важная характеристика, обеспечивающая функционирование городской среды как единого организма, цельной системы. Благодаря данной характеристике происходит взаимодействие между различными элементами городской среды, тем самым повышается их связность, качество пешеходных, транспортных и визуальных связей. Архитектурные объекты также могут являться элементами инфраструктуры (эксплуатируемые террасы, кровли, первый этаж, «отданный городу»). Таким образом, стирая привычную границу между архитектурой и инфраструктурой, элементы городской среды обретают большее количество функций и активнее участвуют в городской жизни. Город, как единая структура, становится более цельным.
Вариативность является важной чертой природных объектов и живых организмов. В архитектурной практике вариативность также является важным приемом. Данная характеристика позволяет использовать объект максимальное количество времени, когда одна функция сменяет другую (внутренние факторы), а также в различные погодные условия (внешние факторы). Часто различными функциями наделяют реновируемые промышленные предприятия, которые на протяжении дня могут являться рабочим пространством, а в вечернее и ночное время представлять собой площадку для проведения различных досуговых мероприятий. Многофункциональность также актуальная для объединения смежных сфер деятельности, взаимовыгодного положения объектов производства и объектов потребления, или же просто взаимовыгодного расположения промышленных объектов, где отходы (в том числе энергетические, например, тепло) одного могут стать сырьем для другого. Мультифункциональность также может иметь выражение в сфере материалов по аналогии с природными примерами (композиты, умные (адаптивные) материалы). Вариативность отвечает за разнообразие городской среды, за дифференциацию ее элементов. Как известно, из характеристик самоорганизующихся систем, именно разнообразие среды позволяет ей помимо поддержания устойчивости, развиваться, достигая нового качественного уровня.
Минимизация информации является также немаловажным принципом построения природных структур. Данный принцип можно рассматривать как использование простых элементов при построении более сложных. Использование фракталов, самоподобных единиц, из которых выстраивается более крупная форма, подобная составляющим ее частям, является приемом минимизации информации в природной среде. Также фракталы используются и в архитектурной практике, что позволяет достичь высокого разнообразия городской среды, используя унифицированные элементы. Небольшой размер и унификация элементов позволит сократить расходы серой энергии (изготовление, транспортировка, сборка, монтаж), тем самым . повысив устойчивость архитектурной среды. Устойчивость объекта обусловлена его возможностями поддержания внутреннего равновесия и постоянных параметров системы. Для архитектурной среды данный принцип - очень актуален, так как ведение активной промышленной деятельности нанесло колоссальный вред окружающей среде, многие ресурсы которой исчерпаемы. Использование альтернативных источников энергии, создание энергоэффективных материалов и конструкций, переработка материалов, безотходность производства - учет всех этих аспектов позволит повысить устойчивость архитектурной среды и минимизировать ее вредное воздействие на природную.
Формирование мезопространства, то есть создание стыковых зон (интерьер -экстерьер, участок - город, новое - старое и т.п.), позволит связать все объекты в единую систему, нивелировав границу между различными зонами. Стыковые зоны обладают огромным потенциалом, так как могут иметь характеристики, свойственные двум соседствующим пространствам. Эта особенность делает более легкой и рациональной трансформацию этой территории под различные нужды, например, временное увеличение пространства интерьера, за счет прилежащей к зданию территории.
Историчность. Учет и сохранение ценных фрагментов застройки, их важность и роль при реновации архитектурной среды - залог сохранения «городской памяти». Историчность в архитектуре подобна генетической памяти в мире природных организмов и обеспечивает выбор верного вектора дальнейшего развития архитектурной типологии или какой-либо городской территории, учет всех преимуществ и недостатков объекта, актуального для своего времени, подобие «учебного пособия» для архитекторов и градостроителей. Помимо этих преимуществ, использование старых фрагментов застройки в формировании новой архитектурной среды позволит повысить ее устойчивость, снизив затраты серой энергии на производство, транспортировку и монтаж новых сооружений.
Взаимосвязь компонентов застройки городской среды позволит повысить ее цельность, то, что является одним из важнейших условий комфортного функционирования человека в ней.
Рост территории «вовне» (присоединение) или «вовнутрь» (уплотнение) представляет собой естественный процесс, связанный с жизнью и развитием.
Выведенные БМ принципы архитектурного проектирования (адаптация, открытость, вариативность, минимизация информации, устойчивость, формирование мезопространства, историчность, взаимосвязь компонентов, рост), на взгляд автора настоящей работы, включают в себя опыт предшествующих архитектурных направлений, основанных на изучении характеристик природной среды, способных повысить качество архитектурной. Данные принципы позволяют оптимизировать архитектурную среду на различных уровнях (форма, конструкция, материал, процесс, функция), минимизировать ее вредное воздействие на окружение за счет учета природных особенностей и следования физическим законам, координирующим жизнедеятельность всех организмов на Земле.
