Διπλωματική Εργασία: HoloPark - Σχεδιασμός με Υπολογιστικά
Συστήματα Ρευστών Σωμάτων | Computational Fluid Particle Design Systems
Φοιτητής:
Στέλιος Ανδρέου
Επιβλέπων Καθηγητής: Παρμενίδης Γιώργος
Σύμβουλος Καθηγητής: Βασιλάτος Παναγιώτης
Τμήμα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών
Αντικείμενο της διπλωματικής
εργασίας αποτελεί ο σχεδιασμός ως αποτέλεσμα χωρικών δυναμικών μετασχηματισμών.
Πρόκειται για μια μορφογενετική διαδικασία η οποία μελετάται μέσα από τις
γεωμετρικές προσομοιώσεις των μετασχηματισμών μέσω εξωγενών και ενδογενών
δυνάμεων , κάνοντας χρήση ανυπόστατων σωματιδίων – σημείων [particles], αξιοποιώντας την
δυνατότητα αφενός επίδοσης σε αυτά οποιασδήποτε ποιοτικής και ποσοτικής τιμής
και αφετέρου προσδιορισμού των διαμοριακών τους σχέσεων. Παράγοντας ως εκ
τούτου συστήματα αυτοοργάνωσης, εσωτερικής συνέχειας και τοπολογικών ποιοτήτων.
Φυσικά εξελικτικά συστήματα χρησιμοποιούνται ως πεδίο πηγής για την
ανάπτυξη της μορφής τόσο με πρόθεση χωρο-οργανωτική όσο και για την εύρεση δομικών
στοιχείων, σε μια προσπάθεια χειραγώγησης των φυσικών δυνάμεων είτε μικρο- είτε
μακροσκοπικά για την παραγωγή δομής κα παττερν.
Απόρροια αυτών των μετασχηματισμών είναι καμπύλες αναδυόμενες γεωμετρίες οι
οποίες διατηρούν τις πληροφορίες και την γενεαλογία των εξελικτικών συστημάτων
απ’ όπου παρήχθησαν και αρθρώνουν κατ’ αυτόν τον τρόπο τοπολογικές συσχετίσεις
και ενέχουν το στοιχείο της συνέχειας.
Η μελέτη επικεντρώθηκε στον σχεδιασμό μέσα από την διερεύνηση της
συμπεριφοράς ρευστών σωμάτων, προσδιορίζοντας δηλαδή τις διαμοριακές σχέσεις στο
υπολογιστικό περιβάλλον έτσι ώστε να προκύπτει ένα σώμα το οποίο να αναπτύσσει
χαρακτηριστικά ρευστού σώματος, όπως είναι το ιξώδες. Αποτέλεσμα της αρχικής
έρευνας αποτελούν μακέτες που συνήθως απεικονίζουν στιγμιότυπα αναπτυσσόμενων
μορφών είτε γενικά ιξωδών μορφωμάτων υπό την επήρεια εξωγενών δυνάμεων αλλά και
στοχοποιημένη αναζήτηση εξελικτικών συστημάτων για την παραγωγή συγκεκριμένου
σχεδίου όπως είναι το σχέδιο ταφόνι. Ταφόνι ονομάζονται οι διαμορφώσεις που
συναντάμε στους διαβρωμένους λίθους από τον καιρό, στους μετασχηματισμούς θινών
από τους ανέμους κτλπ.
Ένα από τα βασικά ερωτήματα που θέτω είναι, πώς μπορούν να δοθούν χωρικές
συσχετίσεις σε πραγματική κλίμακα βάσει τέτοιων δομών; Στη συνέχεια κάνω τρείς εφαρμογές τέτοιων προσομοιώσεων σε πραγματικά
περιβάλλοντα δίνοντας κλίμακα στις αυτό-αναπτυσσόμενες μορφές με σκοπό την
ανάλυση της συμπεριφοράς τους και διερευνώντας γενικά με ποιον τρόπο μπορώ να
αξιοποιήσω τις πληροφορίες που μου δίνει ένα τέτοιο σύστημα.
Δείτε το βίντεο animation με δείγμα των
προσομοιώσεων εδώ.
Case Study 01.
Τοποθεσία μελέτης επιλέγεται το παλαιό ελαιουργείο στην Ελευσίνα. Πομπός ρευστού σώματος ακολουθεί μια διαδρομή
ανάμεσα στα κτίρια και στο αμφιθέατρο των εγκαταστάσεων του ελαιουργείου με
μηδενική βαρύτητα και χαμηλό και σταθερό ιξώδες.
Παρατηρούμε πως το ρευστό
εγκλωβίζεται και διαμορφώνεται ανάλογα της διαδρομής που κάνει και των
εφαπτόμενων περιορισμών που συναντά. Στη συνέχεια επιλέγεται ένα στιγμιότυπο
της προσομοίωσης για περεταίρω μελέτη και εξάγοντας ως πληροφορία τις εντάσεις
του ρευστού πραγματοποιείται μια γεωμετρική μετάφραση βάσει αυτών
χρησιμοποιώντας ένα σύνολο σφαιρών διαφοροποιημένου μεγέθους.
Case Study 02.
Τοποθεσία μελέτης επιλέγεται η πλατεία Κλαυθμώνος. Στην προσομοίωση αυτή
κινητήριος εξωγενής δύναμη αποτελούν τρία πεδία εντάσεων που έλκουν το ρευστό
σώμα και τοποθετούνται σε τρεις εισόδους-εξόδους δρόμους της πλατείας. Το
ιξώδες αρχικά είναι χαμηλό και προς το τέλος αυξάνεται. Ταυτόχρονα
δημιουργείται μια τυρβώδης ροή και η εναλλαγή των τιμών της μεταβλητής της
διαχυτικότητας του ρευστού παράγει και ανάλογη συμπεριφορά και πάττερν. Στην
συνέχεια επιλέγεται ένα στιγμιότυπο αυτού το οποίο δανείζει τα στοιχεία της
εξελισσόμενης μορφής σε έναν εξαγωνικό κάνναβο. Προϊόν αυτής της γεωμετρικής
αναλογίας είναι ένα σχέδιο εξαγωνικών πυρηνών το οποίο εξαπλώνεται στην
πλατεία, παραμορφώνεται ανάλογα των διευθύνσεων των διανυσμάτων ταχύτητας των
μορίων του ρευστού σώματος που αναπτύσσονται εντός του πεδίου ροής σε κάθε
σημείο και το σύνολο αυτού αποκτά ένα συνεχές μεταβαλλόμενο ύψος ανάλογο των
πυκνώσεων-αραιώσεων που δημιουργούνται βάσει προσκείμενων πιέσεων και
τάσεων.
Case Study 03.
Τοποθεσία μελέτης επιλέγεται η περιοχή
του Ελαιώνα. Τα πεδία έντασης εδώ τα εισάγω βάσει αρχικής αναγνώρισης του
περιβάλλοντος χώρου, σε μεγάλη κλίμακα με έναν χάρτη noli-plan εδραιώνοντας τα κενά και τα πλήρη της περιοχής τα οποία θα λειτουργήσουν
και ως συστατικά στοιχεία του πεδίου ροής. Το κενό είναι το υπόβαθρο του
σχεδιασμού και τα πλήρη λειτουργούν ως περιορισμοί της κίνησης του ρευστού
σώματος. Στη συνέχεια η δημιουργία ενός χάρτη με τους κοινωνικούς ρόλους της
ευρύτερης περιοχής βοηθά στην εισαγωγή των πεδίων εντάσεων στο αντίστοιχο
ψηφιακό περιβάλλον. Κάθε κοινωνικό στοιχείο που εντοπίζεται στον χάρτη γίνεται
αντιληπτό ως ένα φάσμα, ένα πεδίο στον χώρο και χαρακτηρίζεται από
διαβαθμισμένη ένταση ανάλογα με την εμβέλεια της κάθε κοινωνικής πυκνότητας
στον χάρτη. Τα στοιχεία αυτά μεταφέρονται ως πληροφορία στην προσομοίωση ως
πεδία εντάσεων με συγκεκριμένες τιμές. Έτσι έχουμε φάσματα κοινωνικών δεδομένων
ως πεδία φορτίσεων που αλληλεπικαλύπτονται και αλληλοεπιδρούν και διαμορφώνουν
το ρευστό έλκοντας η απωθώντας το.
Ύστερα από ένα σύνολο πέντε προσομοιώσεων με διαφοροποιημένα σενάρια της
εξελισσόμενης μορφής και εναλλασσόμενες τιμές των μεταβλητών των υποκειμένων
που καθορίζουν τους δυναμικούς μετασχηματισμούς του συστήματος καταλήγω με μια
απειρία στιγμιότυπων.
Στο σημείο αυτό εισάγεται ένα σενάριο χρήσης, το οποίο αφορά ένα θεματικό
πάρκο με κεντρική ιδέα τις ψηφιακές προβολές ως εκθέματα. Για την επιλογή του
στιγμιότυπου έγινε μια μελέτη πληθών απ’ αυτών βάσει της καταλληλότητας τους
σε σχέση με το ζητούμενο λειτουργικό πρόγραμμα
που τέθηκε, όπως φαίνεται στο διάγραμμα.
Στις πρώτες μακέτες αυτής της εφαρμογής έγινε άμεση μεταφορά της γεωμετρίας
του ρευστού σώματος στην κλίμακα του οικοπέδου, θεωρήθηκε δηλαδή η ίδια η
μεταβαλλόμενη μορφή ως διάγραμμα κτιρίου. Στη συνέχεια μεταφέρθηκαν ως
πληροφορία οι εντάσεις, οι διευθύνσεις και η διαχυτικότητα των μορίων του
ρευστού στο έδαφος του οικοπέδου. Αποτέλεσμα αυτού είναι ένα έδαφος με πτυχώσεις που
μορφοποιείται παρόμοια με τις διαμορφώσεις των ταφόνι. Σε μια πρώτη ανάγνωση παρατηρούμε
σε κάτοψη πως σχηματίζονται χωρικές οργανώσεις και διευθετήσεις συγκεκριμένου
σχεδίου και διασυνδέσεων και σε τομή μια συνεχής εδαφογραμμή μεταβαλλόμενη από κύλα και κυρτά τμήματα.
Έτσι χρησιμοποιείται ένα στιγμιότυπο – διάγραμμα ως βάση του masterplan, γνωρίζοντας ότι
οτιδήποτε σχεδιαστεί βάσει αυτών των γραμμών θα είναι κομμάτι του ίδιου
αυτοοργανωμένου συστήματος. Σύμφωνα με το σενάριο χρήσης θεωρήθηκε μεγάλο
κομμάτι του εδάφους ότι θα παραμείνει ανοιχτό λειτουργώντας ως μια δημόσια
πλατεία και τα τμήματα που χρήζουν κλειστού χώρου τοποθετήθηκαν ανάλογα των
απαιτούμενων τετραγωνικών, ως κτίρια – κελύφη αναπόσπαστα κομμάτια και συνέχειες
του σχεδίου του εδάφους. Όγκοι κτιρίων οι οποίοι άλλοτε εμφανίζονται να είναι
θαμμένοι μέσα στους λόφους, άλλοτε φαίνονται ως μεγάλες μάζες που αιωρούνται
ανάμεσα στις εξάρσεις του εδάφους και άλλοτε φαίνεται να αποτελούν φυσικές
συνέχειες της μορφοπλασίας του.
Με την ίδια λογική σχεδιασμού αναζήτησα την φύση των κελυφών τόσο ως προς
τα ανοίγματα τους όσο και την κατασκευαστική τους λογική. Σε μια παραλλαγή
αυτών προσπαθώ να αξιοποιήσω την βαθμιδωτή μετάλλαξη του ρευστού σώματος για
την παραγωγή του όγκου και την μορφοπλασία του κελύφους. Σε μία άλλη, αναζητώ
τοπολογικές και δομικές επιφάνειες βασισμένες σε εξαγωνική δομή με αποτέλεσμα
πχ ένας φορέας με εξαγωνικό σκελετό του οποίου το πάχος μεταβάλλεται ανάλογα
των τάσεων που αναπτύσσονται σε αυτό. Τελικό προϊόν αυτής της αναζήτησης
αποτελεί ένα σύστημα κατά το οποίο η επιφάνεια του κελύφους θεωρείται ως μια
εύπλαστη, ιξώδης, γλοιώδης οντότητα η οποία αποκτά υφή αλλά και ανοίγματα μέσω
εξωγενών δυνάμεων και κατάλληλων διαταραχών.
Τα κελύφη αυτά δεν αφορούν την παραδοσιακή και ιδεατή μηχανική έκφραση των
βελτιστοποιημένων κελυφών σε θλίψη αλλά ούτε πρόκειται αποκλειστικά και για
κατασκευές που προέρχονται από τις γραμμές μιας top-down μεθόδου σχεδιασμού. Προσεγγίστηκαν και με τις δυο
μεθόδους. Ψηφιακές μέθοδοι
βελτιστοποίησης συνδυάστηκαν με διαισθητικές τεχνικές μοντελοποίησης και όλο
αυτό σε μια λούπα ανατροφοδότησης πληροφοριών από το ένα στο άλλο.
Στην συνέχεια έγινε μια στατική ανάλυση των κελυφών με την μέθοδο των
πεπερασμένων στοιχείων. Δεδομένων συνθηκών φορτίσεων, μόνιμων και κινητών
φορτίων και κατάλληλων περιορισμών μου δόθηκε η δυνατότητα μέσα από αυτές τις
προσομοιώσεις να εξετάσω όλα τα κελύφη ως προς τις τάσεις που αναπτύσσονται
στις επιφάνειές τους, εάν υπάρχουν σημεία κρίσιμα που χρειάζονται βελτιστοποίηση
καθώς και να αποφασίσω βάσει αυτών των πληροφοριών πού είναι η καλύτερη δυνατή
τοποθέτηση των ανοιγμάτων. Ιδανικά θα έπρεπε να ακολουθήσουν αλλεπάλληλες
διαδοχικές αναλύσεις όπου ο φορέας θα μπορούσε να είναι και μικρότερος με
περισσότερους ελέγχους επάρκειας που θα οδηγήσουν στην όσο τον δυνατόν
βελτιστοποίηση της γεωμετρίας και στην ελαχιστοποίηση των αναπτυσσόμενων
τάσεων.
Για την κατασκευή τους, κάθε κέλυφος αναλύεται και τεμαχίζεται με βάση την
τοπολογία της αρχικής τους γεωμετρίας. Έτσι έχουμε μια σειρά από blocks - πανέλα τα οποία με
κατάλληλη τοποθέτηση και ενοποίηση σχηματίζουν στο σύνολό τους το κέλυφος. Τα
πανέλα αυτά προέρχονται από καλούπια
υψηλής πυκνότητας πολυστερίνης τα οποία με ρομποτικά μηχανήματα και cnc milling τεχνικές αποκτούν
τις κατάλληλες καμπυλότητες. Στη συνέχεια αφού δημιουργηθούν τα απαιτούμενα δύο
κομμάτια του κάθε block από ινοπλισμένο
σκυρόδεμα (με κατάλληλα πρόσμικτα) τοποθετούνται ενδιάμεσα μονωτικά και
συγκολλητικά υλικά και ενώνονται. Τα ανοίγματα των κελυφών αποτελούνται από
τρισδιάστατα εκτυπωμένα μεταλλικά κουφώματα και θερμοδιαμορφωμένα υαλοστάσια
ώστε να αποκτήσουν τις κατάλληλες καμπυλότητες. Επίσης, λόγω της κλίμακας των
λοφίων και των συσσωρευμένων χωμάτινων όγκων θεωρείται ότι ενισχύονται και αυτά
στο εσωτερικό τους ως αναδιαμορφώσεις του εδάφους μέσω κατάλληλων οπλισμών
παρόμοια με αυτά που χρησιμοποιούνται στα οδικά έργα.
Σε κατάλληλα σημεία του κελύφους-μουσείου τοποθετούνται προτζέκτορες και
μηχανήματα τεχνολογίας τρισδιάστατων προβολών και στον δημόσιο χώρο εισάγονται
αστικά φωτιστικά τα οποία ταυτόχρονα λειτουργούν και ως προβολείς των ψηφιακών
εκθεμάτων. Η έντονη κλίση πολλών λοφίων εξυπηρετούν και ως σκηνικό των
προβολών.
Απόρροια της εργασίας αυτής είναι ένα περιβάλλον στο οποίο έδαφος, κτίριο,
τα μέρη αυτών και το σύνολό τους όλα συνενώνονται σε μια συνεχής γραμμή. Ο
τοπολογικός χώρος γίνεται αντιληπτός μέσα από τις συνεχείς καμπύλες επιφάνειες
στις οποίες σε κάθε σημείο, κάθε χώρος είναι συνυφασμένος με τον αμέσως διπλανό
η επόμενό του. Οι χώροι ακολουθούν μια γεννόσημη λογική ως προς την
διαδοχικότητα τους, στον έναν φυτρώνεται ο επόμενος χωρίς σαφείς διαχωρισμούς.
Η όψη και η κάτοψη δεν αποτελούν ξεχωριστές οντότητες αλλά συμπλέκονται μεταξύ
τους χωρίς να υπάρχει σαφές σημείο ή γραμμή που να τα ξεχωρίζει. Το δάπεδο
κάμπτεται και γίνεται τοιχίο, ο τοίχος καμπυλώνει καθώς γίνεται ταβάνι, το
οποίο στη συνέχεια πάλι μέσω συνεχής καμπύλης επιφάνειας αλλάζει διεύθυνση και
μετατρέπεται σε ένα στοιχείο το οποίο αφήνεται στην κρίση και στον
προσανατολισμό του περιπατητή για το αν είναι βατό ή όχι. Οι επιφάνειες εδώ δεν
ορίζονται σαφώς ως προς το πόσο βατά είναι λόγω της μεταβαλλόμενης φύσης τους.
Όλα τα στοιχεία βρίσκονται σε μια συνεχή μετάβαση. Υπάρχει μια συνεχής τροποποίηση
τόσο της κίνησης όσο και της προοπτικής. Δεν μπορείς να σταθείς μπροστά στην
όψη ενός μέρους της πλατείας και να προσανατολισθείς καθαρά ως προς αυτήν,
καθώς η όψη αυτή συνεχώς μεταβάλλεται, δεν υπάρχει πρόσοψη. Με κάθε νέο
ενδεχόμενο βήμα η προοπτική και οι όψεις αλλάζουν.
Στο κέντρο της πλατείας υπάρχει μια έξαρση αυτής της χωρικής εμπειρίας,
καθώς διαβαίνοντάς το αντιλαμβάνεται κανείς πως συγκλίνουν εκεί πολλαπλά
επίπεδα και χώροι, υπάρχουν πολλές επιλογές για το που να κινηθεί και
δημιουργείται ένα ιδιαίτερο επικοινωνιακό κέντρο καθώς οι διασυνδέσεις είναι
τόσο πλούσιες που κάνουν τον περπατητή να συμμετέχει σχεδόν σε κάθε σημείο της
πλατείας. Μπορεί να επιλέξει να συνεχίσει μια πιθανή διαδρομή μέσω της ράμπας,
είτε να τον απορροφήσει η διαμπερότητα ενός κελύφους καθώς εκεί που βρίσκεται
βλέπει όχι μόνο μέσα ή πέρα από αυτό
αλλά και σε άλλο επίπεδο στο βάθος του, ή να κατεβεί την σκάλα και να
περπατήσει δίπλα στην μεταβαλλόμενη κατάσταση του εδάφους που γίνεται κτίριο
και ξανά έδαφος και να συνεχίσει μετά στο αστικό τοπίο. Ακόμα μπορεί να ανεβεί
“κατά λάθος” στην πλαγιά ενός κελύφους ή να κατεβεί στο κοίλο μέρος που
δημιουργείται το αμφιθέατρο απ’ τις ίδιες τις τοπογραφικές καμπύλες.
Οτιδήποτε έχει σχεδιαστεί -είτε αυτό είναι μια πτύχωση του εδάφους, κάποιο
κέλυφος, ένα κομμάτι του κελύφους που αναδιπλώνει και γίνεται πάγκος, ένας
χώρος φύτευσης, η τοποθέτηση των επίπλων στο καφέ ή η αλλαγή της κατεύθυνσης
μιας σκάλας- όλα αυτά αποτελούν μέρη του ίδιου αυτοοργανωμένου συνόλου καθώς
έχουν συνδιαμορφωθεί κάτω από τους ίδιους κανόνες ανάπτυξης και τάξης.
