Geometria krzywoliniowa. Możliwości i ograniczenia fasad krzywoliniowych. Przykłady realizacji
Zaawansowane geometrycznie krzywoliniowe fasady rzadko stają się elementem współtworzącym współczesną architekturę. Dzieje się tak pomimo możliwości, jakie otwierają przed nami najnowocześniejsze narzędzia komputerowe. Fascynacja światowymi nazwiskami, które zapoczątkowały ruch parametryzmu (z ang. parametricism, termin wprowadzony przez P. Schumachera), szybko zanika.
Spis treści
- Dlaczego fasady krzywoliniowe?
- Ograniczenia dla fasad krzywoliniowych
- Origami w architekturze
- Planaryzacja
- Klastrowanie
- Podsumowanie
Budynki projektowane przez biura Foster + Partners, Zaha Hadid Architects, Coop Himmelb(l)au dużo częściej są realizowane na Bliskim Wschodzie i w Azji niż w Stanach Zjednoczonych czy Europie. Dzieje się tak ze względu na przemijającą modę, lecz również ekonomikę inwestycji.
Rozwiązania fasad krzywoliniowych w architekturze są zwykle elementem dyskusji dotyczących jedynie estetyki, jednak warto przyjrzeć się takim zagadnieniom, jak ich funkcja i racjonalizacja ekonomiczna przez zastosowanie wiedzy z zakresu geometrii (np. sprowadzenie do planarnych elementów).
Dlaczego fasady krzywoliniowe?
Fasada budynku stanowi granicę pomiędzy warunkami zewnętrznymi a funkcją obiektu. Jej kształtowanie pozwala na ograniczenie wpływu warunków atmosferycznych, ale także na ich racjonalne wykorzystanie w celu poprawy funkcjonowania użytkowników. Często skala budynku, jego zróżnicowane otoczenie i geometria uniemożliwiają zastosowanie jednolitego rozwiązania fasady, które maksymalnie wykorzysta jego potencjał.
Odpowiednie zaprojektowanie fasad krzywoliniowych umożliwia wytworzenie spójnego geometrycznie układu, który lokalnie odpowiada na warunki zewnętrzne. Do zagadnień, które możemy stymulować przez formę fasady, należą m.in.: akustyka, światło dzienne, promieniowanie słoneczne, oddziaływanie wiatru oraz widok.
Wzorcowym przykładem ukształtowania fasady w sposób umożliwiający zapewnienie pracownikom widoku na przestrzeń publiczną jest Messe Basel New Hall autorstwa pracowni Herzog & de Meuron.
W zrealizowanym w 2013 r. centrum wystawienniczym fasada subtelnie otwiera widok z wnętrza budynku na otoczenie jedynie w tych fragmentach, które tego wymagają. Dzięki temu fasada zachowuje jednolity charakter na całej długości.
W projekcie wykorzystano zasady geometryczne, które można zaobserwować w mniejszej skali w siatkach cięto-ciągnionych, które przełożono bezpośrednio na rozwiązanie fasadowe. Pełne arkusze aluminiowe wymagają dodatkowej obróbki w celu przykrycia powierzchni dwukrzywiznowej. Przez nacięcie w odpowiednim kierunku, prawidłowy dobór gęstości i długości blachy możliwe jest jej formowanie w ograniczonym zakresie. W miejscach, które wymagają rozciągnięcia materiału, siatka poddaje się obrotowi w kierunku nacięć, tworząc otwarcia wykorzystane przez architektów do zapewnienia dostępu światła i widoku z wnętrza budynku.
Ograniczenia dla fasad krzywoliniowych
Łatwo sobie wyobrazić skalę trudności w zastosowaniu nieregularnych elementów fasady budynku. Już na etapie projektowym należy posłużyć się dodatkowym oprogramowaniem czy też wsparciem specjalistów, którzy pomogą w zdefiniowaniu największych wyzwań i potencjalnych metod ich minimalizacji. Warto w tym miejscu wymienić najczęstsze trudności, które powinniśmy zdiagnozować w jak najwcześniejszym etapie projektu i ocenić ich wpływ na realizację.
Dominującym czynnikiem jest ekonomika rozwiązania. Zależy ona zarówno od wybranej technologii wykonania fasady, jak jej geometrii, której optymalizacja może ograniczyć koszt, przy jednoczesnym zachowaniu koncepcji wizualnej.
Dla przykładu fasada krzywoliniowa (o ile nie jest fragmentem walca) wymaga wielu typów paneli, różniących się swoim wymiarem. Im bardziej skomplikowana geometria, tym więcej różnorodnych paneli jest niezbędnych do utworzenia jej formy. Przez optymalizację ich układu możliwe jest ograniczenie liczby typów elementów. Grupy identycznych paneli minimalizują ryzyko popełnienia błędów podczas produkcji i organizacji procesu instalacji, pozwalając uniknąć dodatkowych prac i opóźnień w realizacji.
Na koszt inwestycji wpływa również krzywizna paneli fasadowych. Najbardziej ekonomiczne zawsze będą panele planarne, czyli takie, których wszystkie wierzchołki leżą na jednej płaszczyźnie – ten typ paneli będzie szerzej omówiony w dalszej części artykułu. Kolejno trudniejsze w realizacji będą panele oparte na powierzchniach jednokierunkowo giętych. Możemy je otrzymać np. przez wygięcie kartki papieru – ich formę otrzymujemy bez dodatkowego miejscowego rozciągania materiału. Idealnym przykładem zastosowania tej zasady są realizacje architekta Franka Gehrego.
W wyniku przyjętego procesu projektowego, którego podstawą jest poszukiwanie ekspresyjnych form przez fizyczne makiety i eksperymentowanie ze zginaniem arkuszy papieru i siatek, Frank Gehry otrzymywał zawsze powierzchnie dwukrzywiznowo gięte. Dopiero w dalszym etapie były one skanowane i wprowadzane jako model cyfrowy do dalszej obróbki. W ten sposób zapewniona była geometria paneli, umożliwiająca ich produkcję jako płaskich i dogięcie ich do finalnej formy na miejscu realizacji bez potrzeby ponoszenia dodatkowych kosztów obróbki maszynowej.
Ze względu na geometrię paneli najbardziej kosztowne są powierzchnie dwukrzywiznowe. Ich znanym przykładem jest powierzchnia powstała na skutek połączenia krawędzi za pomocą błony mydlanej, znana m.in. z realizacji architekta Frei Otto (Pawilon Expo z 1967 r. w Montrealu).
Mimo upływu lat realizacje biura Zaha Hadid Architects w dalszym ciągu dominują jako przykład zaawansowanych geometrycznie fasad dwukrzywiznowych. Najłatwiej jest uświadomić sobie skomplikowanie tego typu geometrii, próbując wykonać zaokrąglony wierzchołek ostrosłupa z wykorzystaniem kartki papieru, która bez dodatkowego nacinania i rozciągania uniemożliwia przyjęcie docelowej formy.
Na podstawie wskazanych wyżej przykładów widoczne jest, jak duży wpływ na etap realizacji mają przyjęte w fazie koncepcji modele przestrzenne, narzędzia, którymi się posługujemy, oraz wiedza z zakresu geometrii. Zaimplementowanie na wczesnym etapie koncepcji specjalnych rozwiązań przestrzennych może znacząco zredukować czasochłonność realizacji i zoptymalizować jej ekonomikę.
Origami w architekturze
Wywodząca się z Chin oraz Japonii sztuka origami jest kojarzona przede wszystkim z techniką składania papieru w formę figur. Praca z arkuszami polega na wyznaczeniu linii, które są zginane wypukle lub wklęsłe, w zależności od układu i długości krawędzi, tworząc formę trójwymiarową.
Technika ta ma również zastosowanie w architekturze przy tworzeniu fasad krzywoliniowych. Stosując ją, możemy zredukować liczbę różnych elementów i zoptymalizować odpad materiału przy fabrykacji paneli. W zależności od przyjętej metody możemy wykonać podział powierzchni na trójkąty, czworokąty i pięciokąty. Kontrolując liczbę zginanych linii dochodzących do każdego z wierzchołków siatki i ich kierunek zginania, jesteśmy w stanie otrzymać powierzchnie gięte zarówno jednokierunkowo, jak i dwukierunkowo, przy zachowaniu płaskich paneli. Oznacza to, że mamy możliwość odtworzenia różnych fragmentów geometrii fasady dzięki wykorzystaniu powtarzalnego wzoru origami.
Dodatkowo warto zauważyć, że otrzymany układ elementów ma dodatkową cechę. Jeżeli wychodzimy w poszukiwaniu formy od pojedynczego arkusza, który jest odpowiednio doginany w celu otrzymania krzywizny, oznacza to również, że po wytworzeniu geometrii fasady jesteśmy w stanie ten proces odwrócić i rozłożyć powtarzalne panele na arkusze materiału, z którego zostaną wycięte. W ten sposób mamy szansę na zredukowanie odpadu materiału i przyśpieszenie procesu produkcji elementów.
Idealnym dowodem na potencjał, jaki niesie ze sobą zastosowanie zasad origami, jest Foldfinding Pavilion, zaprojektowany przez Tal Friedman. W tym przypadku projektant poszedł o krok dalej w nawiązaniu do oryginalnych zasad origami i w celu osiągnięcia formy zastosował nacięcia paneli kompozytu, które umożliwiły ich zginanie przy jednoczesnej redukcji zarówno straty materiału, jak i liczby połączeń pomiędzy elementami struktury.
Przeczytaj również:
- Skóra, która żyje! Poznaj oryginalne fasady reagujące na otoczenie
- Ceramiczne żaluzje na elewacjach. Jak uzyskać ażurowe fasady? Przykłady realizacji
Planaryzacja
Kompromisem pomiędzy krzywoliniową geometrią i ekonomiką rozwiązania jest zastosowanie paneli planarnych, czyli mających wszystkie swoje wierzchołki na jednej płaszczyźnie. Najprostszym przykładem tego typu geometrii są panele trójkątne, które zapewniają możliwość odtworzenia każdego typu krzywizny ze względu na właściwość płaszczyzny, którą wyznaczają zawsze trzy punkty, jednak te skutkują zwiększeniem liczby połączeń, elementów montażowych oraz skomplikowaniem procesu instalacji.
Zwielokrotnienie liczby wierzchołków panelu powoduje też większe niebezpieczeństwo tego, że geometria nie będzie planarna i nie da się wytworzyć elementów z dostępnych powszechnie arkuszy materiału bądź będzie to wymagało zastosowania kosztownych i zaawansowanych metod fabrykacji. Jednocześnie możliwe jest odtworzenie powierzchni dwukrzywiznowych z wykorzystaniem płaskich paneli czworo- czy pięciokątnych.
Zastosowanie odpowiedniego oprogramowania pozwala na zaprojektowanie układu paneli złożonych z większej liczby wierzchołków i automatyczne dostosowanie geometrii w sposób spełniający wymóg planarności. Należy mieć na uwadze, że w zależności od wyjściowej krzywizny, sprowadzenie do płaskich paneli będzie wymagało zmniejszenia wielkości paneli czy też nieznacznej modyfikacji formy. Jest to więc złożony proces optymalizacji geometrii, jednak poświęcony czas na etapie projektu może zaowocować zredukowaniem kosztu wykonania fasady i usprawnieniem samego procesu montażu.
Idealnym przykładem zastosowania powyższej metody jest realizacja projektu Landesgartenschau Exhibition Hall. Pawilon wystawienniczy został wytworzony z 243 różnych sześciokątnych paneli kompozytu złożonego z warstw drewna. Charakterystyczna dla obiektu jest forma paneli, które w zależności od krzywizny fasady mają różny układ krawędzi, zapewniając planarność, sześciokątny kształt i odtworzenie docelowej geometrii pawilonu.
Klastrowanie
Wiele trudności związanych z realizacją fasad dotyczy liczby elementów. Na korzyść ograniczenia ryzyka błędów produkcji i instalacji paneli działa możliwość zredukowania liczby ich typów przy zachowaniu ich zagęszczenia i formy fasady. Pracując przy modelach komputerowych budynku, operujemy w idealnym, precyzyjnym środowisku, nieraz z dokładnością do części milimetra. W rzeczywistości montaż elementów fasady dopuszcza minimalne różnice w położeniu czy orientacji w przestrzeni, bez wpływu na efekt wizualny. Powierzchnie przeanalizowane komputerowo mogą wskazywać na krzywizny geometrii, jednak te odchylenia w rzeczywistości będą niezauważalne.
Drugą cechą, która rozróżnia świat cyfrowy od realizacji, jest wielkość i geometria obiektów. W modelu komputerowym przeanalizowane elementy fasady krzywoliniowej mogą być unikatowe, jednak zestawienie ich ze sobą fizycznie może skutkować brakiem możliwości ich rozróżnienia pod względem formy.
Dlatego racjonalne jest przeanalizowanie paneli fasady krzywoliniowej pod względem wydzielenia typów geometrii, które – gdy założymy pewną korelację – mogą okazać się prawie identyczne, a ich zastąpienie przez jeden podobny typ wręcz niezauważalne. Taką strategię przyjęto przy realizacji Muzeum Soumaya w Meksyku, autorstwa pracowni FR-EE – Fernando Romero. Budynek Muzeum Sztuki Łacińskiej o wysokości 46 m o zwężającej się w połowie wysokości krzywoliniowej formie został obłożony astronomiczną liczbą 16 tys. sześciokątnych paneli.
Problemem przy ich montażu było nie tylko położenie, lecz także kąt obrotu, który dodatkowo należało zawrzeć w dokumentacji. Dlatego zdecydowano się na zastosowanie trzech metod upraszczających proces.
Po pierwsze wykorzystano sześciokąty foremne, redukując liczbę krawędzi. W celu uniknięcia kolizji między panelami, po ich uproszczeniu, zdecydowano się na zwiększenie dystansu pomiędzy sąsiadującymi elementami. Pomogło to również w zredukowaniu widoczności kąta pomiędzy sześciokątami wynikającego z planaryzacji paneli, która umożliwiła ich fabrykację z płaskich arkuszy materiału.
Ostatnią z zasad geometrycznych, którą zastosowali architekci, jest klastrowanie, czyli grupowanie elementów w podobne geometrycznie typy i zastępowanie ich w danej grupie panelem o uśrednionej geometrii. W ten sposób znacznie zmniejszono czas związany z organizacją produkcji i montażu fasady, nie wpływając na założony efekt.
Podsumowanie
Nowe techniki projektowania i modelowania trójwymiarowego niewątpliwie otwierają przed nami spektrum możliwości związanych z zarządzaniem zaawansowanymi przestrzennie geometriami. Wraz ze stopniem skomplikowania rośnie stopień trudności wydania dokumentacji, produkcji, zarządzania procesem i instalacji elementów fasady.
Specyfika zawodu architekta wymaga znajomości wielu dziedzin i dyscyplin, a jedną z nich niewątpliwie jest geometria. W dobie nowych narzędzi komputerowych równie ważne jest umiejętne korzystanie z oprogramowania, jak i świadomość ograniczeń, jakie niesie ze sobą wybór rozwiązania geometrycznego.
Przytoczone w artykule projekty stanowią dowód na to, jak wiedza i przestudiowanie formy przestrzennej fasad na wczesnym etapie podejmowania kluczowych decyzji pozwalają na ograniczenie kosztu związanego z produkcją elementów fasady a także na usprawnienie organizacji procesu wykonawczego.
