Márton Enikő: Tervezési technikák evolúciója

Márton Enikő fiatal építészként a generatív tervezést és a digitális építészeti kompozíciókat próbálja összekötni az építés és a gyártás lehetőségeivel. Ebben az írásban a generatív építészet eszközeit és lehetőségeit a témában nem otthonos építészek számára is érthetően mutatja be.
Tanulmány a Velencei Biennálé Magyar Pavilonjában kiállítandó Corpora in Sigh(t)e projekt katalógusából.

Mesterséges környezetünk objektumai tervezés és kivitelezés során jönnek létre, vagyis egy irányított, rendezőelvű folyamat eredményei. Egy létező szövetbe új struktúra kerül, amelynek igazodnia kell a meglévő rendszer globális szabályaihoz, illeszkednie kell lokális környezetébe, és alkalmazkodnia kell a saját struktúráját felépítő elemekhez. Az objektum építőelemeinek szervezése a térben – a materializálódási folyamat – hagyományosan rajzok alapján történik, míg korunkban ezt egyre inkább a digitális információ szabályozza¹, ami lehetővé teszi, hogy sokkal komplexebb, összetett szabályrendszerekre épülő objektumok jöjjenek létre.

Társadalmunk változása, kulturális fogékonyságunk és befogadókészségünk szorosan összekapcsolódik a tudomány vívmányaival és domináns nézeteivel, melyek hatása az adott korszak építészeti újításaira és irányvonalaira elkerülhetetlen. Így törént ez a számítógép és a számítástechnika megjelenésével is. A (1) normatív építészeti tervezés² végét jelenti a digitális technikák megjelenése. Kezdetben csak reprezentációs és dokumentációs eszközként alkalmazott komputer használata elvezette a tervezőket a folyamatorientált, (2) generatív tervezői gyakorlathoz, majd tovább az (3) adaptív, dinamikus rendszereket modellező tervezési technikákhoz.

Bár mind materiális – geometriai és fizikai – szinten, mind elméleti – konceptuális – szinten a tudomány fejlődése inspirálja és segíti a tervezőket, a megálmodott objektumok nagy része egyelőre a virtuális térben vagy asztali modellek formájában létezik, és az újfajta tervezési technikák mögötti elmélet még meglehetősen bizonytalan. A számítógéppel segített tervezés azonban nem csak egy új eszközt, hanem lehetőséget is ad arra, hogy az építészet újragondolja saját magát egy új kontextusban.

(1) Tervezési folyamat az egész ismeretében
Tradicionális megközelítésben a tervezés során a tervezők fejében – amely ugyan lenyűgözően sokrétű és tág, de mégis korlátozott – megszületik egy elképzelés, egy végső megoldás a tervezési feladatra. Az erről készülő információ az objektum fizikai, térbeli megjelenésének – biológiából vett hasonlattal fenotípusának – leírására szolgál. Az anyag ilyen típusú rendezése egy kizárólag felülről irányított folyamat, amelynek végén egy fizikailag stabil, passzív állapot és egy konkrét entitás jön létre. Ebben az organizációs modellben a részek (építőelemek) viszonyát, a részletek kialakítását az egész ismeretében tudjuk meghatározni. A tervező fejében először az egész épületre vonatkozó koncepció születik meg, majd a tervezési folyamat során bontakozik ki az elemek egymáshoz való viszonya, térbeli pozíciója. Ez a napjainkra az építészeti gyakorlatban kialakult, normatív tervezési folyamat.

A fizikai szint reprezentációjához az axiómákon alapuló euklédeszi geometria van segítségére a tervezőnek a kivitelezéshez szükséges rajzos információ – alaprajzok, metszetek, homlokzatok – elkészítésében. Mind az alkalmazott építőelemek, mind a technológiák, mind az információ ábrázolásához szükséges geometria, síkbeli térhatároló elemekből épülő formákat eredményez.

Elméleti szinten a normatív tervezés folyamata leginkább a klasszikus newtoni fizikához hasonlatos. A kiinduló állapot függvényében, adott szabályokat alkalmazva kiszámítható az események kimenetele. A véletlennek egy ilyen rendszerben nincs szerepe. A világ, mint egy kozmikus óramű működik, és ez a mechanikus világkép lehetőséget ad nemcsak a jövő – a tervezendő objektum létrejöttének – megjósolására, hanem a múlt eseményeinek – a betöltendő funkció – pontos felgöngyölítésére is. A szükségszerűség gépezete ez, amely egy adott felmerülő igényre a megfelelő megoldást készíti el.

(2) Dinamikus folyamat által generált egész
Már a korai tizenkilencedik századi termodinamikai kísérletek és elméletek aláásták ezt a mechanisztikus elképzelést. A huszadik század elején aztán Einstein segített megmutatni, hogy ez a kozmikus gépezet bizony korántsem olyan, mint amilyennek eddig gondoltuk, sőt attól függ milyen is valójában, hogy honnan nézünk rá. Még mindig kiszámítható óraműként működött, de már a lehetőségek gépezetének teóriája váltotta fel a szükségszerűségét, és nem egyetlen eredmény született, hanem az idő függvényében folyamatosan újabbak és újabbak generálódtak.

Komputer és digitális kódok segítségével egyre bonyolultabb műveleteket végrehajtó gépezetek váltak modellezhetővé, amelyekben a lezajló folyamatok ugyan még determinisztikusak, azonban igen hosszú időt venne igénybe, vagy lehetetlen lenne számítógép nélkül kiszámítani az időben változó eredményt. A tradicionális megközelítéssel szemben áll az a tervezői gyakorlat, amikor nem egy végső megoldás születik a tervezési problémára, hanem egy módszer vagy eljárás, amely akár végtelen számú megoldást is képes generálni. Ezek a módszerek – akár manuális, akár digitális technikát alkalmaz a tervező – szabályokon alapuló folyamatok, amelyek időben változó, összetett struktúrákat hoznak létre.

Manuális eszközökkel generált struktúrák
Ahogy a számítógép használata a tervezésben nem eredményez feltétlenül generatív folyamatokat, ugyanúgy a generatív tervezési folyamatoknak sem feltétele a számítógép használata. Ha egy kockás fehér papíron szeretnénk egyes négyzetek befeketítésével síkbeli mintázatot tervezni, akkor azt megtehetjük úgy is, hogy esztétikai érzékünkre hagyatkozva feketítjük be a négyzeteket, de úgy is, hogy szabályt állítunk fel a mintázat kialakulásának folyamatára. Nyilván a legegyszerűbb szabály, hogy minden fehér mezőt egy fekete kell, hogy kövessen, majd egészen elmehetünk több tényezős matematikai algoritmusokig is, amelyek már a sakktábla mintázatnál jóval bonyolultabbakat generálnak.³

Térbeli egységekre – például egy műanyag pohárra vagy akár egyetlen papírlapból hajtogatott formára – cserélhetők a síkbeli elemek, amelyek az általunk kitalált szabályok szerint sorolva alkothatnak háromdimenziós struktúrákat. Erre láthatunk példát a mellékelt fotókon, amelyek a MOME halgatóinak rendezett FAB-RIC workshop-on készültek.⁴ Fizikai algoritmusokra alapuló rendszerek létrehozásának első lépéseként a hallgatók műanyag poharak alakját manipulálhatták vágással, hajtogatással, tekeréssel, ezután fém tűzőkapocs segítségével síkbeli, egyszerű mintázatokat, majd térbeli, bonyolult formákat képeztek. A felépülő struktúrák létrejöttét nem kizárólag a sorolás – az egyes elemek kapcsolódási – szabályai, hanem fizikai törvények és az építőegységek anyagminősége is befolyásolják.

Másik lehetőségünk, hogy a kockás papírt, mint felületet kezeljük, és nem mint az egyes mezők sokaságát. A tervezett algoritmus a felület egyes pontjainak térbeli elmozdulását szabályozza. Erre a modellre épül az origami, vagyis a papírhajtogatásából képzett térbeli formák tervezése. A hajtogatás sorrendje, formája – vagyis a felület pontjainak egymáshoz való viszonya szabályokkal leírható.⁵

Míg az origami hajtogatással operál, a felületet ugyancsak folytonos anyagként kezelve egyéb manuális algoritmust is alkalmazhatunk. Bevágásokkal, a bevágott részek hajtogatásával, egymástól távoli felületi pontok összekapcsolásával, sőt mindezek kombinációival is képezhetünk transzformációkat. Itt is lokális szabályok alkalmazásával alakul ki a globális forma, de lényegi különbség, hogy míg a fentiekben önálló elemekből képeztünk összefüggő rendszereket, ebben az esetben egy összefüggő rendszer elmeinek (pontjainak) egymáshoz való viszonyán változtattunk. Erre példák a mellékelt fotók, ahol egyetlen, összefüggő papírfelületből készült formatanulmányokat láthatunk.⁶

Digitális eszközökkel generált struktúrák
Ugyan már a tizenkilencedik század elején – Bolyai János, Nikolaj Ivanovics Lobacsevszkij és Karl Friedrich Gauss nevéhez köthetően – megjelentek a hiperbolikus geometria matematikai leírásai, amely az első lépés volt a nem euklédeszi geometriák, topologikus felületek matematikai számíthatósága felé, a számítógépes, háromdimenziós modellezés megjelenése előtt nem volt lehetőség ezek pontos ábrázolására, tervrajzokon való megjelenítésére. A digitális modellező szoftverek használata nemcsak az íves felületek alkalmazását könnyítette meg az építészeti tervezésben, hanem a modellezett formák – az anyag folyamatosságának megszakítása nélküli – transzformációját is lehetővé tette.

Greg Lynn építész például kihasználva az animációs szoftverekben modellezhető topologikus, térbeli folyamatosságát megtartó, gumiszerűen flexibilis felületek manipulálhatóságát az idő függvényében, a virtuális térben különböző alakzatok transzformációival kísérletezik, vagy ahogy ő nevezi formákat animál.⁷ A topologikus formák felületi pontjai vektorokkal számíthatóak, így lehetőség van a felület egyetlen pontjának térbeli elmozdítására, amely azonban a szomszédos pontok elmozdítását is jelenti, megtartva a felület folyamatosságát. Ezek a transzformációk a tervező által felállított, a tervezési feladathoz illeszkedő szabályok – lépések sorozatának – alkalmazása által generálnak új alakzatokat.

Alkalmazhatóak makro szintű, az egész alakzatra vonatkozó, és mikro szintű, az alakzatot alkotó elemeket átformáló eljárások. Az első esetben a felület egyes pontjainak, a második esetben a struktúrát alkotó elemeknek a paraméterei változnak a transzformáció következtében. Amikor nem magát a formát alakítjuk át – ahogy pl. tesszük ezt az animációs szoftverek alkalmazása esetén – hanem a formát alkotó elemek paramétereinek megváltozásával generálunk új formát, parametrikus design-nak nevezzük.

Mivel a parametrikus tervezés együtt jár az algoritmusokkal leírható geometriák alkalmazásával, a tervezéshez parametrikus szoftverek használata szükséges. Branko Kolarevic, a Nicholas Grimshaw és Társai által tervezett londoni nemzetközi vasúti terminált (Waterloo Station) hozza fel példának a parametrikus tervezés szemléltetésére.⁸ A terminál lefedéséhez 36, méreteiben és paramétereiben eltérő, de formájában hasonlatos, három csuklópontos, íves rácsostartót használtak. Mind a csuklópontokban bezárt szögek, mind a tartók íve fokozatosan változott az egymás után sorolt elemeknél, amelyeket egy folytonos felülettel összekötve, többszörösen ívelt, bonyolult formát kaptak a tervezők.

Példáimban látható, hogy akár digitális, akár manuális technikákat alkalmazunk, akár a teljes struktúrát vagy csak annak egységeit manipuláljuk, a transzformációk tárgya az anyag, passzív állapotú építőelem. Formakereső, formákat generáló folyamatokkal dolgoznak a tervezők, amely folyamatok szabályai illeszkednek a tervezési feladathoz, és nem kizárólag a kiindulásnál felvetett tervezési problémára készül jó megoldás, hanem annál sokkal előbbre mutató, új lehetőségeket is magában rejlő design születik. Mi történik azonban akkor, ha a struktúrákat alkotó elemek aktív résztvevői a transzformációnak?

(3) Aktív részek által generált egész
Amint a tervezett – formageneráló – transzformációk aktív elemeket rendeznek a térben, és ezek az aktív elemek saját tulajdonságokkal rendelkeznek, előre nem kiszámítható és időben nem visszafordítható, önszerveződő folyamatokkal van dolgunk. A tervezett objektumokról a tervezés során létrejövő információ már nem a külső, fizikai megjelenést (fenotípust) írja le. A tervezők belső tulajdonságokat, működési logikákat – ismét biológiából vett hasonlattal – genotípust terveznek, genetikus algoritmusokat használva. Nem egy statikus entitás létrehozása lesz többé a cél, hanem egy működő, reagáló identitás életre keltése. Ez az organizáció – mint egy nyitott rendszer – dinamikusan reagál a külső hatásokra, folyamatosan adaptálódik környezetéhez, vagyis reszponzív.

A Corpora, szintén ilyen, aktív alkotóelemekből álló, reszponzív organizáció. Építőelemeinek viselkedése a térben határozza meg a teljes objektum formáját. A Corpora alakjának időbeli változása egyrészt az egyes elemek egymáshoz viszonyított viselkedésének, másrészt a teljes organizáció reakciójának megnyilvánulása a külső környezeti hatásokra. A tervezés a részekből, ezek egymáshoz való viszonyából indul, majd szabályokat követve a részek generálják a teljes objektumot. Mind a generáló folyamat, mind a folyamat megnyilvánulása, vagyis az objektum megformálódása szabályokra épül, algoritmusokkal működik.⁹

Genetikus algoritmusok használata a tervezésben elvezet minket egy materializáció előtti állapotig. Amennyiben a jövőben képesek leszünk a számítógépes modellekhez intenzív minőségeket¹⁰ rendelni – mint az erőeloszlás és az anyagminőség – megépíthető, a statika és a fizika törvényeihez alkalmazkodó struktúrákat kapunk. Képzeljük el, hogy a Corpora építőelemeit organikus elemekre cseréljük. A nanotechnológia fejlődésével és a számítógépes kódolás használatával nem csak William Gibson víziója¹¹ – Tokió földrengés utáni, pillanatok alatt lejátszódó újraépülése a nano-technológia segítségével – hanem a virtuális térben – pl. a Corporánál – megjelenő reszponzív átformálódás is fizikai valósággá válhat.

Ez a jövőkép a jelenleg ismert biológiai rendszerek modellezésén alapszik. A tervezés átalakulása a valós, természetes, biológiai folyamatok elveinek alkalmazásánál azonban jóval tovább vihet minket. Ugyanúgy, ahogy a virtuális tér lehetőséget teremt mind a valóság szimulálására tett kísérletekre, mind újfajta valóságok megteremtésére, fizikai környezetünkben létrejöhet egyfajta mesterséges biológia, amely új, természetben nem előforduló anyagok és technológiák használatával új, természetben nem előforduló organizációkat hozhat létre.

Márton Enikő

¹ Részleteiben is kifejti William J. Mitchell: Constructing an Authentic Architecture of the Digital Era című írásában, (megjelent: Georg Flachbart, and Peter Weibel eds., Disappearing Architecture: From Real to Virtual to Quantum, Birkhauser (Basel) 2005. című könyvében) hogyan válnak az építészeti rendszerek a digitális tervezéssel, digitális dokumentációval, digitálisan vezérelt gyártási folyamatokkal, digitális pozicionáló, összeszerelő berendezések használatával egyre összetettebb konstrukciókká. A magasszintű komplexitás nem csak kifejezőbb, de a helyszín és az építészeti program szükségleteire érzékenyebb és flexibilisebb idomulást eredményez.

² Normatív építészetnek tekinthető a tradicionális, funkciókat és megrendelői igényeket kielégítő – megrendelés, tervezés, engedélyezés, kivitelezés sorrendjén alapuló – építészeti gyakorlat.

³ A “Game of Life” John Horton Conway angol matematikus által, 1970-ben kitalált digitális sejtautomata, amely a kockás papíron fekete és fehér mezők váltakozásával létrehozott mintázatok generálásának számítógépes modellje. Működése a kiindulási kondíciótól függ. Az egyetlen input a kezdő mintázat, majd a program ebből generál újabb és újabb konfigurációkat. Időben folyamatosan változó, végtelen folyamatot kapunk, melynek momentumait „kimerevítve” keletkeznek a különböző mintázatok. E.R. Berlekamp, John Horton Conway, R. K. Guy, Winning Ways for your Mathematical Plays. A K Peters Ltd., 2004.

⁴ FAB-RIC Workshop, Moholy-Nagy University of Art and Design, Budapest (MOME), 2007 október. A szerző által építészek és designerek részére ősszeállított workshop sorozat első része.

⁵ Robert J. Lang kidolgozta Treemaker nevü szoftverét, mely alkalmas origami mintázatok generálására matematikai szabályok segítségével. Robert J. Lang, Origami Design Secrets: mathematical methods for an ancient art, A K Peters Ltd. (Natick) 2003.

⁶ Chris Perry and Aaron White: Implanting Ambient Interfaces for Collective Invention, graduate design studio, Post-graduate Program in Architecture, Pratt Institute, Brooklyn, NY 2005. A fotók a szerző saját modelljeiről készültek.

⁷ Greg Lynn, Animate Form, Princeton Architectural Press (New York) 1999.

⁸ Banko Kolarevic, ed. Architecture in the Digital Age, Design and Manufacturing, Taylor & Francis (New York and London) 2003.

⁹ Alapvetően az alkalmazott szabályok leírások, mint ahogy ezt részletesen kifejtik a szerzők a már a 90-es évek elején megjelent, Tartan Worlds elnevezésű, 2 dimenziós mintázatokat – vagy ahogy ők nevezték: designt – generáló, interaktív nyelvi rendszerekre épülő szoftvert ismertető írásukban. Ezek a szabályok vonatkoznak egyrészt azon kondíciók leírására, amelyeknek fenn kell állniuk a szabály alkalmazhatóságához; másrészt azoknak az eseményeknek a leírására, amelyek lejátszódnak, amennyiben a kondíció megfelelő. A “design folyamat”, ahogy a szerzők fogalmaznak, tehát nem más, mint átformálódás egy ismert pozícióból, illetve kondícióból egy ismeretlenbe. Ennek az átváltozásnak aztán az algoritmusoktól függően különböző szintjei, szekvenciái, származtatásai lehetségesek. Robert F. Woodbury, Antonz D. Radford, Paul N. Talip, and Simon Coppins, Tartan Worlds: A Generative Symbol Grammar System. Karen M. Kensek and Douglas Noble eds., Computer Supported Design in Architecture. ACADIA 1992.

¹⁰ Manuel DeLanda cikkében ír Gilles Deleuze intenzív és extenzív minőségekre vonatkozó gondolatait. Extenzív minőségek azok, melyek térben eloszthatóak, mint a hosszúság, térfogat, súly. Tehát, ha egy anyagot kettéosztok, akkor a felének fele akkora lesz a mérete és a súlya. Intenzív minőségek ellenben azok, amelyek nem oszthatóak. Egy 90°-os hőmérsékletű folyadékot kettéosztva nem kaphatok két 45°-os hőmérsékletű anyagot. Ilyen intenzív minőségek DeLanda szerint az építészeti struktúrákban lévő feszültségek és erőhatások. Manuel DeLanda, Deleuze and the Use of the Genetic Algorithm in Architecture, Architectural Design Vol 72. John Wilez = Sons Limited (London) 2002.

¹¹ William Gibson, Idoru, Berkley Book (New York), 1996