// Algorithm in Αrchitecture: necessary tool or ephemeral trend

// Ο Αλγόριθμος στην Αρχιτεκτονική απαραίτητο εργαλείο ή εφήμερη τάση

Κουρτίδης-Βλαχογιάννης Χρήστος

// Ο Αλγόριθμος στην Αρχιτεκτονική απαραίτητο εργαλείο ή εφήμερη τάση φοιτητής: Κουρτίδης-Βλαχογιάννης Χρήστος (11073) επιβλέπων καθηγητής: Ψιλόπουλος Άγγελος τμήμα: Εσωτερικής Αρχιτεκτονικής, Διακόσμησης και Σχεδιασμού Αντικειμένων Σχολή Καλλιτεχνικών Σπουδών Τεχνολογικό Εκπαιδευτικό Ίδρυμα (ΤΕΙ) Αθήνας Διάλεξη 7ου εξαμήνου Σεπτέμβριος 2017 Αθήνα

Ευχαριστίες Για την διεκπεραίωση της παρούσας εργασίας ευχαριστώ, τον καθηγητή μου Άγγελο Ψιλόπουλο για την υποστήριξη και καθοδήγησή του, τους γονείς μου για την υπομονή και στήριξή τους. Επίσης, ευχαριστώ την Κατερίνα Παπαδημητρίου για τις συμβουλές και την προθυμία της να μου παραχωρήσει εικονογραφικό υλικό από την πτυχιακή της εργασία «Fibro.City».

ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Περίληψη Abstract Α_ ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μία πρώτη ιδέα Στόχος Δομή Β_ ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ 1 Μεθοδολογικό πλαίσιο 1.1 Κεντρικό ερώτημα 1.2 Βηματισμός για την προσέγγιση του ερωτήματος 2 Εννοιολογικό πλαίσιο 2.1 Ορισμοί 2.1.1 Αλγόριθμος 2.1.1.1 Τρόποι αναπαράστασης αλγορίθμων 2.1.1.2 Ετυμολογία 2.1.2 Αλγοριθμική αρχιτεκτονική 2.1.3 Αλγοριθμικός σχεδιασμός 2.1.4 Γενεσιουργά συστήματα σχεδιασμού 2.1.5 Ψηφιακή μορφογένεση 2.1.6 Εξελικτικές μέθοδοι σχεδιασμού 2.1.7 Γενετικός Αλγόριθμος (ΓΑ) 2.2 Κεντρικές θέσεις 2.2.1 Αλγοριθμική λογική 2.2.2 Το απρόβλεπτο αποτέλεσμα στο σχεδιασμό 2.2.3 Γενετικοί Αλγόριθμοι στο σχεδιασμό 2.2.4 Διαδικασία μορφογένεσης μέσω ΓΑ 2.2.5 Βελτιστοποίηση της μορφής 2.2.6 Πολυπλοκότητα της μορφής 2.2.7 Γνησιότητα του σχεδιασμού

8 9 12 14 15

19 21 23 24 25 26 27 28 29 31 32 35 37 39 41 44 46 49

Γ_ ΚΥΡΙΟ ΜΕΡΟΣ 1 Φάσμα χρήσης των Αλγορίθμων 2 Μελέτη Περιπτώσεων 2.1 Elbphilharmonie, ακουστική βελτιστοποίηση της κεντρικής αίθουσας συναυλιών 2.2 Inform, form, perform Αναζήτηση της κατάλληλης μορφής του κτιρίου 2.3 Fibro.City Μορφογενετική δημιουργία πολύπλοκων μορφών Δ_ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 1 Σύνοψη του συλλογισμού μας 1.1 Φάσμα της πρόθεσης του σχεδιαστή κατά την σχεδιαστική διαδικασία 1.2 Φάσμα της λειτουργικής χρήσης των αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό 2 Τι μας οδηγεί στον αλγοριθμικό σχεδιασμό Συμπέρασμα 3 Θέματα προς περαιτέρω διερεύνηση ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ Εικονογραφικό υλικό Παράρτημα

53 57 67 85

105 106 108 110 111 113 117 119

ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η παρούσα εργασία διερευνά το τι είναι αλγόριθμος, αλγοριθμική αρχιτεκτονική και ψηφιακή μορφογένεση. Πώς οι αλγόριθμοι σχετίζονται με το σχεδιασμό και πώς οι αλγοριθμικές διεργασίες συμβάλλουν στη δημιουργία αρχιτεκτονικής μορφής. Έπειτα, εξετάζεται το στοιχείο της απροβλεψιμότητας του σχεδιαστικού αποτελέσματος, που προκύπτει από τη χρήση αλγορίθμων στο σχεδιασμό. Στη συνέχεια αναλύονται οι διαδικασίες μορφογένεσης και η λειτουργία αυτών με στόχο τον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Παρατίθεται η χρήση τους ως εργαλεία επίλυσης καλά ορισμένων προβλημάτων, με στόχο τη βελτιστοποίηση της μορφής και ως μέσα δημιουργίας καινοτόμων και αναδυόμενων μορφικών συνθέσεων, με στόχο την πολυπλοκότητα της μορφής. Με βάση αυτό το δίπολο, τίθεται το ερώτημα περί χρησιμότητας των αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Έπειτα, μέσα από τη διερεύνηση παραδειγμάτων αλγοριθμικής σχεδίασης, εξετάζονται περιπτώσεις που έχουν ως στόχο τη βελτιστοποίηση ή την πολυπλοκότητα της μορφής. Μέσα από αυτά τα παραδείγματα και με βάση το θεωρητικό πλαίσιο, εκπονούνται κάποια συμπεράσματα σχετικά με την χρησιμότητα της χρήσης των αλγορίθμων στην αρχιτεκτονική.

8

ABSTRACT This paper defines the terms algorithm, algorithmic architecture and digital morphogenesis. It explores the ways that algorithms are related to design and how algorithmic processes contribute to the creation of architectural form. Also, the unpredictability of the design solution, resulting from the use of algorithms in the design, is examined. The morphogenesis processes and their function are then analyzed with the aim of architectural design. Algorithms can be used as tools to solve well defined problems with the aim of form optimization, as well as a means of creating innovative and emerging formal compositions, with the aim of form complexity. The question that arises based on this dipole it is about the usefulness of algorithms in architectural design. Next, some case studies of algorithmic design are explored from the aims of to form optimization and form complexity. Through these examples and based on the theoretical framework, the paper conclusion is about the usefulness of using algorithms in architecture.

9

Εικ.1 http://www.karayunusemre.com/parametric-research

10

Α_

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

11

Μια πρώτη ιδέα Τα προβλήματα που καλούνται να επιλύσουν οι αρχιτέκτονες σήμερα σχετίζονται τόσο με λειτουργικούς και περιβαλλοντικούς παράγοντες, όσο με κοινωνικούς καθώς και αισθητικούς παράγοντες. Η πολυπλοκότητα αυτών των προβλημάτων αυξάνεται, καθώς η κοινωνία και οι ανάγκες της γίνονται πιο σύνθετες, και το περιβάλλον στο οποίο ζούμε πιο απαιτητικό. Φαίνεται να υπάρχουν αυξημένες απαιτήσεις όσον αφορά την επίδοση των κτιρίων, για παράδειγμα ως προς τη βιωσιμότητα, τη λειτουργικότητα και το κόστος τους. Τέτοια μετρήσιμα μεγέθη οδηγούν το σχεδιαστή στην προσπάθεια βελτιστοποίησης της μορφής, καθώς και της επίδοσης του κτιρίου. Παράλληλα με τα μετρήσιμα μεγέθη, υπάρχει και η αισθητική απόφαση. Η ανάγκη πολλών αρχιτεκτόνων και σχεδιαστών να δημιουργήσουν ισχυρή ταυτότητα και καινοτομία στο σχεδιασμό, οδηγεί στην πολυπλοκότητα των αρχιτεκτονικών μορφών. Για την οργάνωση και σχεδιαστική επίλυση αυτών των αρχιτεκτονικών προβλημάτων, ο αρχιτέκτονας-σχεδιαστής επιχειρεί να αξιοποιήσει τα τεχνολογικά μέσα που κατέχει. Στις μέρες μας τα ψηφιακά προγράμματα σχεδιασμού και μοντελοποίησης χρησιμοποιούνται ευρέως στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Συνήθως αξιοποιούνται από το σχεδιαστή ως εργαλεία καταγραφής και αναπαράστασης του τελικού προϊόντος της συνθετικής διαδικασίας. Μέσω της ψηφιοποίησης (computerization) των οντοτήτων ή διαδικασιών που έχουν ήδη συλληφθεί στο μυαλό του σχεδιαστή, αυτές εισάγονται, διαχειρίζονται και αποθηκεύονται στο σύστημα του υπολογιστή (Terzidis 2006, xii), από όπου είναι εύκολα αναπαράξιμες. Το πρόβλημα με αυτή την κατάσταση είναι ότι οι σχεδιαστές δεν επωφελούνται πλήρως από την υπολογιστική ισχύ του υπολογιστή. Ο υπολογισμός (computation) είναι ένας όρος που συχνά συγχέεται, αν και διαφέρει, με τον όρο ψηφιοποίηση (computerization). Η υπολογιστική διαδικασία (computation) στη σχεδιαστική πρακτική αφορά τον προσδιορισμό ενός αντικειμένου με μαθηματικές ή λογικές μεθόδους. Επίσης, αφορά τη διερεύνηση ασαφών και συχνά απροσδιόριστων διαδικασιών. Η υπολογιστική διαδικασία στοχεύει στη μίμηση ή την επέκταση της ανθρώπινης διάνοιας.

12

Πρόκειται για εξερεύνηση, εξορθολογισμό, λογική και αλγόριθμο. Μέσω της υπολογιστικής διαδικασίας επιτυγχάνεται η επίλυση προβλημάτων, αναπαράσταση προσομοιώσεων και άλλων διαδικασιών με βάση κανόνες (Terzidis 2006, xi). Για τη δημιουργία αυτής της διαδικασίας είναι αναγκαία η καταγραφή της στο μέσο -τον Η/Υ- από τον αρχιτέκτονα-σχεδιαστή. Αυτός ο «διάλογος» μεταξύ αρχιτέκτονα και Η/Υ επιτυγχάνεται μέσω ενός λογικού μηχανισμού διατύπωσης προβλημάτων, του αλγόριθμου.

13

Στόχος Η εργασία έχει ως στόχο να διερευνήσει εάν οι αλγόριθμοι αποτελούν απαραίτητο εργαλείο στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό ή εάν πρόκειται για εφήμερη τάση της εποχής. Επίσης, Να εξετάσει έννοιες όπως αλγοριθμική αρχιτεκτονική και γενεσιουργός σχεδιασμός, και να περιγράψει τη σχεδιαστική λογική αυτών. Να αναλύσει τον όρο ψηφιακή μορφογένεση και τις αλγοριθμικές διεργασίες που προκύπτουν από αυτή. Να παρουσιάσει τους τρόπους χρήσης των αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό.

14

Δομή Η παρούσα εργασία δομείται σε τρία βασικά μέρη: Το Θεωρητικό πλαίσιο, το οποίο χωρίζεται σε δύο υπομέρη, Στο Μεθοδολογικό πλαίσιο, όπου δομείται το κεντρικό ερώτημα της εργασία και η μεθοδολογία που ακολουθείται για την προσέγγιση του ερωτήματος. Στο Εννοιολογικό πλαίσιο, όπου αρχικά καταγράφονται οι ορισμοί των χρήσιμων εννοιών και έπειτα η ανάλυση των κεντρικών θέσεων. Το Κυρίο μέρος, όπου ορίζεται το φάσμα χρήσης των αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Στη συνέχεια γίνεται παράθεση παραδειγμάτων αλγοριθμικού σχεδιασμού στον τομέα της αρχιτεκτονικής, με στόχο την διερεύνηση των διαφορετικών χρήσεων και λειτουργιών τους κατά τη διαδικασία δημιουργίας αρχιτεκτονικών μορφών. Τα Συμπεράσματα, όπου γίνεται η σύνοψη της εργασία και των βασικών της σημείων, με στόχο την απάντηση του κεντρικού ερωτήματος. Τέλος, αναφέρονται πιθανές προεκτάσεις του θέματος.

15

Εικ.2 http://archtech.gr/?tag=morphogenetic

16

Β_

ΘΕΩΡΗΤΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ

17

18

1. ΜΕΘΟΔΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ 1.1 ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΕΡΩΤΗΜΑ Σύμφωνα με τον Τερζίδη, «[…] Η πραγματική ισχύ των αλγορίθμων έγκειται στη συνεργατική σχέση μεταξύ ανθρώπινου μυαλού και Η/Υ, για την επίλυση του προβλήματος.» (Sivakumar 2009, 39) Το βασικό ερώτημα που πραγματεύεται η παρούσα εργασία σχετίζεται με το αν οι αλγόριθμοι είναι χρήσιμοι στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό και τους τρόπους που μπορούν να συμβάλλουν σε αυτόν. Η χρησιμότητά τους καθορίζεται από το εάν σήμερα αποτελούν απαραίτητο εργαλείο στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Δηλαδή, εάν χρησιμεύουν στην επίλυση σχεδιαστικών προβλημάτων ή αν λειτουργούν ως μέσα δημιουργίας πολύπλοκων μορφών. Η σημαντικότητα του ερωτήματος έγκειται στους ακόλουθους παράγοντες: Αρχικά, στην πρόθεση διερεύνησης των αλγοριθμικών διεργασιών και των τρόπων μέσω των οποίων μπορούν να αξιοποιηθούν στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Επίσης, στο ενδιαφέρον για αξιολόγηση του φάσματος των πιθανών εφαρμογών του αλγοριθμικού σχεδιασμού στην αρχιτεκτονική. Τέλος, στην ανάγκη κατανόησης της τάσης που υπάρχει προς τη χρήση αλγοριθμικών διεργασιών στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό.

19

20

1.2 ΒΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΤΟΥ ΕΡΩΤΗΜΑΤΟΣ Στη συνέχεια περιγράφεται ο βηματισμός που θα ακολουθήσουμε για τη διερεύνηση του ερωτήματος. Αρχικά, θα ξεκινήσουμε μελετώντας τους βασικούς ορισμούς και το εννοιολογικό πλαίσιο το οποίο αυτοί ορίζουν. Στόχος είναι να διαπιστώσουμε το πώς η αλγοριθμική λογική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Εν συνεχεία, θα ορίσουμε το φάσμα στο οποίο κυμαίνονται οι αλγοριθμικές διεργασίες στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Επίσης, ένας άλλος παράγοντας που είναι σημαντικό να λάβουμε υπόψη είναι η πρόθεση του σχεδιαστή κατά τη σχεδιαστική διαδικασία. Δηλαδή, το κατά πόσο ο ίδιος έχει διαμορφωμένη στο μυαλό του τη μορφή του σχεδιασμού του ή εάν η χρήση αλγορίθμων λειτουργεί συνεργατικά με το σχεδιαστή, έχοντας ως στόχο τη δημιουργία μορφής. Έπειτα, θα διερευνήσουμε παραδειγματικές περιπτώσεις αντανακλούν τις βασικές θέσεις που αναλύσαμε νωρίτερα.

που

Τέλος, συνοψίζοντας το συλλογισμό μας, θα επιχειρήσουμε να συμπεράνουμε το κατά πόσο η χρήση των αλγορίθμων είναι ένα χρήσιμο εργαλείο στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό.

21

22

2. ΕΝΝΟΙΟΛΟΓΙΚΟ ΠΛΑΙΣΙΟ 2.1 ΟΡΙΣΜΟΙ 2.1.1 Αλγόριθμος Ο αλγόριθμος, σύμφωνα με τον Τερζίδη, είναι μία υπολογιστική διαδικασία διατύπωσης ενός προβλήματος σε ένα πεπερασμένο αριθμό βημάτων (Terzidis 2006, 15), χρησιμοποιώντας λογικές εκφράσεις τύπου αν-τότε-άλλο, if-then-else (Terzidis 2006, xii). «Περιλαμβάνει διαδικασίες μείωσης, επαγωγής, αφαίρεσης, γενίκευσης και δομημένης λογικής. Είναι η συστηματική εξαγωγή λογικών αρχών, και η ανάπτυξη ενός γενικού πλάνου επίλυσης. Οι αλγοριθμικές στρατηγικές αξιοποιούν την αναζήτηση επαναλαμβανόμενων μοτίβων, καθολικών αρχών, εναλλασσόμενων υποσυνόλων, και επαγωγικών συνδέσεων» (Terzidis 2006, 65). [1] Παρομοίως, συμφωνά με τους Schneider και Gersting, αλγόριθμος είναι ένα καλά δομημένο σύνολο σαφών και αποτελεσματικών υπολογιστικών λειτουργιών, που όταν εκτελούνται παράγουν ένα αποτέλεσμα σε ένα πεπερασμένο χρονικό διάστημα. (Hazem 2009, 5) «Οι αλγόριθμοι είναι συνταγές υπολογιστικών διεργασιών που οδηγούν σε επιθυμητά αποτελέσματα», λέει ο Andrei Markov.

(El-Khaldi 2007, 32) Παραδοσιακά οι αλγόριθμοι χρησιμοποιούνταν ως μαθηματικοί και λογικοί μηχανισμοί για την επίλυση συγκεκριμένων προβλημάτων. Μετά την εφεύρεση των Η/Υ, οι αλγόριθμοι αποτέλεσαν τη βάση για την επίλυση προβλημάτων μέσω των Η/Υ. (Terzidis 2006, 15)

[1] Μετάφραση: (Παπαλεξόπουλος 2007)

23

2.1.1.1 Τρόποι αναπαράστασης αλγορίθμων Φυσική γλώσσα (natural language). Δομημένο κείμενο που περιγράφει με προτάσεις τα βήματα του αλγορίθμου που οδηγούν στην επίλυση του προβλήματος. Αποτελεί τον πιο ανεπεξέργαστο τρόπο παρουσίασης ενός αλγορίθμου και θεωρείται αναξιόπιστο, καθώς υπάρχει περίπτωση το νόημα του κειμένου να ερμηνευτεί διαφορετικά από τον εκάστοτε αναγνώστη. Διάγραμμα ροής (flowchart). Αποτελεί σχηματική αναπαράσταση ενός αλγορίθμου ή μίας διαδικασίας.

Εικ.3 Διάγραμμα ροής https://en.wikipedia.org/wiki/Flowchart

Κωδικοποίηση (coding), σε ψευδογλώσσα και γλώσσα προγραμματισμού. Ψευδογλώσσα, είναι μία συνοπτική και άτυπη περιγραφή ενός αλγορίθμου του Η/Υ, που χρησιμοποιεί τις δομικές συνθήκες των γλωσσών προγραμματισμού, αλλά παραλείπει δηλώσεις μεταβλητών και τη σύνταξη με συγκεκριμένη γλώσσα. Η κωδικοποίηση της ψευδογλώσσας προγραμματισμού συχνά αναπαρίσταται με φυσική γλώσσα (Hazem 2009, 12). Γλώσσα προγραμματισμού, είναι κάθε τεχνητή γλώσσα που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο μίας μηχανής και συγκεκριμένα του Η/Υ. Έχει συγκεκριμένους συντακτικούς και σημασιολογικούς κανόνες, που καθορίζουν τη δομή και το νόημα, αντίστοιχα. Στόχος της είναι να εκφράσει τους αλγορίθμους σε μορφή εκτελέσιμη από τον Η/Υ (Hazem 2009, 14).

24

2.1.1.2 Ετυμολογία Σε αντίθεση με την κοινή πεποίθηση, η λέξη αλγόριθμος δεν είναι Ελληνική. Η καταγωγή της είναι Αραβική και αποδίδεται σε έναν Πέρση αστρονόμο και μαθηματικό, ονόματι Al-Khwarizmi (Terzidis 2006, xii). Ο Al-Khwarizmi έγραψε μία πραγματεία στα Αραβικά το 825μΧ, με τίτλο «Σε υπολογισμό με Ινδικούς αριθμούς» (On Calculation with Hindu Numerals), που μεταφράστηκε στα Λατινικά τον 12ο αιώνα ως Algoritmi de numero Indorum, θέλοντας να αποδώσει το όνομα του συγγραφέα και τον τίτλο. Όμως, οι αναγνώστες παρανόησαν το όνομα, θεωρώντας την κατάληξη της λέξης ως πληθυντικό στα Λατινικά, οδηγώντας στη δημιουργία της λέξης «αλγόριθμος» (Λατινικά: algorismus), στην οποία δόθηκε η σημασία «υπολογιστική μέθοδος» (Hazem 2009, 7)

25

2.1.2 Αλγοριθμική αρχιτεκτονική Η αλγοριθμική αρχιτεκτονική (algotecture) είναι ένας όρος που υποδηλώνει τη χρήση αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Σύμφωνα με τον Τερζίδη, «[…] Διαφέρει από τους όρους CAD (computer-aided design) και γραφικά υπολογιστών, υπό την έννοια ότι οι αλγόριθμοι δεν εξαρτώνται απαραίτητα από τους υπολογιστές, σε αντίθεση με τα προηγούμενα. Αυτή η διάκριση είναι σημαντική καθώς αποσυνδέει τις μαθηματικές και λογικές μεθόδους που χρησιμοποιούνται για την διατύπωση ενός προβλήματος από τη μηχανή που διευκολύνει την εφαρμογή αυτών των διαδικασιών. Αυτή η χρήση εμπλέκει την εφαρμογή μίας στρατηγικής για την επίλυση των προβλημάτων όταν ο στόχος είναι γνωστός, καθώς και την αντιμετώπιση προβλημάτων χωρίς καθορισμένο στόχο». [...] «Υπάρχουν κάποια προβλήματα των οποίων η πολυπλοκότητα, η ασάφεια και το εύρος των πιθανών λύσεων απαιτούν τη συνεργασία του ανθρώπινου μυαλού και του Η/Υ. Αυτή καθίσταται εφικτή μέσω της χρήσης αλγορίθμων, που εξασφαλίζουν την συμπληρωματική και διαλεκτική σχέση μεταξύ του ανθρώπινου μυαλού και του Η/Υ».

(Terzidis 2006, 37)

Εικ.4 Zaha Hadid, Civil Courts – Madrid, 2007 http://www.patrikschumacher.com/Texts/Parametric%20Patterns.html

26

2.1.3 Αλγοριθμικός σχεδιασμός Με τον όρο αλγοριθμικός σχεδιασμός, αναφερόμαστε στη χρήση αλγορίθμων για δημιουργία μορφών ή γραφικών μέσω του Η/Υ. Οι αλγόριθμοι εκφράζουν κανόνες από τους οποίους καθορίζονται οι σχέσεις και οι μορφές που θα δημιουργηθούν από αυτές. Σύμφωνα με τον Αγκαθίδη, ο αλγοριθμικός σχεδιασμός αποτελεί μία μέθοδο εύρεσης της μορφής. Μερικοί όροι που έχουν δοθεί σε αντίστοιχες μεθόδους είναι ο παραμετρικός σχεδιασμός (parametric design) και ο γενεσιουργός σχεδιασμός[2] (generative design) (Agkathidis 2015, 8). Θα λέγαμε ότι οι μέθοδοι του παραμετρικού σχεδιασμού και του γενεσιουργού σχεδιασμού, οι οποίες εκφράζονται μέσω αλγορίθμων, είναι ταυτόσημες του αλγοριθμικού σχεδιασμού. Ο όρος παραμετρικός σχεδιασμός αναφέρεται σε μία συνδυαστική γεωμετρία (associative geometry). Το παραμετρικό μοντέλο σχεδιασμού δομείται ως ένα δίκτυο σχέσεων και αλληλεξαρτήσεων. Κάθε φορά που η τιμή οποιασδήποτε παραμέτρου αλλάζει, η μορφή αναδημιουργείται (Hazem 2009, 47). Αλλάζοντας οι τιμές αυτές, μεταβάλλονται τα χαρακτηριστικά του μοντέλου, όπως το μέγεθος, το σχήμα, το χρώμα κλπ, και προκύπτει μία διαφορετική μορφή. Στο γενεσιουργό σχεδιασμό υπάρχει εξίσου η έννοια της μεταβολής κάποιων παραμέτρων, αλλά το στοιχείο της τυχαιότητας είναι εντονότερο. Ο Soddu ορίζει ως γενεσιουργό σχεδιασμό μία διαδικασία μορφογένεσης με τη χρήση αλγορίθμων, που λειτουργεί ως ένα μη-γραμμικό (non-linear) σύστημα απεριόριστων, μοναδικών και απρόβλεπτων αποτελεσμάτων, που προκύπτουν από μια ιδέα-κώδικα.

(Agkathidis 2015, 16) Οι αλγοριθμικές διεργασίες αξιοποιούνται στο γενεσιουργό σχεδιασμό για την παραγωγή πλήθους εναλλακτικών λύσεων που βασίζονται σε προκαθορισμένους στόχους και περιορισμούς, από τις οποίες ο σχεδιαστής επιλέγει την πιο κατάλληλη ή ενδιαφέρουσα. (Mahmoud 2015, 10) [2] γενεσιουργός: μετάφραση του όρου generative σύμφωνα με τους Παπαλεξόπουλο, Σταυρίδου και Παπαδόπουλο (Παπαλεξόπουλος 2007, 22).

27

2.1.4 Γενεσιουργά συστήματα σχεδιασμού Το γενεσιουργό σύστημα πρόκειται για ένα σύστημα παραγωγής, το οποίο δεν προσδιορίζει το σχεδιασμένο αντικείμενο, αλλά τις προδιαγραφές για την κωδικοποίηση της δημιουργίας του αντικειμένου ή της σχεδιαστικής διαδικασίας. Επομένως, στα γενεσιουργά συστήματα η διαδικασία σχηματισμού προηγείται της δημιουργίας μορφής, πράγμα που φανερώνει μία μετατόπιση από τη μοντελοποίηση του σχεδιασμένου αντικειμένου στη μοντελοποίηση της σχεδιαστικής λογικής. (Mahmoud 2015, 6) Στα γενεσιουργά συστήματα είναι απαραίτητος ο προσδιορισμός των προδιαγραφών του σχεδιαζόμενου αντικειμένου, διευρύνοντας το πεδίο εξερεύνησης πιθανών σχεδιαστικών λύσεων και εκδοχών. Η ανάθεση κάποιων σχεδιαστικών διαδικασιών από τον σχεδιαστή στο γενεσιουργό σύστημα, προσδίδει σε αυτό ένα είδος αυτονομίας. Ωστόσο, αυτό δεν σημαίνει ότι το γενεσιουργό σύστημα γίνεται τώρα ο σχεδιαστής, αλλά ότι ο άνθρωπος ως σχεδιαστής κωδικοποιεί ορισμένες λειτουργίες στο σύστημα, ώστε αυτό να πραγματοποιήσει συγκεκριμένες εργασίες σχεδιασμού ή επίλυσης προβλημάτων. Αυτές οι προδιαγραφές μπορούν να είναι κανόνες, περιορισμοί, παραμετρικές σχέσεις, γενετικές δομές κλπ. (Mahmoud 2015, 6) Η διαδικασία της γενεσιουργής δημιουργίας απαιτεί τέσσερα στάδια: την αρχική κατάσταση και τις παραμέτρους (input), ένα γενεσιουργό μηχανισμό (κανόνες, αλγορίθμους κλπ.), τη διαδικασία δημιουργίας εναλλακτικών λύσεων (outputs) και την επιλογή της καλύτερης από αυτές. (Mahmoud 2015, 8) Σύμφωνα με την Rivka Oxman, το γενεσιουργό μοντέλο αναφέρεται στο σχεδιασμό πολύπλοκων μηχανισμών που συμβάλλουν στη δημιουργία μορφών μέσω γενεσιουργών κανόνων, σχέσεων και αρχών. Ωστόσο, θεωρεί πως η διάδραση με τον σχεδιαστή συμβάλλει καθοριστικά στη διαδικασία της δημιουργίας. Αναφέρει ότι «η αλληλεπίδραση αποτελεί τη βάση της διαδικασίας» και ότι «είναι απαραίτητο ένα διαδραστικό πρότυπο που θα δίνει τη δυνατότητα στο σχεδιαστή να ελέγχει και να επιλέγει την επιθυμητή λύση». (Mahmoud 2015, 10)

28

2.1.5 Ψηφιακή μορφογένεση Ο Leach περιγράφει την ψηφιακή μορφογένεση ως «από κάτω προς τα πάνω» (buttοn-up) διαδικασία εύρεσης της μορφής. Ο όρος μορφογένεση προέρχεται από τη βιολογία και αναφέρεται στην ανάπτυξη των οργανισμών ως προς τη μορφή και τη δομή τους. Η ανάπτυξη ενός οργανισμού χαρακτηρίζεται ως «από κάτω προς πάνω» (bottom-up) διαδικασία, αφού η μορφή του καθορίζεται από τους περιβαλλοντικούς περιορισμούς και δεν είναι προκαθορισμένη. Στην ψηφιακή μορφογένεση, περιβαλλοντικοί περιορισμοί αποτελούν όλα τα συστήματα που επιδρούν πάνω στην αρχιτεκτονική, συμπεριλαμβανομένων της βαρύτητας, της τοποθεσίας, του προϋπολογισμού κλπ. Με αφετηρία αυτούς τους περιορισμούς, η ψηφιακή μορφογένεση λειτουργεί χρησιμοποιώντας αλγορίθμους που μιμούνται τη βιολογική διαδικασία της εύρεσης μορφής, με στόχο την παραγωγή μορφής. (Davis 2009, 9-10) Σύμφωνα με τον Παπαλεξόπουλο, «[…] Με τον όρο μορφογενετικός σχεδιασμός αναφερόμαστε στη σχεδιαστική δραστηριότητα που επικεντρώνεται στους γενεσιουργούς κανόνες και τη διαδικασία της δημιουργίας, παρά στην τελική μορφή». (Παπαλεξόπουλος 2007, 22)

Εικ.5 IwamotoScott Architecture, Voussoir Cloud installation, SCI-Arc, Los Angeles, August 2008 (Leach 2009, 36)

29

Στην αρχιτεκτονική, ο όρος μορφογένεση αναφέρεται σε μία ομάδα μεθόδων, στις οποίες τα ψηφιακά μέσα χρησιμοποιούνται όχι σαν εργαλεία αναπαράστασης, αλλά ως γενεσιουργές τεχνικές δημιουργίας μορφής και διαφορετικών εκδοχών της, συχνά με τη φιλοδοξία να εκφραστούν οι συμφραζόμενες (γενεσιουργές) διεργασίες σε υλοποιημένη μορφή. Η ψηφιακή μορφογένεση στην αρχιτεκτονική έχει σε μεγάλο βαθμό ανάλογη ή μεταφορική σχέση με τις διαδικασίες μορφογένεσης στη φύση, μιμούμενη το χαρακτηριστικό της βαθμιαίας ανάπτυξης, αλλά όχι απαραίτητα στους φυσικούς μηχανισμούς ανάπτυξης και προσαρμογής. Η ψηφιακή μορφογένεση στον τομέα της αρχιτεκτονικής συνοδεύεται από μια σειρά εννοιών, όπως της ανάδυσης (emergence), της αυτο-οργάνωσης (self-organization) και της εύρεσης μορφής (form-finding). (Roudavski 2009, 348-349) Οι Rivka και Robert Oxman, βλέπουν την ψηφιακή μορφογένεση ως «την εκμετάλλευση των γενεσιουργών μέσων για την παραγωγή της υλικής μορφής και της εξελικτικής της μετάλλαξης». Στις βασικές ιδέες τους συπεριλαμβάνονται οι γενετικοί αλγόριθμοι και ο παραμετρικός σχεδιασμός. (Agkathidis 2015, 17)

30

2.1.6 Εξελικτικές μέθοδοι σχεδιασμού Οι εξελικτικές μέθοδοι σχεδιασμού (evolutionary design techniques) αφορούν την εύρεση μορφής (form-finding) μέσω διαδικασιών που προσομοιάζουν τη θεωρεία της φυσικής εξέλιξης, με σκοπό τη δημιουργία μορφής. (Papapavlou 2008, 9) Τις βάσεις για τη χρήση εξελικτικών μεθόδων στην αρχιτεκτονική έθεσε ο John Frazer, προτείνοντας τον όρο «εξελικτική αρχιτεκτονική». Ο όρος αναφέρεται, σύμφωνα με το Frazer, «στη διερεύνηση των διαδικασιών εύρεσης μορφής στην αρχιτεκτονική, παραλληλίζοντας την ευρύτερη επιστημονική έρευνα για τη θεωρία της μορφογένεσης στον φυσικό κόσμο». (Papapavlou 2008, 9) Οι ιδέες της εξελικτικής αρχιτεκτονικής εκφράζονται μέσω γενεσιουργών κανόνων, έτσι ώστε η εξέλιξη και η ανάπτυξή τους μπορεί να επιταχυνθεί και να ελεγχθεί με τη χρήση υπολογιστικών μοντέλων. Τα υπολογιστικά μοντέλα χρησιμοποιούνται για την ανάπτυξη πρωτότυπων μορφών που στη συνέχεια αξιολογούνται σε ένα περιβάλλον προσομοίωσης, με βάση την απόδοσή τους ή την αισθητική. Τα καλύτερα μοντέλα γίνονται οι «γονείς», οι οποίοι πρόκειται να δημιουργήσουν νέα, καλύτερα μοντέλα, τους «απογόνους». Αυτά εξελίσσονται και (ανα) παράγονται σε σύντομο χρονικό διάστημα και οι αναδυόμενες μορφές είναι συχνά απροσδόκητες. (Hazem 2009, 111) Η πιο γνωστή εξελικτική υπολογιστική τεχνική είναι ο «γενετικός αλγόριθμος», στον οποίο θα αναφερθούμε στη συνέχεια.

31

2.1.7 Γενετικός Αλγόριθμος (ΓΑ) Οι γενετικοί αλγόριθμοι (genetic algorithms) είναι υπολογιστικές διαδικασίες που αναπαριστούν τη διαδικασία της φυσικής εξέλιξης ώστε να επιλύσουν πολύπλοκα προβλήματα, που μπορεί να είναι δυσνόητα ακόμη και από τους δημιουργούς τους. (Holland 1992, 66) Σύμφωνα με τον Goldberg, ο ΓΑ είναι μία διαδικασία μετατροπής ενός πληθυσμού σε έναν άλλο, μέσα από τα αποτέλεσμα πολλών γενεών, στην εξέλιξη του γενικού πληθυσμού προς τους στόχους της συνάρτησης καταλληλότητας (fitness function). (Loomis 2002, 8) Με τη σειρά του, ο Bentley υποστηρίζει ότι, ο ΓΑ είναι μία διαδικασία τεχνητής νοημοσύνης, η οποία βασίζεται στη θεωρία της φυσικής επιλογής και εξέλιξης. (Hazem 2009, 103) Εμπνευστής τους ήταν ο John Holland (1960’), ο οποίος τους παρουσίασε το 1975 στο βιβλίο “Adaptation in Natural and Artificial Systems”. Προσπαθεί να μιμηθεί τη λογική της εξέλιξης σε μία Δαρβίνεια ερμηνεία, με έμπνευση από την ανακάλυψη της δομής του DNA (1953) από τους Crick και Watson. (Varela 2013, 136) Ο Holland πρότεινε ένα πληθυσμό χρωμοσωμάτων (chromosomes’ population) ως τη γενετική δομή, που αντιπροσωπεύουν την πιθανή λύση του προβλήματος. Επιπλέον, εισήγαγε την επιλογή (selection) ως διαδικασία που θα ορίζει ποιο μέρος του πληθυσμού θα περάσει στην επόμενη γενιά για περαιτέρω εξέλιξη. Η επιλογή καθορίζεται από μια συνάρτηση καταλληλότητας (fitness function), που αξιολογεί κάθε λύση του πληθυσμόυ με βάση το πόσο καλά η λύση αυτή ικανοποιεί αντικειμενικά το πρόβλημα. Η διασταύρωση (crossover) και μετάλλαξη (mutation) είναι οι κύριες διαδικασίες που εκτελούνται μεταξύ δύο μελών της επιλεγμένης ομάδας. (Papapavlou 2008, 10-11) Η τεχνική του γενετικού αλγορίθμου αναπτύχθηκε κυρίως για την επίλυση προβλημάτων και τη βελτιστοποίηση, σε περιπτώσεις όπου ήταν δυνατόν να δηλωθεί με σαφήνεια τόσο το πρόβλημα, όσο και τα κριτήρια που πρέπει να πληρούνται για την επιτυχή επίλυσή του.

32

Έχουν τη δυνατότητα να παράγουν λύσεις που δεν θα μπορούσε να φανταστεί ο εμπνευστής τους, καθώς και να επιλύουν προβλήματα, η λεπτομερή δομή των οποίων δεν γίνεται εύκολα κατανοητή από αυτόν.

(Frazer 1995, 58)

http://www.cenaero.be/Page.asp?docid=27092&langue=EN

33

Εικ.6 Παραμετρικά μοντελοποιημένες μορφικές υποδιαιρέσεις http://www.grasshopper3d.com/photo/hang-it-2?context=latest

34

2.2 ΚΕΝΤΡΙΚΕΣ ΘΕΣΕΙΣ 2.2.1 Αλγοριθμική λογική Όπως είδαμε και παραπάνω (2.1.1), «[...] ο αλγόριθμος είναι η γλωσσική έκφραση του προβλήματος προς επίλυση και αποτελείται από γλωσσικά στοιχεία και λειτουργίες που συντάσσονται με ορθές γραμματικά και συντακτικά εντολές. Η γλωσσική δομή δεν περιγράφει απλώς τα βήματα για την επίλυσή του, αλλά επικοινωνεί τη λύση σε άλλα μέσα και συγκεκριμένα στον Η/Υ». (Terzidis 2006, 15) Ο αλγόριθμος αποτελεί ένα σύνολο οδηγιών που δίνονται από τον άνθρωπο στον Η/Υ και αυτός με τη σειρά του τις εκτελεί. Επομένως, ένας αλγόριθμος μπορεί να περιγράφει είτε τον τρόπο με τον οποίο ένα πρόβλημα θα προσεγγιζόταν εάν επρόκειτο να επιλυθεί από έναν άνθρωπο, είτε μία διαδικασία μέσω της οποίας το πρόβλημα γίνεται κατανοητό από τον Η/Υ, εννοώντας την δυνατότητά του να επεξεργαστεί πληροφορίες που δίνονται από τον άνθρωπο. (Terzidis 2006, 16) Στην πρώτη περίπτωση ο αλγόριθμος αποτελεί την ορθολογική εκδοχή της ανθρώπινης σκέψης. Χαρακτηρίζεται μεν από ακρίβεια και λογική, αλλά υπολείπεται των βασικών ιδιοτήτων της ανθρώπινης έκφρασης, όπως της ασάφειας και της αμφιβολίας (αμφιθυμίας). Τα χαρακτηριστικά αυτά αφορούν τη γλώσσα και δομή του αλγορίθμου, χωρίς να σχετίζονται απαραίτητα με το αποτέλεσμα που προκύπτει από αυτόν. (Terzidis 2006, 16) Στην δεύτερη περίπτωση, αλγόριθμος θεωρείται μία σειρά γλωσσικών εκφράσεων προσαρμοσμένες στις ανάγκες του Η/Υ. Σύμφωνα με τον Τερζίδη, «[…] η λογική του Η/Υ, παρόλο που δημιουργήθηκε από το ανθρώπινο μυαλό, δεν αποτελεί υποσύνολο αλλά μάλλον ένα παράλληλο σύνολο, αν όχι υπερσύνολο, σε αυτό. Για να εισάγουμε πληροφορίες με τη μορφή αλγορίθμων στον Η/Υ, πρέπει να προσαρμόζουμε τη λογική μας στη λογική αυτού. Συγκεκριμένα χαρακτηριστικά της ανθρώπινης σκέψης όπως η εξυπνάδα, η 35

στοχαστικότητα και η εφευρετικότητα, μπορεί να μην είναι επιθυμητά ή εφαρμόσιμα όταν αναφερόμαστε στη λογική του Η/Υ. Ότι θεωρείται έξυπνο ως λογική για μας ίσως μοιάζει (αδι)ανόητο με βάση τη λογική του Η/Υ και το αντίστροφο. Αυτός είναι ο λόγος που τα δύο λογικά συστήματα είναι παράλληλα, αν όχι αντιθετικά». (Terzidis 2006, 17)

36

2.2.2 Το απρόβλεπτο αποτέλεσμα στο σχεδιασμό Ο Παπαλεξόπουλος αναφέρει ότι, «[…] Ένα από τα κύρια χαρακτηριστικά των αλγορίθμων είναι ότι ενώ διατυπώνονται συνήθως για να επιλύσουν κάποιο συγκεκριμένο πρόβλημα, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για την επίλυση ή διατύπωση διαφορετικών προβλημάτων. Έτσι ο αλγόριθμος βάσει του οποίου παράγεται μια μορφή, από μια ακολουθία μετασχηματισμών δεδομένων γεωμετρικών στοιχείων, ανάλογα με τα αρχικά δεδομένα μπορεί να παραγάγει εντελώς διαφορετικά αποτελέσματα. Κατ’ επέκταση, ένας αλγόριθμος μπορεί να αποτελέσει το αφηρημένο και ασαφές πλαίσιο κανόνων, το οποίο ανάλογα με την πρόθεση του δημιουργού μπορεί να οδηγήσει σε απρόβλεπτες -από τον αρχικό δημιουργό του αλγορίθμου- μορφές». (Παπαλεξόπουλος 2007, 66) Σύμφωνα με τον Τερζίδη, «[…] Οι περισσότεροι αρχιτέκτονες και σχεδιαστές θεωρούν πως η πνευματική διαδικασία του σχεδιασμού αφορά τις διεργασίες αποκλειστικά του ανθρώπινου μυαλού και πως ο Η/Υ αποτελεί απλώς ένα εργαλείο οργάνωσης, αναπαραγωγής και παρουσίασης της ιδέας». Όμως, αυτή η διαδικασία μοιάζει προβληματική, καθώς δεν αξιοποιούνται όλες οι δυνατότητες που προσφέρει. Οι αλγόριθμοι μπορούν να παράξουν αποτελέσματα απρόβλεπτα, για τα οποία δεν υπήρχε η πρόθεση ή πρόβλεψη της συμπεριφοράς τους. Επίσης, υπάρχουν αλγόριθμοι που μπορούν να παράγουν άλλους αλγόριθμους, οι οποίοι δεν συνδέονται με τις προθέσεις ή προβλέψεις (λειτουργίες) του αρχικού κώδικα. (Terzidis 2006, 21) Ο χώρος, η δομή και η μορφή αποτελούν τις παραδοσιακές εκφράσεις της αρχιτεκτονικής ιδέας, που εξελίσσεται στη σκέψη του αρχιτέκτονα. Η χρήση των αλγορίθμων δίνει τη δυνατότητα επέκτασης αυτής της σκέψης. Οι αρχιτεκτονικές ιδέες εκφράζονται μέσω γενεσιουργών κανόνων, που αναπτύσσονται ώστε να μπορούν να δοκιμάζονται και να εξελίσσονται. Σύμφωνα με τον Frazer, «[…] ένας αλγόριθμος με μεγάλο αριθμό εξελικτικών βημάτων μπορεί σε σύντομο χρονικό διάστημα να δημιουργήσει καινούργιες μορφές, οι οποίες συχνά είναι απρόσμενες». (Frazer 1995, 9)

37

Η απροβλεψιμότητα, εξ ορισμού, είναι η αποσύνδεση από την πρόθεση. Σύμφωνα με τον Τερζίδη (2006), Σε ένα σύστημα βασιζόμενο σε κανόνες (rule-based), η τυχαία αναδιάταξη των στοιχείων του παράγει αποτελέσματα απρόβλεπτα, τα οποία όμως συνδέονται με τους κανόνες που διέπουν το σύστημα. Ομοιότητες υπάρχουν στον τομέα του σχεδιασμού, όσον αφορά τη μορφή και τη δομή. (σ. 21) Ο ίδιος αναφέρει ότι, «[…] Οι αλγόριθμοι χρησιμοποιούν την τυχαιότητα, πιθανότητα ή πολυπλοκότητα, το αποτέλεσμα των οποίων είναι άγνωστο, απρόβλεπτο και αφάνταστο. Αν υπήρχε μία νοητή διαδρομή για αυτή τη διαδικασία, θα ήταν πέρα από την ανθρώπινη κατανόηση. Οι έννοιες «άγνωστο» και «αφάνταστο» δεν μπορούν να γίνουν κατανοητές από τον άνθρωπο, αφού αναιρούν δύο βασικά χαρακτηριστικά του ανθρώπου, τη γνώση και τη φαντασία. Ένας αλγόριθμος δεν σχετίζεται με την αντίληψη ή την ερμηνεία, αλλά με την εξερεύνηση, την κωδικοποίηση και την προέκταση του ανθρώπινου μυαλού». (Terzidis 2006, 27)

Εικ.7 Παράδειγμα αναζήτησης της κατάλληλης μορφής για έναν υποθετικό πύργο, από τον K. Besserud (Jing 2016)

38

2.2.3 Γενετικοί Αλγόριθμοι στο σχεδιασμό Οι αλγόριθμοι αποτελούν τη βάση, τα εργαλεία τα οποία συνθέτουν τα διάφορα γενεσιουργά συστήματα. Το κάθε γενεσιουργό σύστημα ουσιαστικά αποτελεί σύνθεση διαφορετικών αλγορίθμων, που εκτελούν την εκάστοτε γενεσιουργή λειτουργία (El-Khaldi 2009, 31). Ένα γενεσιουργό σύστημα, το οποίο χρησιμοποιείται συχνά από τους σχεδιαστές, είναι οι εξελικτικές τεχνικές σχεδίασης που βασίζονται σε Γενετικούς Αλγορίθμους (ΓΑ). Σε αντίθεση με την κοινή πεποίθηση, οι αλγόριθμοι δεν βασίζονται πάντα σε μία στρατηγική επίλυσης που επινοήθηκε εξ ολοκλήρου από τον προγραμματιστή. Πολλοί αλγόριθμοι αποτελούν προσομοιώσεις της λειτουργίας φυσικών μηχανισμών. Για παράδειγμα, σύμφωνα με τον Τερζίδη, «[…] ο ΓΑ είναι μία διαδικασία που προσομοιώνει τη συμπεριφορά και την προσαρμογή ενός πληθυσμού πιθανών λύσεων, όπου με την πάροδο του χρόνου νέες γενιές δημιουργούνται, δοκιμάζονται και επιλέγονται μέσω επαναληπτικών διασταυρώσεων (crossover) και μετάλλαξης (mutation). Ο αλγόριθμος χρησιμοποιεί στοχαστική έρευνα που βασίζεται στην πιθανότητα ότι η καλύτερη λύση είναι πιθανή. Η λύση αυτή μπορεί να βρεθεί μέσα από μια εξελικτική διαδικασία που γίνεται εφικτή χάρις στην υπολογιστική ισχύ του Η/Υ, που είναι ακούραστη, ταχύτατη και ακριβείς. Δεν πρόκειται για ανθρώπινη εφεύρεση, αλλά για ανακάλυψη. Η διαδικασία που μιμείται τη φυσική επιλογή (όπου συμβαίνει στη φύση ανεξάρτητα από την ύπαρξη του ανθρώπου) και η ακολουθία των υπολογισμών, είναι λογική ή αριθμητική». (Terzidis 2006, 19) Κατά τη διαδικασία της γενετικής κωδικοποίησης (genetic coding), βασικό ζητούμενο είναι η διαμόρφωση της εσωτερικής λειτουργίας, όχι η εξωτερική μορφή. Εξίσου σημαντικός είναι ο ορισμός των κριτηρίων, συχνά ασαφών και αντικρουόμενων, και πώς αυτά λειτουργούν για την επιλογή της καλύτερης μορφής (του ισχυρότερου).

(Kolarevic 2000, 101) Η Τζιμοπούλου αναφέρει ότι, «[…] σε κείμενο του DeLanda οι γενετικοί αλγόριθμοι παρουσιάζονται ως μία μη γραμμική τεχνική που δημιουργεί ένα ευρύ πεδίο παραγωγής εξελικτικών αποτελεσμάτων και μια 39

ανοικτή διαδικασία όπου είναι αδύνατο για τον σχεδιαστή να προκαθορίσει όλες τις πιθανές εκφάνσεις του αποτελέσματος». (Τζιμοπούλου 2007, 47) Σύμφωνα με την ίδια, «[…] Το τυχαίο ενσωματώνεται στις παραμέτρους του σχεδιασμού. Σε μικρό χρονικό διάστημα, μπορεί να πραγματοποιηθεί μεγάλος αριθμός εξελικτικών βημάτων και τα αποτελέσματα είναι συχνά απρόβλεπτα». (Τζιμοπούλου 2007, 49)

Εικ.8 Πλυθησμός πιθανών λύσεων (Marin 2008, 4)

40

2.2.4 Διαδικασία μορφογένεσης μέσω ΓΑ Οι ΓΑ μπορούν να διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στον τομέα του σχεδιασμού, λόγω της ικανότητάς τους να δημιουργούν ένα ευρύ φάσμα εναλλακτικών λύσεων σε πολύ σύντομο χρονικό διάστημα, το οποίο μπορεί να βοηθήσει τον σχεδιαστή στη λήψη αποφάσεων (Hazem 2009, 104). Είναι σαφές ότι αυτή η μέθοδος αναπτύχθηκε με την έλευση αρκετά ισχυρών υπολογιστών, καθώς η διαδικασία θα διαρκούσε επ’ άπειρων αν γινόταν με το χέρι (Loomis 2002, 8). Σύμφωνα με την Mitchell, ο ΓΑ χρησιμοποιεί δύο ξεχωριστά πεδία, το πεδίο έρευνας και το πεδίο λύσης. Το πρώτο είναι ένα πεδίο κωδικοποιημένων λύσεων για το πρόβλημα, οι οποίες ονομάζονται γενότυποι. Το δεύτερο είναι το πεδίο των πραγματικών/απτών λύσεων, ή αλλιώς φαινοτύπων. Ο κάθε γενότυπος αντιστοιχεί σε ένα φαινότυπο και αποτελεί το σύνολο των παραμέτρων που χρειάζονται για να εξελιχθεί η δομή (Papapavlou 2008, 11). Η αναπαράσταση του γενοτύπου γίνεται μέσω κωδικοποίησης, ενώ ο φαινότυπος αποτελεί την γεωμετρική αναπαράσταση της κωδικοποιημένης διαδικασίας (Marin 2008, 6).

Εικ.9 Γενοτυπική και φαινοτυπική αναπαράστασητης μορφής (Marin 2008, 7)

41

Η πιο συνήθης μορφή ΓΑ περιλαμβάνει τρία είδη λειτουργιών, την επιλογή, την διασταύρωση και τη μετάλλαξη (Mitchell 1996, 7). Στην αρχή ορίζεται ένας τυχαίος πληθυσμός χρωμοσωμάτων (chromosomes) τα οποία αντιπροσωπεύουν τις αρχικές πιθανές λύσεις του προβλήματος. Έπειτα ακολουθεί η διαδικασία της επιλογής (selection) ενός μέρους του πληθυσμού, το οποίο θα εξελιχθεί στην επόμενη γενιά. Η επιλογή βασίζεται σε μία συνάρτηση καταλληλότητας (fitness function) που καθορίζει πόσο καλή είναι μία λύση. Ο ορισμός της συνάρτησης καταλληλότητας δεν είναι πάντα απλή υπόθεση και υπάρχουν περιπτώσεις που είναι αρκετά δύσκολο να καταλήξουμε σε απόλυτη συνάρτηση καταλληλότητας που θα οδηγήσει στη βέλτιστη λύση (Papapavlou 2008, 26). Στη συνέχεια ακολουθεί η διασταύρωση (crossover) κατά την οποία συνδυάζονται ή ανταλλάσσονται χαρακτηριστικά μεταξύ δύο μελών του επιλεγμένου πληθυσμού, δημιουργώντας απογόνους (offspring). Υπάρχουν διάφοροι τύποι διασταυρώσεων. Οι πιο συνήθεις είναι: η διασταύρωση ενός σημείου, όπου οι γονείς (parents) χωρίζονται σε ένα συγκεκριμένο σημείο και ανταλλάσσοντας τα μέλη τους δημιουργούνται δύο απόγονοι, και η διασταύρωση δύο σημείων, όπου ένα μέρος από τον ένα γονέα αντικαθίσταται από το αντίστοιχο μέρος του άλλου.

Parent 1 110 / 0100110 Parent 1 110 / 0100 / 110 Parent 2 101 / 1010101 Parent 2 101 / 1010 / 101 Offspring 1 110 1010101 Offspring 1 110 1010 110 Offspring 2 101 0100110 Offspring 2 101 0100 101 Πίνακας: Διασταύρωση ενός σημείου και διασταύρωση δύο σημείων (Fasoulaki 2008, 3) Αφού ολοκληρωθεί η διασταύρωση, προκύπτει η νέα γενιά λύσεων. Τότε εφαρμόζεται σε κάποιους απογόνους η λειτουργία της μετάλλαξης, ως τυχαίο γεγονός, η πιθανότητα της οποίας καθορίζεται από το χρήστη. Αυτό που κάνει είναι να αλλάζει ένα μικρό μέρος του απογόνου, ώστε να ενισχυθεί η γενετική ποικιλομορφία της νέας γενιάς (Fasoulaki 2008, 2-3). Έπειτα, εκτελείται εκ νέου η λειτουργία της επιλογής και όλη η 42

διαδικασία επαναλαμβάνεται έως ότου προκύψει ένα ικανοποιητικό ή το βέλτιστο αποτέλεσμα. Αυτές οι λειτουργίες εκτελούνται στο πεδίο έρευνας (γενότυποι) του ΓΑ και έπειτα προβάλλονται ως λύσεις στο πεδίο λύσεων (φαινότυποι).

Εικ.10 Διαδικασία της μετάλαξης σε φαινοτυπική και γενοτυπική αναπαράσταση (Marin 2008, 8)

Οι ΓΑ πραγματοποιούν χιλιάδες υπολογιστικές επαναλήψεις σε δευτερόλεπτα, ώστε να βρουν το σύνολο των πιθανών λύσεων. Έτσι, επεκτείνουν τη σκέψη του σχεδιαστή σε έναν άγνωστο και αφάνταστο κόσμο πολυπλοκότητας. (Fasoulaki 2007, 7) Ο Frazer τονίζει ότι το πιο σημαντικό και δύσκολο πρόβλημα στις εφαρμογές του εξελικτικού σχεδιασμού (ΓΑ) είναι ο σωστός ορισμός της συνάρτησης καταλληλότητας. Αυτή είναι που καθορίζει την επιλογή και τη βελτιστοποίηση της εξέλιξης και της τελικής λύσης (Xiyu, Frazer & Xi 2002, 29.2).

Εικ.11 Εξελικτική διαδικασία (Hazem 2009, 106)

43

2.2.5 Βελτιστοποίηση της μορφής Τα εργαλεία βελτιστοποίησης χρησιμοποιούνται για την αναζήτηση εναλλακτικών σχεδιαστικών λύσεων, που θα ικανοποιούν συγκεκριμένους στόχους. Οι ΓΑ μπορούν να εκτελέσουν προσομοιώσεις σε ένα πολυδιάστατο πεδίο αναζήτησης. Χρησιμοποιούνται για την εύρεση της λύσης που ταιριάζει καλύτερα στους επιθυμητούς προς επίτευξη στόχους. (Randa & Sahar 2014, 3) Στην αρχιτεκτονική, οι ΓΑ χρησιμοποιούνται ως εργαλεία βελτιστοποίησης για την προσέγγιση καλά ορισμένων σχεδιαστικών προβλημάτων. Αυτά συμπεριλαμβάνουν τη στατική και μηχανική συμπεριφορά ενός κτιρίου (Fasoulaki 2008, 7), τη θέρμανση, τον εξαερισμό και κλιματισμό του, την ακουστική, τη σκίαση και το φυσικό φωτισμό, καθώς και τα χωρικά χαρακτηριστικά και την σχέση του κτιρίου με τον περιβάλλοντα χώρο. Σύμφωνα με τη Φασουλάκη, τα περισσότερα προβλήματα βελτιστοποίησης αποτελούνται από τρεις βασικές συνιστώσες. Η πρώτη είναι η αντικειμενική συνάρτηση που θέλουμε να μεγιστοποιήσουμε ή να ελαχιστοποιήσουμε. Η δεύτερη αφορά τον ορισμό ενός συνόλου μεταβλητών σχεδιασμού που επηρεάζουν την τιμή της αντικειμενικής συνάρτησης. Η τρίτη συνιστώσα είναι ο καθορισμός μίας σειράς περιορισμών, ώστε οι μεταβλητές σχεδιασμού να μπορούν να πάρουν συγκεκριμένες τιμές. (Fasoulaki 2008, 4) Τα προβλήματα στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό (συνήθως) σχετίζονται με κοινωνικούς και αισθητικούς παράγοντες, οι οποίοι δεν μπορούν να περιγραφούν με μαθηματικά μοντέλα. Όταν ο σχεδιαστής επιχειρεί τη βελτιστοποίηση σχεδιαστικών προβλημάτων με τη βοήθεια ΓΑ, αντιμετωπίζοντας την πολυπλοκότητα του αρχιτεκτονικού σχεδιασμού, πρέπει να τα μετατρέψει σε συνδυαστικά και αριθμητικά προβλήματα, που μπορούν να επιλυθούν από ΓΑ. Ωστόσο, όσο πιο πολύπλοκο είναι ένα πρόβλημα, τόσο απαιτητική γίνεται η διερεύνηση τους μέσω ΓΑ. Πώς θα χρησιμοποιηθούν οι αλγόριθμοι, πώς συνδυάζονται τα διαφορετικά σχεδιαστικά προβλήματα, πόσο αποδοτικά μπορούμε να ελέγξουμε το πεδίο έρευνας, αποτελούν βασικά ερωτήματα.

(Li 2012, 393) 44

Εικ.12 Βελτιστοποίηση της δομής του κελύφους του Ολυμπιακού Σταδίου του Πεκίνου, με αναπροσαρμογή της θέσης των μεταλλικών δοκαριών για τη στήριξη της οροφής. http://www.kaisersrot.ch/kaisersrot-02/2003_National_Beijing_Olympic_Stadium_%28CN%29.html y

Εικ.13 Beijing Olympic Stadium, Herzog & De Meuron, 2008 http://gallardoarchitects.com/beijing-national-stadium/

45

1.2.6 Πολυπλοκότητα της μορφής Η ανάπτυξη και η ένταξη του εξελικτικού προγραμματισμού και των γενετικών αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό έφερε έναν καινούριο τόπο σκέψης, ο οποίος βασίζεται στις μορφογενετικές διαδικασίες που υπάρχουν στη φύση. Πρόκειται για μία διαδικασία παραμετρικού σχεδιασμού, η οποία σε συνδυασμό με το χρόνο και την εξέλιξη δίνει μορφή στα δεδομένα του συστήματος ανάλογη των αλλαγών που δρουν στο περιβάλλον του. Η υπολογιστική μορφογένεση περιγράφεται ως μία διαδικασία συνεχούς διαφοροποίησης, κατά την οποία το σύστημα παράγει μια αυξανόμενη μορφολογική και λειτουργική διαφορά των στοιχείων του, επιτρέποντας έτσι εύκολη προσαρμοστικότητα σε οποιαδήποτε αλλαγή δεδομένων έχουν τεθεί από την έναρξη του σχηματισμού. (Μιχαλούδη 2015, 61) Η μορφογενετική προσέγγιση αποτελεί ένα σύνολο δυναμικών μεθόδων, οι οποίοι αναλύονται μέσω μαθηματικών ακολουθιών, προσομοιώνοντας το δαρβινικό μοντέλο της εξέλιξης. Όπως είδαμε νωρίτερα (2.1.5) στο σύνολο αυτό εντάσσονται οι διαδικασίες τις ανάδυσης (emergence), της αυτο-οργάνωσης (self-organization) και εύρεσης μορφής (form-finding). Στόχος των συγκεκριμένων διαδικασιών είναι η παραγωγή μορφολογικής πολυπλοκότητας και συμπεριφοράς μέσω μίας «από κάτω προς πάνω» (bottom up) σύνθεσης. Τα υλικά δεν διαφοροποιούνται από τη διαδικασία σχηματισμού αλλά αντιμετωπίζονται ως πολύπλοκοι συσχετισμοί, δημιουργώντας καινούργιες ιδιότητες, συμπεριφορές, οργάνωσή και δομή. (Μιχαλούδη 2015, 61) Ως ανάδυση (emergence) αναφέρεται η διαδικασία παραγωγής μορφών και συμπεριφορών φυσικών συστημάτων, τα οποία προκύπτουν μέσω αλληλεπιδράσεων πιο απλών οντοτήτων ή συστημάτων και συσχετίζονται με το χρόνο και την εξέλιξη. Κατά τη διαδικασία της ανάδυσης οι συνδυασμοί των δεδομένων μπορούν να οδηγήσουν σε πολύπλοκες, δυναμικές και αρμονικές δομές (Μιχαλούδη 2015, 63). Μέσω της ανάδυσης εξισώνεται η αρχιτεκτονική με τη φύση, θεωρώντας ότι ο σχεδιασμός διακατέχεται από τις ίδιες αρχές με το φυσικό κόσμο. Έτσι, η ανάδυση συνδέεται άμεσα με την εξέλιξη, ανάπτυξη, συνέχεια και συμπεριφορά. (Fasoulaki 2007, 5) 46

Εικ.14, 15 Columns, Michael Hansmeyer, 2010.

Εικ.16, 17 Πολυπλοκότητα της μορφής που δημιουργείται από μορφογενετικές διαδικασίες.

http://www.michael-hansmeyer.com/projects/columns.html?screenSize=1&color=1#1

47

Η αυτο-οργάνωση (self-organization) αποτελεί μία δυναμική, προσαρμοστική διαδικασία κατά την οποία ένα σύστημα αποκτά και διατηρεί τη δομή του χωρίς εξωτερικούς ελέγχους. Στα βιολογικά συστήματα, κατά την αυτο-οργάνωση δεν διαχωρίζεται η κατασκευή από τα υλικά, αλλά αναπτύσσονται ταυτόχρονα κάτω από πίεση, παράγοντας πολύπλοκες και ποίκιλες μορφές. Ξεκινάει από απλά στοιχεία παρόμοια μεταξύ τους, παράγοντας ιδιότητες οι οποίες οδηγούν σε πολύπλοκες δομές. Η προσομοίωση της αυτό-οργάνωσης μέσω ψηφιακών προγραμμάτων, αναφέρεται στο αποτέλεσμα της σχέσης συνεργασίας και αλληλεπίδρασης των δομικών στοιχείων. Ουσιαστικά, ο σχεδιαστής ορίζει έναν αριθμό από παραμέτρους και προδιαγραφές υλικών, όπου το σύστημα εγκαθίσταται σε μία κατάσταση ισορροπίας από όπου ξεκινάει η μορφοποίηση, δημιουργώντας μία μοναδική μορφή κάθε φορά. (Μιχαλούδη 2015, 63) Η διαδικασία εύρεσης της μορφής (form-finding) είναι μία σχεδιαστική διαδικασία που αναπτύσσει και συντονίζει την οργάνωση των συστημάτων στη φύση κάτω από την επιρροή εξωγενών δυνάμεων. Στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη δομημένης μορφής κάτω από πιέσεις, όπως οι τάσεις και η βαρύτητα. Ο σχεδιαστής ορίζει τον αριθμό των κρίσιμων παραμέτρων και τα χαρακτηριστικά των υλικών, βάση των οποίων το σύστημα θα παράγει μία ιδιαίτερη μορφή κατά τη διαδικασία σχηματισμού. (Μιχαλούδη 2015, 65) Οι παραπάνω μέθοδοι αποτελούν σχεδιαστικούς τρόπους δημιουργίας μορφής, είτε μέσω πολλαπλασιασμού και αλληλεπιδράσεων, είτε μέσω εσωτερικών διεργασιών. Το κάθε στοιχείο επικοινωνεί με τα υπόλοιπα, δημιουργώντας πολύπλοκες συνθέσεις και αντιδράσεις, αυξάνοντας το βαθμό πολυπλοκότητας. Στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, αυτές οι μέθοδοι προσομοιώνονται μέσω παραμετρικού σχεδιασμού και γενετικών αλγορίθμων (Μιχαλούδη 2015, 65). Οι ΓΑ χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία καινοτόμων αναπαραστάσεων και διαδικασιών, από τις οποίες προκύπτουν αναδυόμενες μορφές με μεγάλη πολυπλοκότητα. (Fasoulaki 2007, 1) 48

1.2.7 Γνησιότητα του σχεδιασμού Από τη μία, υπάρχει η επιθυμία να εξερευνήσουμε γεωμετρίες η κατανόηση των οποίων υπερβαίνει το συντονισμό χειρός και ματιού. Από την άλλη, φαίνεται η πρόθεση να εφαρμοστούν οι ιδέες της συνεκτικότητας και της ελεγχόμενης απροβλεψιμότητας σε μεγάλα σύνολα δεδομένων, όπως για παράδειγμα η αναπαράσταση μια πρόσοψη κτιρίου. Ουσιαστικά αυτή η γεωμετρία δεν μπορεί να σχεδιαστεί. Πρέπει να υπολογιστεί. Αν πρόκειται να υπολογιστεί, τότε πρέπει να υπάρχει ένας αλγόριθμος. O σχεδιαστής, για να είναι πρωτότυπος και να έχει τον έλεγχο της σχεδιαστικής διαδικασίας, θα πρέπει να κατανοήσει, αν όχι να δημιουργήσει, τον δικό του αλγόριθμο. Επίσης, χρειάζεται να ξέρει πώς να τον χρησιμοποιήσει, δηλαδή να γνωρίζει τα έγκυρα δεδομένα εισόδου και τον τρόπο να ερμηνεύσει, επαληθεύσει και επικυρώσει τα αποτελέσματα, καθώς και τα όρια του πεδίου λύσεων. (Mahmoud 2015, 21) Αυτό σημαίνει ότι ο σχεδιαστής του μέλλοντος πρέπει να είναι προγραμματιστής; Σίγουρα η ικανότητα του σχεδιαστή να σκέφτεται αλγοριθμικά θα μπορούσε να λειτουργήσει ως βασική δεξιότητα στο σχεδιασμό. Έτσι, η ενσωμάτωση της «λογικής» στο σχεδιασμό θα μπορούσε να αποδειχθεί αποδοτική προσέγγιση στη δημιουργία μορφής. (Mahmoud 2015, 21) Το πιο σημαντικό είναι πως ο αλγοριθμικός σχεδιασμός υποδηλώνει ότι η υποκειμενικότητα παραμένει εντός του σχεδιαστικού βρόχου και ότι ο συντονισμός χειρός και ματιού είναι απαραίτητος. Αυτό που έχει διευκολυνθεί είναι η ικανότητα του σχεδιαστή να ενσωματώσει τη σχεδιαστική του λογική σε ένα διαδραστικό σύστημα σχεδιασμού, το οποίο καθοδηγείται από το χέρι του σχεδιαστή και αξιολογείται από το μάτι του. Έτσι, ακολουθείται η θεμελιώδης αρχή της υποκειμενικότητας του σχεδιασμού, συνδυάζοντας τη διαίσθηση του ανθρώπου και την ακρίβεια του Η/Υ. (Mahmoud 2015, 21)

49

Εικ.18 http://www.evolo.us/competition/parametric-urbanism/

50

Γ_

ΚΥΡΙΟ ΜΕΡΟΣ

51

Εικ.#19 Mumbai Αirport Τerminal https://www.dezeen.com/2014/02/20/chhatrapati-shivaji-airport-terminal-mumbai-som/

52

1. ΦΑΣΜΑ ΧΡΗΣΗΣ ΤΩΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΩΝ Η εργασία έχει ως στόχο να διερευνήσει εάν οι αλγόριθμοι αποτελούν απαραίτητο εργαλείο στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό ή εάν πρόκειται για εφήμερη τάση της εποχής. Όπως είδαμε νωρίτερα, οι αλγόριθμοι αποτελούν υπολογιστική διαδικασία διατύπωσης προβλημάτων σε ένα πεπερασμένο αριθμό βημάτων. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, ως μέσα αναζήτησης πιθανών σχεδιαστικών λύσεων σε καλά ορισμένα προβλήματα. Επίσης, μπορούν να περιγράψουν μεθόδους εξερεύνησης νέων μορφών, συχνά απρόβλεπτων από τον εμπνευστή τους. Στην προσπάθεια να διακρίνουμε τη λειτουργία των αλγοριθμικών διεργασιών κατά τη χρήση τους στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, ήταν αναγκαίο να ορίσουμε ένα φάσμα χρήσης τους. Ως μέσα επίλυσης σχεδιαστικών προβλημάτων, οι αλγόριθμοι μπορούν να αποδειχθούν απαραίτητο εργαλείο στην αρχιτεκτονική, οδηγώντας στην βελτιστοποίηση της μορφής. Από την άλλη, ως μέσα δημιουργίας πολύπλοκων μορφών, πιθανόν αποτελούν εφήμερη τάση.

ΒΕΛΤΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΜΟΡΦΗΣ

ΠΟΛΥΠΛΟΚΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΜΟΡΦΗΣ

Κλίμακα του φάσματος χρήσης των αλγορίθμων στην αρχιτεκτονική

53

Πέρα από τη διάκριση του φάσματος της λειτουργίας των αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό και στη δημιουργία μορφής, είναι σημαντικό να διακρίνουμε και ένα άλλο φάσμα. Πρόκειται για το φάσμα της πρόθεσης κατά τη διαδικασία του σχεδιασμού. Εάν έχει γίνει η σύλληψη της ιδέας και η μορφή του αποτελέσματος καθορίζεται εξαρχής και εξολοκλήρου από το σχεδιαστή, πρόκειται για μεθοδευμένες ενέργειες που καθορίζουν το σχεδιαστικό αποτέλεσμα. Πρόκειται ουσιαστικά για την «παραδοσιακή» διαδικασία αποτύπωσης μιας αρχιτεκτονικής ιδέας. Η πρόθεση του σχεδιαστή βασίζεται στην μεθοδικότητα ως διαδικασία σχεδιασμού. Από την άλλη, έχοντας την αρχική ιδέα και τα κριτήρια σχεδιασμού, προβαίνουμε στη διατύπωση του σχεδιαστικού προβλήματος μέσω της χρήσης αλγορίθμων. Μέσω γενεσιουργών διαδικασιών δημιουργείται πλήθος εναλλακτικών λύσεων, τις οποίες ο σχεδιαστής συνήθως είναι αδύνατον να προβλέψει. Τέλος, ο ίδιος επιλέγει την κατάλληλη λύση με βάση την κρίση του. Αυτή η διαδικασία σχεδιασμού βασίζεται στη απροβλεψιμότητα.

ΑΠΡΟΒΛΕΨΙΜΟΤΗΤΑ ΤΟΥ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΟΣ

ΜΕΘΟΔΙΚΟΤΗΤΑ ΤΗΣ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑΣ

Κλίμακα του φάσματος της πρόθεσης του σχεδιαστή κατά τη διαδικασία σχεδιασμού

54

Το φάσμα χρήσης των αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό κυμαίνεται από τη χρήση τους ως εργαλεία επίλυσης καλά ορισμένων σχεδιαστικών προβλημάτων, έως τη χρήση τους ως μέσα δημιουργίας πολύπλοκων και καινοτόμων μορφών. Μέσω της παράθεσης παραδειγμάτων θα επιχειρήσουμε να διερευνήσουμε περιπτώσεις όπου οι αλγόριθμοι χρησιμοποιούνται στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Τα παραδείγματα αφορούν υλοποιημένα έργα και ιδεατές μελέτες. Σε αυτά, η χρήση των αλγοριθμικών διεργασιών στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό αφορούν περιπτώσεις βελτιστοποίησης και πολυπλοκότητας της μορφής, καθώς και συνδυασμό τους. Τέλος, θα επιχειρήσουμε να κάνουμε μία κριτική αξιολόγηση του φάσματος της χρήσης των αλγορίθμων.

55

56

2. ΜΕΛΕΤΗ ΠΕΡΙΠΤΩΣΕΩΝ 2.1 Elbphilharmonie

Ακουστική βελτιστοποίηση της κεντρικής αίθουσας συναυλιών

Υλοποιημένο έργο Αρχιτέκτονας: Herzog & De Meuron Τοποθεσία: Αμβούργο, Γερμανία Έτος: 2016 Σχεδιασμένο από το αρχιτεκτονικό γραφείο Herzog & De Meuron, το Elbphilharmonie βρίσκεται στην περιοχή HafenCity το Αμβούργου. Η έκτασή του, γύρο στα 120,000m², περιλαμβάνει τρεις αίθουσες συναυλιών, ένα ξενοδοχείο, διαμερίσματα, εστιατόρια, εσωτερικούς χώρους στάθμευσης και μία δημόσια ημιυπαίθρια πλατφόρμα με θέα στην πόλη. Η μεγάλη αίθουσα συναυλιών βρίσκεται στο κέντρο του κτιρίου και έχει χωρητικότητα 2,150 θέσεων. Την ακουστική μηχανική του χώρου επιμελήθηκε ο Yasuhisa Toyota, των Nagata Acoustics. Συνεργάστηκε με τους αρχιτέκτονες Herzog & De Meuron και τον Benjamin Karen, των ONE TO ONE, από τα πρώτα σχεδιαστικά στάδια ως την ολοκλήρωση του έργου. Αρχικά ασχολήθηκαν με το σχεδιασμό της συνολικής γεωμετρίας του χώρου, βελτιστοποιώντας τον προσανατολισμό των ηχο-ανακλαστικών επιφανειών. Στη συνέχεια ανέπτυξαν τη γεωμετρία της επιφάνειας του κάθε ηχο-ανακλαστικού, ακουστικού πανέλου ξεχωριστά. (Menges 2017, 124) Εικ.20 http://www.hamburg-zwei.de/Hamburg/Nachrichten/2017/Januar/Hamburger-Konzerthaus-Wo-befindet-sich-was-Eroeffnung-der-Elbphilharmonie

57

Σχετικά με τη σημασία της ακουστικής μελέτης του χώρου. Διάχυση του ήχου είναι η ομοιόμορφη διασπορά των ηχητικών κυμάτων σε ένα δωμάτιο. Οι λείες, ανακλαστικές επιφάνειες σε αίθουσες συναυλιών, δεν διαχέουν ομοιόμορφα τον ήχο και μπορούν να οδηγήσουν σε μια σειρά από ανεπιθύμητες ακουστικές ιδιότητες. Επομένως, η καλή διάχυση του ήχου μπορεί να επιτευχθεί με ανάγλυφες επιφάνειες, που ανακλούν τον ήχο σε όλο το χώρο. Σε ένα χώρο με καλή διάχυση του ήχου, οι ακουστικές ιδιότητες, όπως η αντήχηση, είναι οι ίδιες σε οποιοδήποτε σημείο του, ανεξάρτητα από τη θέση του ακροατή. (Menges 2017, 124)

Εικ.21 Απορόφηση, ανάκλαση και διάχυση του ήχου. (Architizer 2016)

Για το σχεδιασμό των 10,000 μοναδικών ακουστικών πανέλων, ο Toyota δημιούργησε έναν ιδανικό ακουστικό χάρτη της αίθουσας συναυλιών. Βασιζόμενος στη γεωμετρία του χώρου, διαπίστωσε ότι συγκεκριμένα πανέλα, όπως αυτά που καλύπτουν τον πίσω τοίχο της αίθουσας χρειάζονταν μεγαλύτερες αυλακώσεις για την απορρόφηση της ηχούς. Άλλες περιοχές όπως η οροφή και τα τμήματα των κιγκλιδωμάτων, απαιτούσαν ρηχότερα κύτταρα. Επίσης, το εσωτερικό κέλυφος της αίθουσας έπρεπε να είναι αισθητικά ομοιόμορφο, ανεξάρτητα από τις ακουστικές απαιτήσεις. (Stinson 2017) Για την σωστή ερμηνεία των ακουστικών προδιαγραφών, όπως το πλάτος, το βάθος και η τυχαιότητα των μοτίβων, δημιουργήθηκε κατά παραγγελία ένα λογισμικό plug-in για το Rhino. Οι αλγοριθμικές διεργασίες δημιούργησαν μοτίβο που αποτελείται από περίπου ένα εκατομμύριο παραμετρικά ορισμένα κύτταρα, μοναδικού σχήματος.

58

Το μοτίβο βασίστηκε σε παραμόρφωση ενός δισδιάστατου ορθογωνικού κανάβου με σημεία Voronoi [1]. Το πρόγραμμα επέτρεπε την τυχαία μεταβολή της θέσης των σημείων, καθώς και το πλήθος τους, ελέγχοντας την δημιουργία του μοτίβου. Στη συνέχεια, κάθε πολύγωνο του δισδιάστατου μοτίβου Voronoi χρησιμοποιείται ως δεδομένο εισόδου για τη δημιουργία τρισδιάστατου, παραμετρικά ορισμένου κυττάρου. Τα σημεία ελέγχου του κάθε πολυγωνικού κυττάρου επηρεάζονταν από συνολικά έξι παραμέτρους, που επιτρέπουν τον ακριβή υπολογισμό του βάθους και της καμπυλότητας του σχήματός του. (Menges 2017, 126-127)

Εικ.22 Φυσικοί σχηματισμοί του διαγράμματος Voronoi. (Hazem 2009, 63)

Εικ.23 Σχηματισμοί διαγράμματος Voronoi τυχαίων σημείων. (Hazem 2009, 60) [1] Το διάγραμμα Voronoi πρόκειται για το διαχωρισμό ενός επιπέδου με n σημεία σε κυρτά πολύγωνα έτσι ώστε κάθε πολύγωνο να περιέχει ακριβώς ένα σημείο δημιουργίας και κάθε σημείο σε ένα δεδομένο πολύγωνο είναι πιο κοντά στο σημείο δημιουργίας του από οποιοδήποτε άλλο. (Hazem 2009, 60)

59

Εικ.24 Παράμετροι σχηματισμού ενός κυττάρου. (Architizer 2016)

Εικ.25 Μοντελοποίηση της γενεσιουργής μορφής σε περιβάλλον Rhino. (Architizer 2016)

60

Εικ.26 Εναλλακτικοί σχηματισμοί των παραμετρικά ορισμένων πολυγωνικών κυττάρων και οι τρισδιάστατες ανάγλυφες επιφάνειες που δημιουργούνται. (ONE TO ONE) Τα σημεία ελέγχου του κάθε κυττάρου ελέγχονταν από έξι παραμέτρους, οι οποίοι καθορίζουν το βάθος, την καμπυλότητα του σχήματός του και την αιχμηρότητα ή καμπυλότητα των άκρων του. (Menges 2017, 127)

Εικ.27 Το επιλεγμένο κύτταρο και η ανάγλυφη επιφάνεια. (Architizer 2016)

61

28

29

30

Προγραμματιστική δουλειά απαιτήθηκε και για την ανάπτυξη μιας αυτοματοποιημένης διαδικασίας παραγωγής των 10,000 μοναδικών πανέλων. Η διαδικασία περιελάμβανε τρισδιάστατη χαρτογράφηση του κάθε πανέλου και έπειτα την χάραξη των ανάγλυφων μοτίβων πάνω στα πανέλα γυψοσανίδων, μέσω CNC μηχανής (Menges 2017, 127). Η χρήση υπολογιστικού σχεδιασμού και ψηφιακών κατασκευαστικών μεθόδων, προσέφερε την ακρίβεια που ήταν αναγκαία για την επίτευξη των ακουστικών προδιαγραφών και των τέλειων ενώσεων μεταξύ των πανέλων. Το ποσοστό αστοχίας κατά την κατασκευή των πανέλων ήταν μόλις 0,2%, εξαιρετικά μικρό ποσοστό που αποτελεί επίτευγμα από μόνο του και επιβεβαιώνει την ακρίβεια της όλης διαδικασίας.

(Menges 2017, 128)

Εικ. 28, 29, 30 Η κατασκευή των ακουστικών πανέλων (Architizer 2016) Εικ.31, 32 Λεπτομέριες της υφής των πανέλων. (Architizer 2016) Εικ.33 Η κεντρική αίθουσα συναυλιών υπό κατασκευή, τα πανέλα έχουν τοποθετηθεί. (Architizer 2016)

62

31

32

Η ανάπτυξη και η εκτέλεση των μη τυποποιημένων πανέλων διάχυσης του ήχου στη μεγάλη αίθουσα συναυλιών του Elbphihamonie αποτελεί αξιόλογη συνεργατική προσπάθεια μεταξύ αρχιτεκτονικού σχεδιασμού, ακουστικής μηχανικής και ψηφιακής κατασκευής. Το αποτέλεσμα είναι ένας χώρος που επιτρέπει την ιδανική διάχυση του ήχου, εφαρμόζοντας ένα πολύπλοκο σχεδιασμό βασισμένο στην βελτιστοποίηση της μορφής μέσω των αλγοριθμικών διεργασιών.

(Menges 2017, 128) 33

63

Εικ.34 Η κεντρική αίθουσα ολοκήρωμένη (Stinson 2017)

64

Αποτίμηση Όπως αναφέραμε νωρίτερα, ο σχεδιασμός της μεγάλης αίθουσας συναυλιών βασίστηκε στην ανάγκη για βελτιστοποίηση της ακουστικής του χώρου. Η αισθητική επιλογή των ηχο-ανακλαστικών, ακουστικών πανέλων, έγκειται στη χρήση της γεωμετρίας Voronoi ως αφετηρία δημιουργίας του μοτίβου. Η λογική της δισδιάστατη γεωμετρία του μοτίβου είναι γνωστή και επιθυμητή από τους αρχιτέκτονες. Αυτό που προσδιορίζεται αλγοριθμικά είναι η ακριβής δημιουργία του ανάγλυφου, ώστε να επιτευχθεί η βελτιστοποίηση της ακουστικής. Τη γεωμετρία του μοτίβου επηρεάζουν οι μεταβολές στις τιμές των παραμέτρων του κάθε κυττάρου, οι οποίες διαφοροποιούνται σε κάθε γενεσιουργή διαδικασία του αλγορίθμου. Το τελικό αποτέλεσμα του γενεσιουργά σχεδιασμένου μοτίβου δεν μπορεί να προβλεφθεί από τον άνθρωπο. Επίσης, η κατασκευή των ανάγλυφων πανέλων θα ήταν αδύνατη χωρίς τη χρήση των ψηφιακών μέσων κατασκευής. Παρόλο που υπάρχει συγκεκριμένη λογική και βηματισμός για την επίλυση του προβλήματος της ακουστικής βελτιστοποίησης του χώρου, κυριαρχεί το στοιχείο της απροβλεψιμότητας του σχεδιαστικού αποτελέσματος. Χωρίς την χρήση του γενεσιουργού αλγορίθμου δεν θα μπορούσε να προβλεφθεί ο ακριβής σχηματισμός του ανάγλυφου μοτίβου των πανέλων, ώστε στο χώρο να υπάρχει η ιδανική διάχυση του ήχου. Επομένως, η αξιοποίηση των αλγορίθμων προσφέρει βελτιστοποίηση της ακουστικής του χώρου και το αποτέλεσμα του σχεδιασμού είναι απρόβλεπτο.

65

Εικ.35 Εναλλακτικές περιπτώσεις μοντέλων της μορφής του κτιρίου (Holland 2011, 123)

66

2.2 Inform, form, perform

Αναζήτηση της κατάλληλης μορφής του κτιρίου Μελέτη - πτυχιακή εργασία Αρχιτέκτονας: Holland Nathaniel Πανεπιστήμιο: University of Nebraska-Lincoln Έτος: 2011

Η πτυχιακή εργασία του Holland αναφέρεται στη μελέτη ένας ουρανοξύστη στην πόλη του Σιάτλ, ο οποίος θα στεγάζει καταστήματα λιανικής, γραφεία και διαμερίσματά. Βασικό στοιχείο της μελέτης του είναι η χρήση της αλγοριθμικής σχεδίασης και εξελικτικών μεθόδων (ΓΑ) για τη δημιουργία και βελτιστοποίηση της μορφής και του εσωτερικού του κτιρίου. Σύμφωνα με τον Holland, οι σχεδιαστές έχουν ως αφετηρία της δημιουργίας τους μία αρχική ιδέα και στη συνέχεια χρησιμοποιούν τον Η/Υ ως μέσω αναπαράστασής της, ώστε να την οπτικοποιήσουν και να την παρουσιάσουν σε άλλους. (Holland 2011, 16). Όπως αναφέρει ο Τερζίδης, σύμφωνα με την κοινή πεποίθηση, ο Η/Υ αποτελεί απλώς ένα εργαλείο οργάνωσης, αναπαραγωγής και παρουσίασης της ιδέας (Terzidis 2006, 21). Στη διαδικασία σχεδιασμού που προτείνει ο ίδιος, οι σχεδιαστές λαμβάνουν αποφάσεις σε συνεργασία με τον Η/Υ. Ο σχεδιαστής διαθέτει διαισθητικό μυαλό και δημιουργικότητα, αλλά υπολείπεται στην ταχύτητα ανάλυσης και επεξεργασίας πληροφοριών. Από την άλλη, οι Η/Υ μπορούν να πάρουν αποφάσεις που βασίζονται σε ποσοτικές συγκρίσεις και αναλύσεις με μεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτητα από τον άνθρωπο, αλλά στερούνται κριτικής σκέψης. Η διαδικασία βασίζεται στο “διάλογο” μεταξύ σχεδιαστή και Η/Υ, ώστε να προκύψει ένα αποτέλεσμα που ικανοποιεί αισθητικά και λειτουργικά.

(Holland 2011, 18) Επιτρέποντας στον υπολογιστή να ζυγίζει διαφορετικές περιπτώσεις και να κάνει σωστές επιλογές βάσει βέλτιστων λύσεων και δεδομένων παραμέτρων, βελτιώνεται η διαδικασία του σχεδιασμού. Αυτή ξεκινά με τη συλλογή πληροφοριών και την οργάνωση των δεδομένων εισόδου. Ο ορισμός ορθών δεδομένων εισόδου είναι ζωτικής σημασίας, αφού με οποιαδήποτε αλλαγή τους μπορεί να παραχθεί διαφορετικό αποτέλεσμα. (Holland 2011, 42) 67

Οι σχεδιαστικές απαιτήσεις Στη βάση του κτιρίου, στα πρώτα επίπεδα, θα φιλοξενηθούν τα καταστήματα λιανικής. Ο βασικός παράγοντας που καθόρισε το σχεδιασμό της βάσης του κτιρίου αφορά την βελτίωση της πρόσβασης στους πιθανούς πελάτες. Υπάρχουν τέσσερις διαφορετικές ποιότητες που έπρεπε να επιτευχθούν, η κοντινή απόσταση σε δημόσιες συγκοινωνίες, πρόσβαση σε υπαίθριους και ηλιόλουστους χώρους, η γειτνίαση με την αγορά, και η απόσταση από τις δημόσιες πλατείες. Άλλες σχεδιαστικές απαιτήσεις είναι το μέγεθος της επιφάνειας το κτιρίου και η δημιουργία μίας συμπαγούς διάταξης με μέγιστη εξωτερική πρόσβαση. (Holland 2011, 44)

Εικ.36 Το πρόγραμμα του κτιρίου (Holland 2011, 36)

68

Η σχεδιαστική διαδικασία Το προφίλ της επιφάνειας του κτιρίου δημιουργείται από τη σύνθεση διαφορετικών τετραγώνων, έχοντας ως αφετηρία τις σχεδιαστικές απαιτήσεις. Με βάση τα δεδομένα εισόδου, ο αλγόριθμος προσαρμόζει επαναληπτικά τη θέση αυτών των τετραγώνων, μετακινώντας τα ως προς το Χ και Ψ άξονα, προσπαθώντας να μεγιστοποιήσει τα οφέλη του βασικού επιπέδου. (Holland 2011, 44)

Εικ.37 Τα σημαντικά σημεία της γύρο περιοχής, που καθορίζουν τη θέση των τετραγώνων του επιπέδου της βάσης (Holland 2011, 45)

69

Ο αλγόριθμος που χρησιμοποιήθηκε αποτελεί ΓΑ και έχει δημιουργηθεί σε περιβάλλον Grasshopper[1]. Ο ΓΑ πραγματοποιεί πολλαπλούς υπολογισμούς προσπαθώντας να ικανοποιήσει τη συνάρτηση καταλληλότητας. Καθώς τα τετράγωνα αρχίζουν να επικαλύπτονται, η περιοχή τους συνδυάζεται σε ένα ενιαίο προφίλ που παρέχει περισσότερες πληροφορίες στον υπολογιστή σχετικά με την καταλληλότητα της βάσης. Ξεκινάει από μια τυχαία επιλογή τιμών και βαθμιαία περιορίζει το σύνολο επιλογών κάνοντας μικρότερες και μικρότερες ρυθμίσεις έως ότου επιτευχθεί ένα ικανοποιητικό επίπεδο καταλληλότητας. Ο σχεδιαστής έχει την δυνατότητα να τρέξει τον αλγόριθμο πολλές φορές και να συγκρίνει τις διαφορετικές βέλτιστες εναλλακτικές λύσεις. (Holland 2011, 46) [1] Το Grasshopper αποτελεί plug-in του σχεδιαστικού προγράμματος Rhino. Είναι εργαλείο οπτικής αλγοριθμικής μοντελοποίησης (Tedeschi 2014, 33) και παραμετρικού σχεδιασμού. Στην εικόνα # φαίνεται το περιβάλλον Galapagos, ενός υποσυστήματος το Grasshopper, κατά τη διαδικασία αναζήτησης της βέλτιστης λύσης από τον ΓΑ.

Εικ.38 Υπολογισμός βέλτιστης λύσης σε περιβάλλον Galapagos (Holland 2011, 46)

70

Εικ.# Τυποποιημένη βάση και βελτιστοποιημένη βάση του κτιρίου (Holland 2011, 51)

Εικ.39 Πρόοδος της διαδικασίας υπολογισμού της κατάλληλης λύσης (Holland 2011, 49)

71

Για τη δημιουργία του επιπέδου της κορυφής του κτιρίου χρησιμοποιήθηκε μία αντίστοιχη διαδικασία βελτιστοποίησης. Ο αλγόριθμος προσαρμόζει τη σύνθεση των τετραγώνων του επιπέδου ώστε να μεγιστοποιείτε το μήκος της περιμέτρου από όπου θα υπάρχει απευθείας θέα στον ορίζοντα (Holland 2011, 52). Όσο λειτουργεί ο ΓΑ συνεχώς ενημερώνει τη σύνθεση του επίπεδο, το μήκος της περιμέτρου και τα σημεία με καλύτερη ή χειρότερη θέα. Χάρις στην άμεση ενημέρωση των δισδιάστατων και τρισδιάστατων αναπαραστάσεων του χώρου, η σχεδιαστική ομάδα μπορεί να λάβει ποιοτικές και ποσοτικές αποφάσεις για τη μορφή του κτιρίου. (Holland 2011, 56)

Εικ.40 Διαμόρφωση του κατάλληλου επιπέδου της κορυφής (Holland 2011, 54)

72

Εικ.41 Υπολογισμός της θέσης των τετραγώνων του επιπέδου της κορυφής, με βάση τη θέα στον ορίζοντα (Holland 2011, 55)

73

Χρησιμοποιήθηκαν τέσσερις σχεδιαστικές λογικές για τη δημιουργία το όγκου του κτιρίου.

Loft type: Έχοντας τα δύο βελτιστοποιημένα περιγράμματα των επιπέδων της βάσης και της κορυφής, η μάζα του κτιρίου δημιουργείται ενώνοντας το κάθε τετράγωνο της βάσης με το αντίστοιχο της κορυφής (loft). (Holland 2011, 58)

Εικ.42 Loft type μορφή του κτιρίου (Holland 2011, 59)

74

Blend type: Ακολουθεί την ίδια λογική με το παραπάνω, αλλά εδώ η ένωση της βάσης με την κορυφή γίνεται με πιο ομαλό τρόπο, δημιουργώντας καμπυλόμορφους όγκους. (Holland 2011, 60)

Εικ.43 Bend type μορφή του κτιρίου (Holland 2011, 61)

75

Multi-loft type: Σε αυτή την τυπολογία χρησιμοποιούνται δύο ακόμα βελτιστοποιημένα επίπεδα μεταξύ της βάσης και της κορυφής. Το καθένα από αυτά ενώνεται με το από πάνω του ώστε να προκύψουν οι όγκοι του κτιρίου, δημιουργώντας μία κατακερματισμένη εμφάνιση του. (Holland 2011, 62)

Εικ.44 Multi-loft type μορφή του κτιρίου (Holland 2011, 63)

76

Extrude type: Στην τέταρτη τυπολογία χρησιμοποιούνται δύο επιπλέον επίπεδα, όπως στην παραπάνω. Εδώ γίνεται κάθετη επέκτασή τους προς τα πάνω και κάτω, δημιουργώντας κάθετους και ασυνεχείς όγκους. (Holland 2011, 64)

Εικ.45 Extrude type μορφή του κτιρίου (Holland 2011, 65)

77

Η ταχύτητα αυτών των υπολογισμών επιτρέπει στο σχεδιαστή τη δημιουργία δεκάδων εναλλακτικών λύσεων για τη μορφή του όγκου του κτιρίου. Αφού δημιουργηθεί ένα ικανοποιητικό εύρος πιθανών λύσεων, η σχεδιαστική ομάδα επιλέγει την καταλληλότερη ώστε να την εξελίξει και αναλύσει επιμέρους. (Holland 2011, 68) Αφού επιλεγεί η επιθυμητή μορφή του κτιρίου, το επόμενο βήμα είναι ο περιοδικός διαχωρισμός του όγκου του σε οριζόντια κομμάτια, που θα αποτελέσουν τους ορόφους του. Το πάχος των πλακών και το ύψος των ορόφων είναι ίδια σε κάθε όροφο (Holland 2011, 72).

Εικ.46 Διαχωρισμός του όγκου του κτιρίου (Holland 2011, 72)

78

47

48

49

Ένα άλλο σκέλος του αλγορίθμου επεμβαίνει στον κάθε όροφο, ώστε να επιτευχθεί ο διαχωρισμός των διαμερισμάτων. Αυτό επιτυγχάνεται με χάραξη σειρών γραμμών, τη θέση των οποίων ρυθμίζει ο αλγόριθμος κατά μήκος του διαδρόμου, ώστε να προκύψουν τα απαιτούμενα μεγέθη διαμερισμάτων καθώς και τα ανοίγματα των εξωτερικών παραθύρων (Holland 2011, 74). Τέλος, ένας άλλος αλγόριθμος εφαρμόζει παραμετρικά μια σειρά ευέλικτων πρωτοτύπων διαρρύθμισης δωματίων, με βάση το μέγεθος του διαμερίσματος (μονόχωρο, δυάρι κλπ.), την τοποθεσία του μέσα στο κτίριο και την αναλογία του διαμερίσματος.

(Holland 2011, 78)

50 Εικ.47 Τυχαία κάτοψη ορόφου (Holland 2011, 73) Εικ.48 Χάραξη των χωρισμάτων (Holland 2011, 75) Εικ.49 Ορισμός των διαμερισμάτων (Holland 2011, 77) Εικ.50 Διαρρύθμιση δωματίων (Holland 2011, 79)

79

51

Κάποιες από τις τυπολογίες που είδαμε νωρίτερα είχαν ως επί το πλείστον επιτυχημένα αποτελέσματα, που σημαίνει ότι η αυξημένη τελική αξία υπερβαίνει το κόστους τους. Αυτό σχετίζεται σε μεγάλο βαθμό με το ύψος του κτιρίου, που εξασφαλίζει σε περισσότερα διαμερίσματα καλύτερη θέα και άρα μεγαλύτερη αξία. Αυτές οι τυπολογίες είναι οι Loft και Extruded. Από τις πολλές εναλλακτικές λύσης που δημιουργήθηκαν ο σχεδιαστής επέλεξε να αναπτύξει τη βέλτιστη Loft λύση, σύμφωνα με τα στατιστικά στοιχεία καθώς και τις αισθητικές της ποιότητες και τη μορφή. (Holland 2011, 90)

Οι υπολογισμοί και τα δεδομένα εξόδου μπορούν να βοηθήσουν στα διάφορα στάδια του σχεδιασμού, στην επαλήθευση του προγράμματος, στην εκτίμηση κόστους κλπ. (Holland 2011, 86). Οι ποιότητα των δεδομένων εξόδου, των λύσεων, εξαρτάται από τα ορθά διατυπωμένα δεδομένα εισόδου. Ακόμα και τα στατιστικά στοιχεία μίας πιθανής λύσης να είναι ανώτερα των υπολοίπων λύσεων, ο σχεδιαστής πρέπει να την αξιολογεί με κριτική ματιά. Εκείνος αξιοποιεί την υπολογιστική ισχύ του Η/Υ στο σχεδιασμό και λαμβάνει τις τελικές αποφάσεις (Holland 2011, 118).

Εικ.51 Πλήθος εναλλακτικών λύσεων (Holland 2011, 82)

80

Εικ.52 Εύρος θέας της επιλεγμένης - βέλτιστης λύσης (Holland 2011, 104)

81

82

Αποτίμηση Η παρούσα μελέτη αποτελεί περίπτωση αναζήτηση της μορφής, η οποία επιλύθηκε τμηματικά μέσω ΓΑ. Η απροβλεψιμότητα του αποτελέσματος της μορφής του κτιρίου σχετίζεται με τη βέλτιστη λύση ως προς την σύνθεση των τετραγώνων της βάσης και κορυφής. Οι τέσσερις τυπολογίες καθορίστηκαν από το σχεδιαστή και ο αλγόριθμος δημιούργησε το πλήθος των εναλλακτικών λύσεων. Ο διαχωρισμός των διαμερισμάτων με βοήθεια αλγορίθμου εξυπηρετεί την εξοικονόμηση χρόνου, αφού όλοι οι όροφοι του κτιρίου διαφέρουν μεταξύ τους. Παρόλα αυτά, ο βέλτιστος ή όχι διαχωρισμός τους καθορίζεται από τα δεδομένα εισόδου (αριθμός κρεβατιών, εξωτερικά ανοίγματα κλπ.) και παρόλο που τα ικανοποιούν, άλλα λειτουργικά μεγέθη και η αισθητική ίσως να επιδέχονται βελτίωσης. Η τελική επιλογή της μορφής του κτιρίου έγινε από το σχεδιαστή, όπως αναφέραμε, με βάση λειτουργικά και αισθητικά κριτήρια. Η πρόθεσή του ήταν να σχεδιάσει ένα κτίριο το οποίο θα ικανοποιεί συγκεκριμένα κριτήρια, θέλοντας να δείξει την ανάγκη της χρήσης αλγορίθμων στο σχεδιασμό. Παρόλα αυτά, ο τρόπος κωδικοποίησης αυτών, ο ορισμός της συνάρτησης καταλληλότητας στα διάφορα στάδια και οι σχεδιαστικές αποφάσεις που έλαβε δέχεται κριτικής ως προς το βέλτιστο ή όχι αποτέλεσμα. Το βέλτιστο μοιάζει να είναι υποκειμενικό, καθώς εξαρτάται από τον τρόπο που ορίζεται από τον αρχιτέκτονα-σχεδιαστή.

Εικ.53 Απεικόνιση της τελικής μορφής του κτιρίου (Holland 2011, 119)

83

84

2.3 Fibro.City Μορφογενετική δημιουργία πολύπλοκης μορφής Μελέτη - πτυχιακή εργασία Αρχιτέκτονες: Papadimitriou Aikaterini, Castro Esteban, Komar Marcin και Yao Yilin Πανεπιστήμιο: UCL, London Έτος: 2014

Οι εκόνες της ενότητας 2.3 Fibro,City, προέρχονται από το προσωπικό αρχείο της Παπαδημητρίου Α.

Το Fibro.City πρόκειται για την πτυχιακή εργασία των Παπαδημητρίου Αικατερίνη, Castro Esteban, Komar Marcin και Yao Yilin, που εκπονήθηκε στα πλαίσιο του προγράμματος MArch Graduate Architectural Design του UCL, το ακαδημαϊκό έτος 2013-2014. Η μελέτη αφορούσε τη διερεύνηση, το σχεδιασμό και την υλοποίηση κατασκευών από ίνες άνθρακα. Σε αυτή, η χρήση αλγοριθμικού σχεδιασμού αποτέλεσε βασικό μέσο αναπαράστασης διαδικασιών μορφογένεσης, με στόχο τη δημιουργία πολύπλοκων μορφών. Παράλληλα με τη δημιουργία μορφής έγινε ο σχεδιασμός της διαδικασίας κατασκευής της μορφής στο χώρο, μέσω τεχνολογιών ρομποτικής εφαρμογής. Βασικά στοιχεία της μελέτης αποτελούν οι αλγόριθμοι που διαβάζουν το περιβάλλον και έπειτα πραγματοποιούν προσομοιώσεις δημιουργώντας μορφές, καθώς και η αναπαράσταση της διαδικασίας κατασκευής της τελικής μορφής με το ρομποτικό βραχίονα.

Εικ.54 (Papadimitriou 2014, 238)

85

Η μορφογενετική διαδικασία της αυτο-οργάνωσης. Η αυτο-οργάνωση είναι μία δυναμική, μη-γραμμική διαδικασία δημιουργίας, όπου σε ένα αρχικά άτακτο σύστημα επιδιώκεται ο συντονισμός των διάσπαρτων συστατικών του, μέσω της μεταξύ τους διάδρασης. Κάθε παράγοντας έχει τα δικά του χαρακτηριστικά και ακολουθεί συγκεκριμένους κανόνες, ώστε να αλληλοεπιδράσει με τα υπόλοιπα συστατικά του συστήματος. Αυτή η δυναμική και συνεχής διαδικασία ξεκινά από μία χαοτική κατάσταση και σταματά όταν επιτευχθεί η τάξη. Ο κάθε παράγοντας πραγματοποιεί απλές ενέργειες και αλληλοεπιδρά με τους υπόλοιπους. Έτσι, το τελικό προϊόν αυτής της συμπεριφοράς προσμίξεων και αλληλεπιδράσεων είναι σχεδόν αδύνατον να προβλεφθεί. (Papadimitriou 2014, 108).

Εικ. 55, 56, 57 Δισδιάστατη προσομοίωση διαδικασίας αυτοοργάνωσης, σε περιβάλλον processing[1]. (Papadimitriou 2014, 64-65) 55

86

[1] Processing: γλώσσα προγραμματισμού για δημιουργία οπτικής τέχνης.

56

57

87

Τα multi agent systems (MAS)[1] χρησιμοποιήθηκαν ως εργαλεία μορφογένεσης, στα πλαίσια της διαδικασίας της αυτο-οργάνωσης. Οι σχεδιαστές δημιούργησαν όμοιες περιβαλλοντικές συνθήκες για τους agents (πράκτορες) και τους απελευθέρωσαν επαναληπτικά, με συγκεκριμένους κανόνες κάθε φορά, ώστε να δημιουργηθούν διαφορετικοί σχηματισμοί, πολλοί εκ των οποίων ήταν απρόβλεπτοι. Οι agents λειτουργούν ως σμήνος το οποίο τροποποιείται ανάλογα με τους κανόνες κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης. Οι δυνάμεις που δημιουργούνται μεταξύ τους, η αναταραχή και η συνοχή είναι 58

[1] Multi sgent systems: Βλέπε Παράρτημα

88

παράγοντες που καθορίζουν το αποτέλεσμα. Ακόμα και μικρές διαφοροποιήσεις σε αυτούς τους παράγοντες, που εφαρμόζονται στον ίδιο χώρο, δημιουργούν διακριτά μοτίβα (Papadimitriou 2014, 60). Ένα αυτό-οργανωτικό σύστημα δίνει στο σχεδιαστή απρόβλεπτα και αφάνταστα αποτελέσματα, ανάλογα με τους αρχικούς παράγοντες που εισάγει ως δεδομένα (Papadimitriou 2014, 64). Όταν οι προσομοιώσεις τρέχουν, συνδυάζονται οι κανόνες του σμήνους με τους φυσικούς νόμους, όπως η βαρύτητα. (Papadimitriou 2014, 84)

59

Εικ.58, 59 Τρισδιάστατη προσωμοίωση διαδικασίας αυτοοργάνωσης (Papadimitriou 2014, 66-67)

89

Οι προσομοιώσεις με agents βασίζονται στους κανόνες της αυτο-οργάνωσης. Ένας ακόμα σημαντικός παράγοντας που χρησιμοποιήθηκε είναι ένα ρομπότ, το οποίο υφαίνει τη σχεδιασμένη δομή. Για τον έλεγχό του χρησιμοποιήθηκε ένας έξυπνος agent, ονόματι weaving agent, ο οποίος «καθοδηγεί» το ρομπότ κατά την κίνησή του, διαβάζοντας πληροφορίες για τις προηγούμενες θέσεις του και ακολουθώντας ενσωματωμένους κανόνες. Έτσι ελέγχεται η συμπεριφορά του ρομπότ κατά την ύφανση, ελέγχοντας την ταχύτητα, τις τάσεις και την πυκνότητα της ύφανσης (Papadimitriou 2014, 108).

60

Εικ.60, 61 Προσομοιώση του weaving agent (Papadimitriou 2014, 112-113)

90

61

91

Το ρομπότ κατασκευάζει σταδιακά τη δομή, διατρέχοντας το νήμα ανάμεσα από τα προκαθορισμένα σημεία. Ανάλογα με την κλίση που έχουν και τη συχνότητα της ύφανσης, από τυχαία, σε περιοδική και με διασταυρούμενες συνδέσεις, αυξάνεται η πολυπλοκότητα της δομής. Βασική ιδέα ήταν να εφαρμοστούν αυτές οι κατασκευαστικές μέθοδοι σε μεγαλύτερη κλίμακα. (Papadimitriou 2014, 109)

Εικ.62 Αποτέλεσμα της προσομοίωσης του weaning agent, μορφές που μοιάζουν με υποστυλώματα. (Papadimitriou 2014, 122)

92

Σχεδιαστική πρόταση Οι σχεδιαστές επιχείρησαν να δημιουργήσουν αρχιτεκτονικές μορφές που προκύπτουν από την ύφανση των ινών άνθρακα. Στόχος τους ήταν ο σχεδιασμός ενός περιπτέρου-εγκατάστασης, εφαρμόζοντας τη διαδικασία της μορφογένεσης που είδαμε μέχρι στιγμής. Οι απλοποιήσεις και οι διαδικασίες που πραγματοποιήθηκαν ώστε να ενισχυθεί η δυνατότητα υλοποίησης της αναδυθείσας μορφής, θα περιγραφούν στη συνέχεια. (Papadimitriou 2014, 214)

Εικ.63 Η επιλεχθείσα μορφή του περιπτέρου-εγκατάστασης (Papadimitriou 2014, 245)

93

64

65

94

Το πρώτο βήμα ήταν η δημιουργία των συνθηκών του σμήνους agent, οι οποίοι διαδρούν με το περιβάλλον τους. Μέσω προσομοιώσεων ορίζονται οι τροχιές στις οποίες θα δημιουργηθούν και κινηθούν κάποια σωματίδια, τα σημεία αγκίστρωσης. (Εικ.64) (Papadimitriou 2014, 216)

Η αρχική τους θέση βρίσκεται πάνω στις τροχιές των agent και με την επίδραση δυνάμεων, η θέση τους μεταβάλλεται. (Εικ.65) (Papadimitriou 2014, 217)

66

67

Έπειτα, οι ίνες ενώνουν τα σωματίδια μεταξύ τους, δημιουργώντας την υφαίνουσα μορφή της κατασκευής. (Εικ.66) (Papadimitriou 2014, 218)

Όταν το σύστημα έρθει σε ισορροπία, εκτελείται ένας κώδικας που δίνει στο σύστημα πληροφορίες για τον ρομποτικό παράγοντα. (Εικ.67) (Papadimitriou 2014, 219)

95

68

69

96

Το επόμενο βήμα περιλαμβάνει τη σχηματοποίηση της τελικής μορφής σε απλούστερες επιφάνειες που θα χρησιμοποιηθούν ως επίπεδα στήριξης για την ύφανση της κατασκευής. (Εικ.68) (Papadimitriou 2014, 220)

Τέλος, σε αυτές τις επιφάνειες χαρτογραφούνται απλοποιημένα τα σημεία αγκίστρωσης, στα οποία θα τοποθετηθούν οι μεταλλικές ράβδοι και γύρο τους θα υφανθεί η κατασκευή. (Εικ.69) (Papadimitriou 2014, 221)

Ρομποτική εφαρμογή - κατασκευή Όλο το σύστημα των επιφανειών χωρίστηκε σε 24 κομμάτια, τα τριγωνικά επίπεδα των οποίων κόπηκαν με laser και στη συνέχεια να συναρμολογήθικαν ξεχωριστά. Είχαν χαραχθεί σημάδια για τις μεταλλικές ράβδους, ώστε να τοποθετηθούν στις ακριβείς τους θέσεις. Έπειτα, τοποθετούνται σταθερά σε ορισμένο σημείο και ο ρομποτικός βραχίονας ξεκινάει την ύφανση (Papadimitriou 2014, 228). Όταν ολοκληρωθεί η ύφανση και των 24ων κομματιών, αυτά συναρμολογούνται με τα χέρια, δημιουργώντας ένα μικρό περίπτεροεγκατάσταση ύψους τριών μέτρων. (Papadimitriou 2014, 232)

Εικ.70 Σχηματική απεικόνιση της διαδικασίας ύφανσης (Papadimitriou 2014, 229)

97

Εικ.71 Διαχωρισμός επιπέδων στήριξης για την ύφανση και χαρτογράφηση των σημείων αγκίστρωσης (Papadimitriou 2014, 229)

98

Εικ.72 Χαρτογράφηση σημείων αγκίστρωσης διαφόρων επιπέδων στήριξης(Papadimitriou 2014, 230)

73

74

75

76

Εικ.73, 74, 75 Διαδικασία ρομποτικής κατασκευής (Papadimitriou 2014, 250-251) Εικ.76, 77 Διαδικασία συναρμολόγησης http://fablabs.io/projects/fibro-cit

77

99

100

Αποτίμηση

Εικ.78 (Papadimitriou 2014, 239)

Το Fibro.City αποτελεί παράδειγμα χρήσης των αλγορίθμων με στόχο τη δημιουργία πολύπλοκων χωρικών μορφών, βασισμένη στην μορφογενετική διαδικασία της αυτόοργάνωσης. Βασική αρχή της μελέτης αποτέλεσε η υλικότητα της κατασκευής, έχοντας ως αφετηρία τις ίνες άνθρακα. Είχε έντονο το στοιχείο της καινοτομίας και του πειραματισμό κατά διαδικασία σχεδιασμού, αλλά και κατά την κατασκευή. Οι αλγόριθμοι χρησιμοποιήθηκαν ως μέσα δημιουργίας πολύπλοκων μορφών, μέσω της μορφογενετικής διαδικασίας της αυτό-οργάνωσης. Οι προσομοιώσεις που έγιναν παρήγαγαν πλήθος απρόβλεπτων αποτελεσμάτων. Από αυτά επιλέχθηκε η επιθυμητή μορφή, στην οποία χρησιμοποιήθηκε ο αλγόριθμος ύφανσης (weaving agent) δημιουργώντας τα σημεία της ύφανσης και θέτοντας την πορεία του ρομπότ μεταξύ των σημείων. Τα κομμάτια της σύνθεσης υφάνθηκαν ξεχωριστά και συναρμολογήθηκαν κατά την κατασκευή του περιπτέρου. Φαίνεται να υπήρξαν σκέψεις για επέκταση της συγκεκριμένης λογικής σχεδιασμού σε μεγαλύτερη κλίμακα, όπως στην κατασκευή κτιρίου. Ωστόσο, για το σχεδιασμό έργου μεγάλης κλίμακας, θα χρειαζόταν να ληφθούν υπόψη περαιτέρω παράγοντες και περιορισμοί, εξαιτίας της πολυπλοκότητας του προγράμματος ενός κτιρίου.

101

Εικ.79 https://gr.pinterest.com/pin/189925309265427511/

102

Δ_

ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ

103

Εικ.80 ICD/ITKE Research Pavilion 2010, Stuttgart http://www.achimmenges.net/?p=4443

104

1. ΣΥΝΟΨΗ ΤΟΥ ΣΥΛΛΟΓΙΣΜΟΥ ΜΑΣ Το ερώτημα που διερευνά η παρούσα εργασία πραγματεύεται το αν οι αλγόριθμοι αποτελούν απαραίτητο εργαλείο στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό ή εάν πρόκειται για μία τάση της εποχής μας.

1.1 Φάσμα της πρόθεσης του σχεδιαστή κατά την σχεδιαστική διαδικασία Η αναγκαιότητα ή όχι της χρήσης αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό εξαρτάται αρχικά από την πρόθεση του σχεδιαστή που επιχειρεί να προσεγγίσει το εκάστοτε σχεδιαστικό πρόβλημα. Εάν έχει την πρόθεση να ακολουθήσει τη συνηθισμένη διαδικασία σχεδιασμού, όπου από μία αρχική ιδέα καταλήγουμε στο τελικό προϊόν της αρχιτεκτονικής μελέτης, ακολουθεί τη μεθοδικότητα. Εδώ η χρήση αλγοριθμικού σχεδιασμού είναι σπάνια και περιορίζεται στη δημιουργία επιμέρους σχεδιαστικών ενοτήτων. Εάν έχει σκοπό να διερευνήσει τα κριτήρια σχεδιασμού του και με βάση αυτά να δημιουργήσει ένα πλήθος πιθανόν σχεδιαστικών λύσεων, μιλάμε για απροβλεψιμότητα στο σχεδιασμό. Έχει ενδιαφέρον το στοιχείο της τυχαιότητας, το απρόσμενο στο σχεδιασμό, το οποίο απορρέει από τα αναπάντεχα μορφικά αποτελέσματα που προκύπτουν από τη λειτουργία ενός αλγορίθμου. Από αυτές τις λύσεις θα επιλέξει εκείνη που κρίνει πιο κατάλληλη, έχοντας τη δυνατότητα να παρέμβει, τροποποιώντας και τελειοποιώντας την με βάση τα διαισθητικά του κριτήρια.

105

1.2 Φάσμα της λειτουργικής χρήσης των αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Έπειτα, έχει σημασία η φύση του σχεδιαστικού προβλήματος. Η λειτουργία του αλγορίθμου μπορεί να σχετίζεται με την αναζήτηση της κατάλληλης λύσης για το σχεδιαστικό πρόβλημα, είτε με γενεσιουργή δημιουργία καινοτόμων μορφών. Επίσης, μπορεί η φύση του προβλήματος να απαιτεί μια ενδιάμεση προσέγγιση, όπου η βελτιστοποίηση συνδυάζεται αρμονικά με την αναζήτηση πολύπλοκης μορφής. Κάποιες από τις γενεσιουργές μεθόδους χρησιμοποιούνται ως διαδικασίες μορφογένεσης για το σχεδιασμό ιδεατών σχεδιαστικών αναζητήσεων στο ψηφιακό περιβάλλον. Συχνά, οι σχεδιαστές επικεντρώνονται στη γεωμετρία της μορφής αυτής κάθε αυτής, παραμελώντας τη λειτουργία της. Τα ψηφιακά μοντέλα που προκύπτουν μέσα από πολύπλοκες μορφικές αναζητήσεις, παραπέμπουν στη δημιουργία γλυπτών στο χώρο. Υπάρχει πλήθος παραδειγμάτων τέτοιου είδους μορφικών αναζητήσεων, πρόκειται κυρίως για ακαδημαϊκές μελέτες και πειραματικές σχεδιαστικές απεικονίσεις. Παρόλο που πολλές χαρακτηρίζονται ως καινοτόμες ή πρωτότυπες, αναφερόμενοι στη μορφή και τη δομή τους, είναι εμφανές ότι περιορίζονται στα πλαίσια της έρευνας σε ψηφιακό περιβάλλον ή της υλοποίησης πειραματικών μορφών. Ως αποτέλεσμα αυτού, μέχρι στιγμής, δεν φαίνεται να προσεγγίζουν τα απτά και καθημερινά σχεδιαστικά προβλήματα της αρχιτεκτονικής. Από την άλλη, κάποιες γενεσιουργές μέθοδοι χρησιμοποιούνται ώστε να επιλυθούν συγκεκριμένα σχεδιαστικά προβλήματα. Οι παράγοντες που καθορίζουν το σχεδιαστικό αποτέλεσμα μπορεί να είναι διακριτοί και συγκεκριμένοι, με κριτήρια που πολλές φορές είναι αντιφατικά μεταξύ τους. Η σύγκριση αυτών των κριτηρίων και η εύρεση λύσεων που τα ικανοποιούν, αποτελούν τη δουλειά των αλγορίθμων βελτιστοποίησης. Αυτή η προσπάθεια βελτιστοποίησης πολλές φορές έγκειται στον τρόπο διατύπωσης ενός προβλήματος από το σχεδιαστή, μέσω των αλγορίθμων. Φυσικά, δεν υπάρχει ένας μόνο τρόπος διατύπωσης του εκάστοτε προβλήματος, αφού ο κάθε σχεδιαστής πιθανόν θα το διατυπώσει με διαφορετικό τρόπο, με 106

βάση και προσωπικά του κριτήρια. Επίσης, η επιλογή του βέλτιστου αποτελέσματος καθορίζεται από τη διαίσθηση του σχεδιαστή, αφού πρώτα λάβει υπόψη τις αντικειμενικές συνθήκες. Το όριο της επιλογής μεταξύ κατάλληλης και αισθητικά επιθυμητής λύσης είναι λεπτό και δυσδιάκριτο. Έτσι, είναι προτιμότερο να αναφερόμαστε σε πρόθεση βελτιστοποίησης από πλευράς σχεδιαστή. Υπάρχουν και οι ενδιάμεσες περιπτώσεις του φάσματος, όπου η χρήση των αλγορίθμων συνδυάζει την πρόφαση βελτιστοποίησης με τη δημιουργία πολύπλοκης μορφής. Η μελέτη του Holland που αναλύσαμε νωρίτερα, αποτελεί ένα τέτοιο παράδειγμα.

107

2. ΤΙ ΜΑΣ ΟΔΗΓΕΙ ΣΤΟΝ ΑΛΓΟΡΙΘΜΙΚΟ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟ Όπως φάνηκε μέσα από την διερεύνηση των παραδειγμάτων και την ανάλυση του θεωρητικού πλαισίου, μπορούμε να καταλήξουμε σε ορισμένα συμπεράσματα σχετικά με τη χρήση των αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό. Αρχικά, οι αλγόριθμοι μπορούν να λειτουργήσουν ως εργαλεία για την επίτευξη λύσης σε συγκεκριμένα σχεδιαστικά προβλήματα. Η βελτιστοποίηση αυτών μπορεί να επιτευχθεί έχοντας καλά ορισμένους στόχους. Επίσης, μπορούν να αποτελέσουν μέσα εξερεύνησης πολύπλοκων μορφών, αξιοποιώντας τις μορφογενετικές διαδικασίες. Αξίζει, όμως, να θυμηθούμε τα λόγια του Τερζίδη (2006), Ένας αλγόριθμος δεν σχετίζεται με την αντίληψη ή την ερμηνεία, αλλά με την εξερεύνηση, την κωδικοποίηση και την προέκταση του ανθρώπινου μυαλού. (σ. 27) Αυτό, όπως μπορούμε να ισχυριστούμε με βάση τα παραπάνω, καθιστά τον αλγόριθμο έναν εν δυνάμει συνεργάτη του αρχιτέκτονασχεδιαστή, κατά τη σχεδιαστική διαδικασία. Παρακάτω θα δούμε τους θετικούς παράγοντες που μπορούν να μας οδηγήσουν στη χρήση των αλγορίθμων στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό.

- Εξοικονόμηση χρόνου μέσω αυτοματοποίησης επαναληπτικών διαδικασιών. Όπως αναφέραμε στην ενότητα 2.1.4, στα γενεσιουργά συστήματα σχεδιασμού, ο άνθρωπος ως σχεδιαστής κωδικοποιεί ορισμένες λειτουργίες στο σύστημα, ώστε αυτό να πραγματοποιήσει συγκεκριμένες εργασίες σχεδιασμού ή επίλυσης προβλημάτων.

(Mahmoud 2015, 6) - Δυνατότητα (γενεσιουργής) δημιουργίας πολλών εναλλακτικών λύσεων για ένα σχεδιαστικό πρόβλημα, μέσα σε σύντομο χρονικό διάστημα. Στη συνέχεια ο σχεδιαστής επιλέγει τη λύση που προτιμάει 108

ή θεωρεί ότι ικανοποιεί καλύτερα το σχεδιασμό και τα προσωπικά του κριτήρια. (Mahmoud 2015, 4) - Δυνατότητα εύρεσης της βέλτιστης σχεδιαστικής λύσης σε ένα καλά δομημένο πρόβλημα. Ο John Frazer αναφέρει ότι, (2.1.7) «[...] η τεχνική του γενετικού αλγορίθμου αναπτύχθηκε κυρίως για την επίλυση προβλημάτων και τη βελτιστοποίηση, σε περιπτώσεις όπου ήταν δυνατόν να δηλωθεί με σαφήνεια τόσο το πρόβλημα, όσο και τα κριτήρια που πρέπει να πληρούνται για την επιτυχή επίλυσή του» (Frazer 1995, 58).

- Ικανότητα εξερεύνησης καινοτόμων μορφών και πολύπλοκων χωρικών αναζητήσεων. Σύμφωνα με τη Φασουλάκη, «[...] Οι ΓΑ χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία καινοτόμων αναπαραστάσεων και διαδικασιών, από τις οποίες προκύπτουν αναδυόμενες μορφές με μεγάλη πολυπλοκότητα». (Fasoulaki 2007, 1) - Η συνεργασία των ψηφιακών προγραμμάτων σχεδίασης με τα ψηφιακά κατασκευαστικά μέσα (digital fabrication) και τις ρομποτικές εφαρμογές, προσφέρει πλήρη δυνατότητα υλοποίησης των αλγοριθμικά σχεδιασμένων μορφών. Στα παραδείγματα (Elbphilharmonie, Fibro.City) είδαμε ότι η χρήση ψηφιακών κατασκευαστικών μεθόδων (CNC router) και ρομποτικών εφαρμογών, είναι κατάλληλη για την κατασκευή πολύπλοκων μορφικών συνθέσεων, καθώς προσφέρουν πολύ μεγάλη ακρίβεια και υλοποίηση σε σύντομο χρονικό διάστημα, που δεν θα μπορούσε να επιτευχθεί εάν χρησιμοποιούσαμε μεθόδους κατασκευής που απαιτούν ανθρώπινη εργασία.

- Εξασφάλιση της γνησιότητας του σχεδίου/σχεδιασμού και της ταυτότητας του αρχιτέκτονα-σχεδιαστή, αφού ο κώδικάς του δημιουργεί τη σχεδιαστική λύση. Όπως είδαμε στο 2.2.7, «[...] O σχεδιαστής, για να είναι πρωτότυπος και να έχει τον έλεγχο της σχεδιαστικής διαδικασίας, θα πρέπει να κατανοήσει, αν όχι να δημιουργήσει, τον δικό του αλγόριθμο». (Mahmoud 2015, 21).

109

Συμπέρασμα Είτε ως εργαλείο αναζήτησης βέλτιστων λύσεων σε καλά ορισμένα σχεδιαστικά προβλήματα, είτε ως μέσο εξερεύνησης καινοτόμων μορφών με στόχο την πολυπλοκότητά τους, η χρήση του αλγορίθμου στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, τον καθιστά συνεργάτη του αρχιτέκτονασχεδιαστή κατά τη σχεδιαστική διαδικασία. Η χρησιμότητα του ή όχι έγκειται στην πρόθεση του αρχιτέκτονα και στον τρόπο που ερμηνεύει το σχεδιαστικό πρόβλημα, καθώς και στη φύση του ίδιου του προβλήματος.

110

3. ΘΕΜΑΤΑ ΠΡΟΣ ΠΕΡΑΙΤΕΡΩ ΔΙΕΡΕΥΝΗΣΗ Από τα παραδείγματα που διερευνήσαμε (1ο και 3ο), παρατηρούμε τη σχέση που υπάρχει μεταξύ αλγοριθμικού, ψηφιακού σχεδιασμού και της ψηφιακής κατασκευής (digital fabrication). Η ψηφιακή κατασκευή περιλαμβάνει, ρομποτικές κατασκευαστικές τεχνικές, τρισδιάστατη εκτύπωση κλπ. Η διαλεκτική μεταξύ ψηφιακού σχεδιασμού και κατασκευής είναι θεμελιώδης, καθώς δεν μπορεί να υπάρξει κατασκευή αν δεν σχεδιαστεί παραμετρικά η εκάστοτε μορφή. Ένα πιθανός τίτλος μία τέτοιας έρευνας θα μπορούσε να είναι: «Η συνεργατική σχέση αλγοριθμικού σχεδιασμού και ψηφιακών κατασκευαστικών μεθόδων» Επίσης, είδαμε παραπάνω ότι οι αλγόριθμοι αποτελούν ένα εν-δυνάμει συνεργάτη του αρχιτέκτονα-σχεδιαστή, κατά τη σχεδιαστική διαδικασία. Οι αλγοριθμικές διεργασίες παράγουν πλήθος εναλλακτικών μορφών και έπειτα ο αρχιτέκτονας-σχεδιαστής είναι αυτός που επιλέγει την κατάλληλη λύση στο σχεδιαστικό του πρόβλημα. Σε αυτό, εκτός από τα αντικειμενικά κριτήρια, παίζει ρόλο η διαίσθηση και η κριτική του σκέψη. Θα είχε όμως ενδιαφέρον να διερευνήσουμε πώς νέες πτυχές του προγραμματισμού, όπως η τεχνητή νοημοσύνη, θα μπορούσαν να έχουν θέση στη σχεδιαστική διαδικασία. Επομένως, να διερευνήσουμε την επίδραση που θα μπορούσε να έχει η χρήση τεχνητής νοημοσύνης στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό και πώς κάτι τέτοιο, ενδεχομένως, θα επηρέ-αζε τον κυρίαρχο ρόλο του αρχιτέκτονα, κατά τη σχεδιαστική διαδικασία. Ως πιθανός τίτλος: «Η τεχνητή νοημοσύνη στο σχεδιασμό και ο ρόλος του αρχιτέκτονα-σχεδιαστή».

111

112

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΚΕΣ ΑΝΑΦΟΡΕΣ Βιβλία Agkathidis, A. (2015). Generative Design, Form-finding Techniques in Architecture. London: Published by Laurence King Publishing Ltd. Frazer, J. (1995). An evolutionary architecture. London: Architectural Association.

Menges, A., Sheil, B., Glynn, R., Skavara, M. (2017). Fabricate, rethinking design and construction. London: UCL Press. pp 122-129 Mitchell, M. (1996). An Introduction to Generative Algorithms. Massachusetts: MIT Press Tedeschi, A. (2014). AAD_Algorithms-Aid Design, Parametric Strategies using Grasshopper*. Brienza: Le Penseur Terzidis, K. (2006). Algorithmic Architecture. Oxford: Published by Elsevier ltd. Παπαλεξόπουλος, Δ., Σταυρίδου, Α., Παπαδόπουλος, Δ. (2007). Εννοιολογικός προσδιορισμός παραμετρικών ιδιοτήτων αρχιτεκτονικών κατασκευαστικών στοιχείων και δομικών υλικών. ΠΕΒΕ, ΕΜΠ, Αθήνα Τζιμοπούλου, Σ. (2007). Γενετικές διεργασίες στην παραγωγή μορφής. Αρχιτεκτονικός Σχεδιασμός και Ψηφιακές Τεχνολογίες 2. Επιμέλεια: Βεργόπουλος Σ., Καλφόπουλος Α., Τμήμα Αρχιτεκτόνων, ΑΠΘ, Θεσσαλονίκη: Εκκρεμές

Περιοδικά Holland, J. (1992). Genetic Algorithms, Scientific America. July 1992, 66-72 Li, L. (2012). The optimization of architectural shape based on Genetic Algorithm, Frontiers of Architectural Research, Vol. 1, 392-399. Higher Education Press Ltd. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2095263512000490 Roudavski, S. (2009). Towards Morphogenesis in Architecture, International Journal of Architectural Computing, 7 (3), 345 - 374

113

Συνέδρια Kolarevic, B. (2000), Digital Morphogenesis and Computational Architectures, Proceedigns of the 4th Confernece of Congreso Iberoamericano de Grafica Digital, SIGRADI 2000 –Construindo (n)o Espaço Digital (Constructing the Digital Space) [ISBN 85-88027-02-X], Rio de Janeiro (Brazil) 25-28 September 2000, 98-103 Randa, M. H. K., Sahar, A. M. (2014). Using Parametric Optimization Tools in Architectural Design Process. Al-Azhar Engineering Thirteenth International Conference, Cairo, Egypt Xiyu, L., Frazer, J., Ming Xi, T. (2002). A generative design system based on evolutionary and mathematical functions. 5th Generative Art Conference, Milan, Italy Varela, P. (2013). Genetic algorithms in architecture - History and Relevance. FUTURE TRADITIONS -1st eCAADe Regional International Workshop Proceedings, University of Porto, Faculty of Architecture, Portugal, 133-142 http://papers.cumincad.org/cgi-bin/works/Show?ecaade2013r_011

Papers Loomis, B. (2002). A NOTE ON GENERATIVE DESIGN TECHNIQUES: S G G A, A USER-DRIVEN GENETIC ALGORITHM FOR EVOLVING NON-DETERMINISTIC SHAPE GRAMMARS. MIT, Massachusetts.

Marin, P., Bignon, JC., Lequay, H. (2008). A Genetic Algorithm for use in Creative Design Processes. HAL Id: halshs-00348546

Μεταπτυχιακές Εργασίες – Διδακτορικές Διατριβές Davis, D. (2009). Evolving digital morphogenesis, by means of biology and computer science.

El-Khaldi, M. (2007). Mapping boundaries of generative systems for design synthesis. MIT, Massachusetts. https://dspace.mit.edu/handle/1721.1/39323#files-area

114

Fasoulaki, E. (2007). Genetic Algorithms in Architecture: a Necessity or a Trend?. MIT, Cambridge MA. Hazem, M. (2009). Revisiting Algorithms in Architectural Design: Towards New Computational Methods. Ain Shams University, Cairo.

Holland, N. (2011). Inform Form Perform. University of Nebraska – Lincoln. http://digitalcommons.unl.edu/archthesis/120/ Mahmoud, Α (2015). BIO-DIGITAL MORPHOGENESIS IN ARCHITECTURE. University of Alexandria Faculty of Engineering Architectural Engineering Department, Alexandria Papadimitriou, A., Castro, E., Komar, M., Yao, Y. (2014). Fibro.City. UCL Bartlett, London. https://issuu.com/pap_kat/docs/fibrocity_portfolio_2014 Papapavlou, A. (2008). Structural Evolution: A genetic algorithm method to generate structurally optimal Delaunay triangulated space frames for dynamic loads. UCL Bartlett, London.

Sivakumat, T. (2009). Digital Morphogenesis. School of planning and architecture, New Delhi. https://issuu.com/sivakumar.1/docs/digital_morphogenesis Μιχαλούδη, Μ. (2016). Γενο-Φαινοτυπική Αρχιτεκτονική: Objectilethe variable. ΑΠΘ, Τμήμα Αρχιτεκτόνων Μηχανικών, Θεσσαλονίκη

Διαδικτυακές Πηγές Stinson, E. (2017). What Happens When Algorithms Design a Concert Hall?

The Stunning Elbphilharmonie. Retrieved July 9, 2017, from https://www. wired.com/2017/01/happens-algorithms-design-concert-hall-stunning-elbphilharmonie/

115

Πρόσθετη βιβλιογραφία Bollinger, K., Grohmann, M., Tessmann, O. (2010). Structured Becoming, Architectural Design, July/August 2010, Vol. 80, No. 4, 34-39. John Wiley & Sons Ltd De Landa, M. (2000). Deleuze and the Use of the Genetic Algorithm in Architecture. Στο Rethinking Technology: A Reader in Architectural Theory, (2007). ed. William W.Braham, Jonathan A. Hale. Routledge. http://archtech.arch.ntua.gr/forum/post2006interaction/delanda_del_ and_the_use_og_gen_alg_in_arch.htm Oxman, R. (2008). Digital architecture as a challenge for design pedagogy: theory, knowledge, models and medium, Design Studies, Vol. 29, No. 2, pp. 99-120. Elsevier Ltd. Soddu, C. Generative Design: A swimmer in a natural sea frame.

Retrieved December 2, 2016, http://www.generativism.com/tiki-index. php?page=TeachingTextGenerativeDesign Terzidis, K. (2008). Algorithmic Complexity: Out of Nowhere. https://www.researchgate.net/publication/265572688_Algorithmic_Complexity_Out_of_Nowhere Terzidis, Κ. (2003). Algorithmic Form, Expressive Form. Spon Press (Abingdon) - Taylor & Francis Group. pp 65-73.

116

Εικονογραφικό υλικό Architizer, Editors. (2016). Architectural Details: Herzog & de Meuron’s Spectacular Elbphilharmonie. Retrieved July 10, 2017, from https://architizer.com/blog/architectural-details-herzog-de-meuron-elbphilharmonie/ Jing, S. (2016). Architectural evolutionary system based on Genetic Algorithms. Retrieved November 20, 2016, from http://www.interactivearchitecture.org/architectural-evolutionary-system-based-on-genetic-algorithms.html Marin, P., Bignon, JC., Lequay, H. (2008). A Genetic Algorithm for use in Creative Design Processes. HAL Id: halshs-00348546 ONE TO ONE. Elbphilharmonic Hamburg. Retrieved July 11 from http:// onetoone.net/#/project/elbphilharmonic-hamburg/85 Παπαδημητρίου, Α. Παραχώρηση εικονογραφικού υλικού από το προσωπικό της αρχείο, για την πτυχιακή εργασία της “Fibro.City”. http://fablabs.io/projects/fibro-city http://www.hamburg-zwei.de/Hamburg/Nachrichten/2017/Januar/Hamburger-Konzerthaus-Wo-befindet-sich-was-Eroeffnung-der-Elbphilharmonie http://www.creativeapplications.net/openframeworks/kinematics-system-for-3d-printing-complex-foldable-forms/ [εξώφυλλο] http://www.michael-hansmeyer.com/projects/columns.html?screenSize=1&color=1#1 http://www.achimmenges.net/?p=4443 https://www.dezeen.com/2014/02/20/chhatrapati-shivaji-airport-terminal-mumbai-som/ http://www.karayunusemre.com/parametric-research http://www.kaisersrot.ch/kaisersrot-02/2003_National_Beijing_Olympic_Stadium_%28CN%29.html y

117

http://www.evolo.us/competition/parametric-urbanism/ http://gallardoarchitects.com/beijing-national-stadium/ http://www.grasshopper3d.com/photo/hang-it-2?context=latest https://en.wikipedia.org/wiki/Flowchart http://www.patrikschumacher.com/Texts/Parametric%20Patterns.html http://archtech.gr/?tag=morphogenetic https://gr.pinterest.com/pin/189925309265427511/ http://www.cenaero.be/Page.asp?docid=27092&langue=EN

118

Παράρτημα Rhino (Rhinoceros): Το Rhinoceros είναι ένα εμπορικό λογισμικό σχεδιασμού (CAD) και τρισδιάστατων γραφικό υπολογιστή, που αναπτύχθηκε από τον Robert McNeel & Associates. Οι γεωμετρίες του Rhinoceros βασίζονται στο μαθηματικό μοντέλο NURBS, το οποίο επικεντρώνεται στην παραγωγή καμπύλων και επιφανειών ελεύθερης μορφής, με μαθηματική ακρίβεια. https://en.wikipedia.org/wiki/Rhinoceros_3D

Grasshopper: Το Grasshopper αποτελεί plug-in του σχεδιαστικού προγράμματος Rhino. Είναι εργαλείο οπτικής αλγοριθμικής μοντελοποίησης (Tedeschi 2014, 33) και παραμετρικού σχεδιασμού. Σε αντίθεση με το RhinoScript (γλώσσα προγραμματισμού), το Grassshopper δεν απαιτεί γνώσεις προγραμματισμού, αλλά επιτρέπει στους σχεδιαστές να δημιουργούν γενεσιουργές διαδικασίες δημιουργίας μορφών, μέσω οπτικών εντολών. http://www.grasshopper3d.com/

Galapagos: Το Galapagos είναι μία υποενότητα του Grasshopper, ένα εργαλείο, που επιτρέπει τη χρήση εξελικτικών υπολογισμών για την επίλυση των σχεδιαστικών προβλημάτων. Ο ΓΑ χρησιμοποιείται για τη βελτιστοποίηση των γενεσιουργών μορφών, μέσω εξελικτικής διαδικασίας εύρεσης της κατάλληλης μορφής, που εξυπηρετεί τη συνάρτηση καταλληλότητας. http://www.grasshopper3d.com/profiles/blogs/evolutionary-principles

Multi agent systems (MAS): Τα multi-agent systems (σύστημα πολλαπλών πρακτόρων) είναι αυτοματοποιημένα συστήματα υπολογισμών, που αποτελούνται από πολλαπλούς διαδραστικούς και ευφυείς agents (πράκτορες) μέσα σε ένα ψηφιακό περιβάλλον. Τα συστήματα πολλαπλών πρακτόρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την επίλυση προβλημάτων που είναι δύσκολα ή αδύνατα για έναν μεμονωμένο agent. Η νοημοσύνη τους μπορεί να περιλαμβάνει κάποια μεθοδολογική, λειτουργική ή διαδικαστική προσέγγιση και αλγοριθμική αναζήτηση. https://en.wikipedia.org/wiki/Multi-agent_system

Processing: Η Processing είναι μία γλώσσα προγραμματισμού ανοικτού κώδικα, για δημιουργία οπτικής και ψηφιακής τέχνης, και οπτικού σχεδιασμού. Ένα από τα χαρακτηριστικά της είναι ότι επιτρέπει σε μη προγραμματιστές να αρχίσουν προγραμματίζουν, έχοντας απευθείας το οπτικό αποτέλεσμα του κώδικά τους. Βασίζεται σε μία απλοποιημένη συντακτικά μορφή της γλώσσας προγραμματισμού Java. https://en.wikipedia.org/wiki/Processing_(programming_language) https://processing.org/

119

Αυτή η εργασία χορηγείται με άδεια Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Μη Εμπορική Χρήση - Παρόμοια Διανομή 4.0 Διεθνές (CC BY-NC-SA 4.0)

Εικ. εξωφύλλου http://www.creativeapplications.net/openframeworks/kinematics-system-for-3d-printing-complex-foldable-forms/