GAME OF LIFE R
O
B
O
-
C
I
T
Y
ROBO – CITY | OSTRAVA – HALDA HRABŮVKA Dagmar Sukopová | Filip Bala studio Jiří Vítek
ZAMYŠLENÍ V době mezi statickými městy probíhá větší část změn na již stávající struktuře. Dnešní svět nás však svou rychlostí předbíhá a města stěží vyhovují našim požadavkům. Jak by ale vypadalo město, které vnímá své prostředí a je schopno reakce na vnější podněty? Město jako živý organismus, adaptace v prostředí, evoluce ve světě robotů. Vznik, růst a zánik. Dynamicky měnící se město a jeho části v prostoru, čase na základě měnících se parametrů. Výměna energie a informací s prostředím.
ORGANISMUS • biologická entita, udržujÍící svůj ideální stav neustálou proměnou a výměnou látek, energií a informací s prostředím • schopnost reakce na vnější podměty, rozmnožování, růst a evoluce
|
ROBOT
• stroj pracující s určitou mírou samostatnosti • vykonává určené úkoly předepsaným způsobem a při různých mírách potřeby interakce s okolním světem a se zadavatelem • schopnost vnímat prostředí a reagovat na něj, zasahovat do něj, případně si o něm vytvářet vlastní představu • fyzická nebo abstraktní realizace pojmu agent
|
MĚSTO • živá struktura • fyzický odraz lidské činnosti • snaha udržitelnosti – reakce na změny vnitřních a vnějších vztahů prostředí • tok energií, informací, lidí • stroj na bydlení nebo městský organismus?
ANOTACE Urbanistická struktura, která se evolucí dynamicky vyvíjí a mění v prostoru i čase v závislostech na podměty. Vznik emergentní městské struktury rostoucí podle daných pravidel a daného prostředí. Pravidla a životní podmínky se však časem mohou změnit, ať již z aspektů sociálních, demografických, kulturní, ekologických, průmyslových, klimatických a jiné. Na základě výzkumu jsme vytvořili algoritmus, který zkoumá využití stávajícího výpočetního modelu, celulárního automatu, pro městské plánování. Buněčný automat (CA) je diskrétní model studovaný v matematice a mimo jiné se používá i v komplexních systémech. Obvykle se skládá z pravidelné mřížky buněk, každá v jednom z přednastavených stavů, například „alive“ nebo „dead“. Tento stav buňky se v průběhu času mění podle definované sady pravidel, vždy na základě stavů sousedních buněk.
PUBLIC
HOUSING WORK
NATURE
Conwayowa game of life
Game of city
ROBOTIC CITY
URBANISMUS
PROVĚŘENÍ GAME OF CITY NA KONKRÉTNÍM ÚZEMÍ OSTRAVA |
HALDA HABRUVKA
Ve své experimentální fázi byly vygenerované 2D modely aplikovány na Ostaravsou haldu Habrůvku o rozloze přibližně 97 hektarů rozkládající se v jižní části města Ostravy na území městského obvodu Ostrava-Jih v katastru Hrabůvka. Odval sloužil již od roku 1890 Vítkovickým železárnám pro ukládání odpadů z hutní výroby, především strusky. V roce 2010 probíhala rekultivace odvalu a připravuje se jeho budoucí využití. Momentálně je však halda ponechána přírodě a přirozenému vývoji sukcesních společenstev rostlin - nová divočina . Tato nově vzniklá lokalita má potenciál pro realizace nejrůznějších staveb a areálů s mnoha využitími. Na tomto území se snažíme použitím algoritmu Game of city vytvořit řadou experimentů městský plán s vysokou místní rozmanitostí a přerozdělit jednotlivé funkce v lidském měřítku bez nutnosti zónování.
VÝVOJ HALDY HABRŮVKY 2000
2005
20
08
2020
???
ANALÝZA ÚZEMÍ A JEHO NÁVAZNOSTI NA OKOLÍ
KUNČICE
JUBILEJNÍ KOLONIE
NOVÁ KOLEGOVA
SÍDL. ŠÍDLOVEC
LIMITY ÚZEMÍ Charakteristické znaky • území izolované vysokým porostem a terénem • sukcese kontrastní s městskou zástavbou - ostrov zalitý městem • vertikální oddělení – dálnice, řeka • horizontální oddělení - železnice • • • •
sever – průmysl jih – obytná zástavba, část průmyslu západ – silnice, pak bydlení východ – řeka, zahrádkářské kolonie, pak průmysl
ANALÝZA TERÉNU Podloží Podloží je nesourodé. Skládá z většiny z vysokopecní strusky ruzných frakcí. Stavby lze realizovat až s časovým odstupem, kdy nasypaný materiál slehne. Sklonitost Odstíny červené a žluté značí strmý sklon, zelená barva se blíží rovině, šedá značí vodní plochy.
SUKCESE
DOPRAVA OPRAVA A
AUTOBUSOVÁ DOPRAVA TOBUSOVÁ AUTOBUSOVÁ DOPRAVA DOPRAVA DOPRAVA
TRAMVAJOVÁ DOPRAVA CYKLO CYKLO--STEZKY STEZKY TRAMVAJOVÁ TRAMVAJOVÁ DOPRAVA DOPRAVA
NAPOJENÍ HALDY NANA OKOLNÍ ZÁSTAVBU NAPOJENÍ HALDY OKOLNÍ ZÁSTAVBU
Napojení stávající Napojení haldy haldy na na stávající městskou strukturu. městskou strukturu.
Vytyčení na dopravní Vytyčení bodů bodů na dopravní uzly,uzly, automobilová doprava automobilová doprava a mhd.a mhd. umožňující přístup Body Body umožňující přístup na na propojili všemi řešenéřešené uzemí uzemí jsme jsme propojili všemi možnými způsoby s důležitými možnými způsoby s důležitými místy(umělé haldyjezero) (umělé jezero) a místy haldy a pomocí bodůjsme atraktorů bodů pomocí atraktorů vytvořilijsme vytvořili nejpravděpodobnější nejpravděpodobnější komunikace komunikace současné haldě na současné halděna kolem kterých kolem kterých budou množit se budou množit buňkyse generované buňkyautomatem generované celulárním celulárním Game of automatem Game of city. Grid city. Grid algoritmu zarovnáváme algoritmu zarovnáváme se se současnou zástavbou. současnou zástavbou.
URBANISMUS
Propojení bodů všemi možnými způsoby
Deformace křivek pomocí pluginu Wolly paths
Zarovnání mřížky CA Game of city se stávající zástavbou
Varianty aplikace CA game of city
Použitím tohoto systému na distribuci využití půdy na haldě habrůvce byla Conwayova hra transformována do čtyřstavového 2D automatu „game of city“. Výsledky lze chápat jako distribuční diagramy, které lze použít buď jako základ pro nový vývoj, nebo jako analytický nástroj pro existující sousedství.
ALGORITMY A HRY CELULÁRNÍ AUTOMATY
Celulární automat je souhrné označení pro určitý typ fyzikálního modelu nebo modelu založeného na teoretické biologii reálné situace, v podobě reálného přístroje nebo mnohem častěji počítačového algoritmu . Slouží k časové i prostorově diskrétní (nespojité) idealizaci fyzikálních systému, kde hodnoty veličin nabývají pouze diskrétních hodnot v průběhu času. Dvourozměrný celulární automat „Game of life“ svým chováním připomíná vývoj společenství živých organismů. Odedrává se na matici buňek, jejíž stav předurčuje podobu hry v následujícím kroku. uživatel tedy pouze určí výchozí konfiguraci podle, které hra běží bez dalších zásahů.
Na základě těchto informací jsme se rozhodli upravit script CA Game of life pomocí programovacího jazyku Python, tak aby vykazoval obdobné vlastnosti a zároveň lépe konventoval s požadavky města. Následně byl vyexportován do Grashopper komponenty, kterou používá program Rhinoceros. Na každý bod vygenerovaný z CA Game of life je umístěn blok vycházející z typu buňky. PROPOJENÍ SKRIPTU S GRASHOPPEREM
CELULÁRNÍ AUTOMAT VSTUPNÍ DATA
Oproti klasické Conwayově hře vycházíme ze čtyř stavů - Housing, Public, Schience a Death, které reprezentují varianty se specifickými programy viz. tabulka. Při tvorbě počátečních potenciálů jednotlivých stavů buněk na základě, kterých se buňky budou rozhodovat o vhodnosti sousedství s ostatními buňkami, jsme se inspirovali ekologickým simulátorem Block´ hood založeným na principech správy zdrojů a ekologické vzájemné závislosti. Synergie mezi jednotlivými stavy je ohodnocena stupnicí defionované maximem (3) a minimem (- 3). Kladné hodnoty značí na stupnici (1 - 3) shodu mezi danými stavy buněk , záporné naopak značí nevhodnost sousedství.
PUBLIC
HOUSING WORK
NATURE
Conwayowa game of life
Game of city
ROZDĚLENÍ PROGRAMU NA ČTYŘI STAVY
housing
public
science
organics
označení
0
1
2
3
programy
převážně
kanceláře školy knihovny komerce občaská vybavenost ...
výzkum energie lehký prumysl ...
volný prostor „divoká“ příroda ...
v automatu
v architektuře
bydlení
tabulka synergie mezi jednotlivými stavy housing
public
science
empty
housing
3
2
-3
0
public
3
2
1
0
science
-3
1
3
0
empty
2
2
2
0
Vhodnost sousedství každého stavu je v tabulce ohodnocena na škále od -3 do 3 ( Hodnota 3 značí nevyšší synergii mezi sousedy, Hodnota -3 opak, hodnota 0 je neutrální a neumožňuje vznik nové buňky)
CELULÁRNÍ AUTOMAT FUNGOVÁNÍ ALGORITMU
Celý systém využívá dvojrozměrnou mřížku, ve které jednotlivé body (voxely) mění svuj stav na jeden z výše definovaných typů buněk (Housing, Public, Science, Death).
2
+
+
2
Buňka si hlídá pouze svých 8 nejbližších sousedů.
+
16
2
+
2
+
2
2
+ 2
+
+ 2
Buňka si počítá potenciály (synergie) svých nejbližších sousedů.
PRAVIDLA PRO VZNIK BUNĚK
Každá buňka si sčítá hotnoty potenciálů svých sousedů (synergie), na základě kterých stoupá její vlastní potenciál.
0
0
Jestliže je vlastní potenciál buňky v kladných kodnotách (1 až 3), buňka zůstává. Jestliže je vlastní potenciál buňky v záporných hodnotách (-1 až -3), buňka zaniká.
Jestliže potenciál buňky překročí určitý limit, buňka zaniká.
If
and
return
If
and
return
If
and
return
PUBLIC
HOUSING
0
SCIENCE
0
Jestliže potenciál buňky ORGANICS překročí určitý limit, buňka se mění na buňku jiného stavu podle následujících pravidel: V jiném případě její stav zůstává.
ORGANICS
PŘÍKLAD NABÍJENÍ POTENCIÁLŮ
PUBLIC 2 4
2
2
9
7
5
2
-5
6 2
2
6
5
6
3
HOUSING
6
2
6
2
SCIENCE
2
-3
-3
2
2
ORGANICS S VYSOKÝM POTENCIÁLEM
ORGANICS S POTENCIÁLEM
ORGANICS S NULOVÝM POTENCIÁLEM
FUNGOVÁNÍ ALGORYTMU
SCHÉMATICKÝ DIAGRAM
ZAČÁTEK
VSTUPY
PŘÍKAZY
ROZHODOVÁNÍ
VÝSTUPY
CHOVÁNÍ ALGORITMU V MALÉM MĚŘÍTKU
Předem určená poloha buněk (malé měřítko)
Počátek
Růst
Aktualizované buňky nahrazují ty předchozí a vytvářejí animaci na mřížce. Animace se někdy vyvine do „zátiší“, stabilního vzoru.
Stejná počáteční poloha, změna pravidel Počátek
Růst
Počátek
Růst
Počátek
Růst
Změnou podmínek (tab. synergie) se snadno ovlivňuje charakter vygenerované struktury (hustota, poměr jednotlivých stavů, atd...)
CHOVÁNÍ ALGORITMU NA PLOŠE 16 X16
PUBLIC
SCIENCE
HOUSING
ORGANIC
CHOVÁNÍ ALGORITMU NA ŘEŠENÉM ÚZEMÍ VÝVOJ STRUKTURY
HOUSING
PUBLIC
SCIENCE
ORGANICS
Stavy buněk fungují jako nosiče informací , které se dále mouhou specifikovat na podtypy.
ROBOTIC CITY
NEUFERT
URBANISMUS Stavy buněk fungující jako nosiče informací definují i fyzické rozmery území na kterém jsou postaveny jednostlivé budovy, které jsou definovány podtypy stavů buněk. Jednotlivé buňky zahrnují zelené plochy určené pro rekreaci, prostor pro umístění mudovy a komunikace.
20
m
14
m 2m 8m 2m 14
m
BYDLENÍ
PROSTOR/FUNKCE
Celá obytná struktura vychází ze základní entity. Včechny byty jsou tvořeny univerzálními modulovými jenotkami se stejnými rozměry a jednotnými otvory. Vztahy jsou nastaveny „zevnitř ven“ a jsou uskupovány netradiční formou skládáním modulových jednotek pomocí upraveného algoritmu „game of life“ do většího celku. Vstupy do jednotlivých bytů vedou z parku přes jednotlívá náměstí do společných prostor skrz obývací pokoje do dalších místností. Takovéto prostorové uspořádání vytváří shluky bytů okolo komunikačních jader. Obytný prostor je odhalený směrem ven a nemá další obálku. Interiér a exteriér se tak stává živě propojeným prostorem s exteriérem terasami a átrii s obytnými pavlačemi tvořícími život na fasádě. Stavba navenek může působit rozdrobeně a chaoticky, ve skutečnosti však v sobě skrývá přesnou hierarchii prostoru. Každý zhluk obsahuje několik bytových jednotek s různým počtem místností. Většina z nich je jednopodlažní s vyjimkou několik mezonetových bytů. Komunitní atmosféru podtrhují společné prostory - herny, studovny, dílny... - přistupné všem rezidentům. Objekt tak svvým obyvatelům poskytuje možnosti pro širokou škálu činností. Navíc však nabízí možnosti i pro veřejnost v podobě galerii, posilovny, knihovny, či Co -working místnosti.
APLIKACE ALGORITMU NA STAVBU BYTOVÉHO DOMU FUNGOVÁNÍ ALGORITMU
3D USPOŘÁDÁNÍ
JÁDRO
RŮST
ZÁNIK
Uspořádáním buněk do třetí dimenze posilujeme zvýšenou hustotou městský charakter.
Jádro se vždy vytvoří na souřadnicích x, y. Nemění se a zůstává po čas celé iterace na stejném místě.
Jestliže sousedství buněk má počet X buněk vznikne nová buňka.
Jestliže sousedství buněk má Y až Z buněk, buňka přežije. V jiném případě zemře na samotu nebo přemnožení .
Suřadnice x, y: 2D mřížka, z: časová stopa procesu GOL
např. X = 2
např. ( Y <= x <= Z) == (2 <= x <= 8)
VSTUPNÍ DATA
Původní CA game of life definuje 2 stavy buněk (ALIVE, DEAD), doplněno třetím stavem (CORE) reprezentujícím neměnnou, stabilní část stavby .
MĚŘÍTKO POČÁTEČNÍHO VZORU
ROZDĚLENÍ BUNĚK NA TŘI STAVY
3x3 alive
dead
Základní bytová jednotka
Volný prostor
core
5x5 Jádro Vertikální komunikace sítě energie
PRAVIDLA PRO VZNIK BUNĚK
Jádro se vždy vytvoří na souřadnicích x, y. Nemění se a zůstává po čas celé iterace na stejném místě.
Každá živá buňka se dotýká alespoň jednou stranou jádra, o rozměrech jedné, dvou nebo čtyř buněk.
Každá živá buňka se musí dotýkat alespoň jedné strany mrtvé buňky.
(navázáním na jádro vzniká bytová jednotka)
(zajištění dostatečného oslunění)
...
VARIACE VYGENEROVANÝCH STRUKTUR (jádro 6x6m)
KONSTRUKČNÍ SYSTÉM
Členítý reliéf stavby vyžaduje lehké a jednoduché konstrukční řešení. Konstrukční základ budovy proto tvoří moduly z masivních dřevěných CLT panelů od společnosti Novatop. Při vertikálním a horizontálním ukládání modulů vznikají zdvojené stěny. Všechny stěny jsou nosné. Schodiště centrálního átria je podepřené subtilní ocelovou konstrukcí ukotvené do panelů. působí pak vzdušně a nezávisle. Konstrukční materiály jsou přiznané a interiéru vládne pohledové dřevo, které vytváří netradiční, útulnou atmosféru. Pro kotvení kovových prvků je použitá speciální kotva DOSTEBA. Významným prvkem návrhu je jednoduchý stavební proces, v rámci kterého jsou jednotlivé moduly prefabrikované a ukládané přímo na místě stavby. KONSTRUKČNÍ DETAILY NOVATOP DETAIL ROHOVÝCH A PODÉLNÝCH SPOJŮ
1. VRUT 8 x 220 (160/100) (POČET PODLE STATICKÉHO VÝPOČTU) 2. MASIVNÍ DŘEVĚNÁ STĚNA NOVATOP SOLID 124 x 84 3. VZDUCHOTĚSNÉ P ROVEDENÍ SPOJE 4. MASIVNÍ DŘEVĚNÁ DESKA (PŘÍLOŽKA)
LEGENDA:
KONSTRUKČNÍ DETAILY NOVATOP
1.
POLYKARBONÁT
2. VZDUCHOVÁ MEZERA 3. DIFŮZNÍ FÓLIE 4.a DŘEVOVLÁKNITÁ DESKA 4.b DŘEVOVLÁKNITÁ DESKA 5.
VRUT 8 x 220 (160)
6.
VZDUCHOTĚSNÉ PROVEDENÍ SPOJE
7. MASIVNÍ DŘEVĚNÁ STĚNA
VNĚJŠÍ ROHOVÝ SPOJ OS 124,84
NOVASTOP SOLID 124,84
ODVĚTRÁVANÁ FASÁDA
LEGENDA: 1. VNITŘNÍ DVEŘE SE ZÁ-
LEGENDA:
RUBNÍ
1. MASIVNÍ DŘEVĚNÁ STĚNA
2. PODLAHOVÁ KRYTINA
NOVASTOP SOLID
3. POLYSTYREN EPS 200 S 4. VYROVNÁVACÍ
2. MASIVNÍ DŘEVĚNÁ DESKA
POSYP
3. OKNO
FERMACELL
4. TEPELNÁ IZOLACE
5. HYDROIZOLACE
5. ÚHELNÍK
6. DILATAČNÍ PÁS
6. PUR PĚNA
7. PUR PĚNA
7. VZDUCHOTĚSNÁ OKENNÍ
8. MASIVNÍ DŘEVĚNÁ STĚ-
FÓLIE
NA NOVASTOP SOLID
8. VZDUCHOTĚSNÉ PROVEDENÍ SPOJE
DETAIL OSAZENÍ OKNA
DETAIL OSAZENÍ OKNA
REFERENCE MODULAR TIMBER HIGH-RISE PROPOSED, TORONTO
H. HERTZBERGER CENTRAAL BEHEER OFFICES
MOSHE SAFDIE HABITAT 67, MONTREAL CANADA
ROBO – CITY VIDEO PRŮBĚH PRÁCE
ZÁVĚR Celulární automaty, jako je i Conwayuv algorytmus „game of life“ fungují na principech, kdy je stav jedné buňky závislý na stavech jejich sousedů ( Buď žijí v synergii se svými sousedy, nebo zemřou na nedostatečně velkou populaci či naopak přeplněnost.) Mohli bychom tento jednoduchý algoritmus ze 70. let použít jako novou metodu plánování měst - téměř jako protizónový nástroj? Game of city je experiment zkoumající využití celulárních automatů pro městské plánování jako metodu pro vytváření městských plánů s vysokou místní rozmanitostí bez nutnosti zónování. Upravený čtyřstavový algoritmus byl aplikován na zrekultivovanou haldu v Ostravě,
která vyžadovala přerozdělení funkcí v lidském měřítku. Výsledky lze vnímat jako distribuční diagramy, které lze použít buď jako základ pro nový vývoj struktur, nebo jako analytický nástroj pro existující sousedství.