Technická řešení mediálních fasád by Dimitri Nikitin

Dmytro Nikitin PS7 Design fasádních konstrukcí FA ČVUT 2011/12 Technická řešení mediálních fasád (Integrace zobrazovací funkce do fasádního pláště)

MEDIÁLNÍ FASÁDY

OBSAH: 1/ Vývoj fasádních zobrazovacích technologií v minulosti 2/ Současné tendence v oblasti mediálních fasád 3/ Technologická řešení a jejich integrace do fasádního pláště: 3.1/ Systémy s použitím světelných zdrojů: 3.1.1/ Přímá iluminace: ILUMA Urban Entertainment Centre, Singapur BIX Communicatice Display Skin, Kunsthaus Graz Window raster animation technology 3.1.2/ Osvětlení translucentních povrchů: Allianz Arena, Mnicov, Německo The Beijing National Aquatics Center

3.1.3/ Projekce obrazů, mapping fasád

3.2/ Systémy s použitím principů displejů: 3.2.1/ Stealth technology 3.2.2/ MiPix 20 technology 3.2.3/ SmartSlab technology 3.2.4/ MediaMesh technology 3.2.5/ Voxelové systémy 3.2.6/ Experimentální a prototypové systémy (EDDS, LED atd.) 3.3/ Mechanické systémy: 3.3.1/ Hydraulický / pneumatický pohon: FLA RE facade A egis Hyposurface 3.3.2/ Elektrický pohon: Aperture prototype 4/ Výzkum nových technologií a jejich aplikace 5/ Zdroje

CENTER POMPIDOU - PAŘÍŽ

Vývoj fasádních zobrazovacích technologií v minulosti Obrazové informace se na fasádách obydlí objevují již po tisíce let. Počínaje jeskynními malbami, přes příběhy vepsané do stěn egyptských domů a hrobek, reliéfy v tympanonech řeckých a římských chrámů, vitráže v oknech středověkých katedrál, fresky a sgrafita renesance, ornament secese, až po zrcadlové zmnožování odrazů v prosklených fasádách 20. století a současné technologie zobrazování, jako jsou LED diody a displaye. Tato práce se omezuje na období vývoje zobrazovacích technologií od okamžiku, kdy se v plánech architektů objevuje prvek skutečné obrazovky, fungující jako součást fasádního pláště. První v tomto smyslu mediální fasáda byla součástí původního návrhu na Center Pompidou, přihlášeného do architektonické soutěže týmem Renza Piana a Richarda Rogerse. Obří obrazovka na hlavní fasádě měla zobrazovat grafické zprávy o konaných událostech a výstavách v centru. Celý architektonický koncept budovy se zakládal na komunikaci – budova se stála médiem, ukazujícím navenek jak své technologické principy, tak kulturní život, který se v ní odehrával. Přesto, že kvůli rozpočtovým škrtům byla obrazovka z návrhu odebrána, právě princip vystavení technologických

médií, jejích barevný systém propsaný graficky na fasádě (modrá = vzduch; zelená = voda; žlutá = elektřina; červená = výtahy), se stály prazákladem komunikační a interaktivní funkce fasád v éře mediálních technologií. Další významnou epizodou ve vývoji mediálních fasád byl film Blade Runner, natočený v roce 1982 Ridley Scottem. Děj se odehrává v roce 2019 a zachycuje budoucnost ve městě Los Ageles. Objevuje se zde motiv obrovské obrazovky, pokrývající několik podlaží mrakodrapu. Obrazovka zobrazuje reklamy, vzkazy a další obrazy pro cestovatelé v létajících automobilech. Celé tvrzení o důležitosti tohoto filmu v kontextu našeho tématu může působit úsměvně, ale až do chvíle, kdy si uvědomíme, že v době vzniku neexistovala technologie, která by tak rozměrné obrazovky umožňovala realizovat. Monochromatický prototyp první LED (LeghtEmitting Diode) obrazovky byl vyvinut Jamesem P. Mitchellem v roce 1977 a poprvé představen v roce 1978. Zdaleka však nedosahoval měřítka a kvality zobrazení fasádní obrazovky z Blade Runneru. Nicméně této nové technologie si rychle všimli specialisté z NASA, General Motors a vedoucích amerických univerzit, čímž se její vývoj rázně akceleroval. Současně s uvedením LED technologie se objevuje také LCD (Liquid Crystal Display) červený monochromatický dispay. Výraznější vývoj LED technologie nastupuje v 90. letech, zároveň klesá cena a tím se rozšiřuje aplikace displajů na bilboardy, stadiony atd. Mezi první pokusy vytvořit interaktivní fasádní systém patří Tower of Winds v Yokohamě od japonského architekta Toyo Ita a TL Yamagiwa Laboratory. Jedná se o válcovidou hmotu, která během dne zapadá do nevýrazného okolí svým šedám pláštěm. Má dvojitý plášť složený z vnitřní vrstvy z perforovaných hlinikových desek a z vnější vrstvy, oddělené vzduchovou mezerou a tvořené akrylovými pláty. V mezeře mezi vrstvami se nachází systém světelných prvků, složený ze tří různých typů BLADE RUNNER - FASÁDA TVOŘENÁ OBRAZOVKAMI

komponent: 12 neonových prstenců rovnoměrně výškově rozmístěných na plášti věže, 1280 malých lamp na ploše pláště a 30 plošných světel umístěných v úrovni terénu a osvětlujících fasádu. Systém je řízen počítači, které kalkulují barevnost a intenzitu jednotlivých světel podle noční doby a parametrů prostředí, sledovaných senzory v plášti. Světelné prstence udávají přibližný čas, plošná světla reagují na sílu a směr větru a lampy v plášti reagují na změny fyzického prostředí okolo věže. Tyto příklady, předcházející masivní vlnu mediálních fasád ukazují, že kreativní mysl dokáže předznamenat dopředu vývoj technologie. Návrhy, které se jevily jako futuristické a technicky neproviditelné, nakonec akcelerovaly technologický pokrok a během několika let byly v nejrůznějších podobách realizovány.

TOWER OF WINDS - YOKOHAMA

PROJEKCE (MAPPING) NA FASÁDU

Současné tendence v oblasti mediálních fasád V posledních desetiletích se objevilo několik typů mediálních fasád, lišících se dle způsobu vytváření obrazu, účelu a technických charakteristik. Základním možným způsobem klasifikace mediálních fasád je dělení dle použití mechanických

resp.

elektronických zobrazovacích součástek. U první kategorie je zobrazení vytvořeno pohybem jednotlivých elementů fasády. Tento pohyb může být založen na principu hydrauliky, pneumatického pohonu nebo pohonu pomocí motorů. Kinetickou proměnou fasády můžeme vytvořit obrazy pomocí odrazu světla nebo vrhání stínů, které způsobují pohybující se součásti fasády. Také se však může jednat o ornamentální pohyblivé prvky stínění či nejrůznější experimentální systémy. Mnohem rozšířenějším typem mediálních fasád jsou ty, založené na elektronice. Komunikaci prostřednictvím obrazů vytvořených elektronickou cestou můžeme dále rozdělit dle použité technologie. V zásadě existují tři elektronické systémy, umožňující vizuální zobrazení: • Projektory (typů CRT, LCD, DLP) Zde je fasáda využita jako projekční plátno, přičemž projektor se nachází na jiné budově. Existují též systémy se zadní projekcí kdy je projektor umístěn v interiéru a promítá na průsvitnou projekční plochu.

• Systémy založené na světelných zdrojích (fluorescenční či halogenové lampy, ...) Tyto systémy mohou využívat stávající rastry okenních otvoru, přičemž do každého okna je umístěn světelný zdroj (zářivky, neonové trubice či žárovky) s vlastním stmívačem. Jedno okno je tedy jedním pixelem obrazu, což znamená, že tato technologie slouží k zobrazení animací v nízkém rozlišení. Existují však též systémy, které jsou nezávislé na rastrech oken a jejích obraz může být detailnější (např. Kunsthauz Graz od společnosti Realities United) • Technologie displayů Fasáda zde funguje jako velká obrazovka. Toho je technicky dosaženo aplikací LED technologie popřípadě TFT či LCD plasmové technologie. Zvláštní skupinou jsou tzv. voxelové systémy (voxel je analogií

LED TECHNOLOGIE

2D pixelu v trojrozměrném prostoru), které fungují jako trojrozměrné rastry LED bodů a umožňují vytváření obrazů v prostoru. Nejedná se o stereoskopická zobrazení, ale o obraz, jehož body jsou rozmístěny ve třech rozměrech. Některé tyto technologické kategorie můžeme dál členit do podskupin. Tyto jsou již poměrně specifické a liší se projekt od projektu. V následující části práce si na realizovaných příkladech ukážeme některé z těchto systémů. PROTOTYP MECHANICKÉHO SYSTÉMU

RASTR ZE ZÁŘIVEK NA KUNSTHAUSU V GRAZU

Systémy s použitím světelných zdrojů U tohoto typu fasád fungují jednotlivé světelné zdroje v rastru jako pixely obrazu. Tyto zdroje mohou fungovat na dvou základních principech zobrazení – digitálním (pouze 2 možnosti – zapnuté / vypnuté) nebo analogovém (s použitím stmívače a rozsahem od 1 do 100% jasu). Zdroje jsou většinou jednoho typu v celém rastru a jsou monochromní. Pro použití v mediálních fasádách jsou výhodnější zdroje schopné stmívání, jelikož umožňují jak zobrazení digitální, tak analogové informace. Tyto zdroje můžeme rozdělit do 5 kategorií. • Obloukové lampy fungující na principu elektrického oblouku, jehož elektrody jsou odděleny atmosférou tvořenou vzácným plynem (argon, neon, sodík, …). Na podobném principu fungují také plynové výbojky a HID lampy. Právě ty mají uplatnění v mediálních fasádách díky jejích možnostem stmívání a dostupnosti. • Žárovky jsou stále jedním z nejrozšířenějších zdrojů světla. Vyrábí se v široké škále rozměrů a výkonů a pracují buď na stejnosměrný nebo střídavý proud. Tato technologie je však postupně obměňována novými typy zdrojů, především kvůli tomu, že až 98% energie se jejích fungováním přemění na teplo. Další nevýhodou je relativně krátká životnost ve srovnání s alternativními technologiemi. Výhodou při aplikaci ve fasádních pláštích je dobrá schopnost stmívání a široký sortiment. Zvláštním typem žárovky je halogenová žárovka, 10

u které se dosahuje vyšší světelné účinnosti, teploty chromatičnosti a delší životnosti přidáním sloučeniny halogenového prvku (např. brom či jod). Výhodou jsou též malé rozměry zdroje. Nevýhodou ve vztahu k mediálním fasádám je omezená schopnost stmívání. To je sice možné, ale snižuje životnost zdroje. • V elektroluminiscenčních zdrojích (EL) dochází k přeměně elektrické energie ve světlo při průchodu proudu vhodným materiálem (luminoforem). Nejrozšířenější aplikací tohoto fenoménu je LED (light-emitting diod) technologie. LED displeje podrobněji popíšeme v části věnované displejům a zde se soustředíme na tzv. LED lampy – bloky polovodičových zdrojů sdružené a opatřené standardním šroubovacím závitem pro objímku (mezinárodně jsou tyto bloky označovány jako SSL: solid-state lighting) . Zde se využívá tří variant LED principu: základní LED, organic light-emitting diodes (OLED) či polymer light-emitting diodes (PLED). Výhodou SSL zdrojů je malá produkce tepla, odolnost vůči elektrickým přepadům, vibracím a opotřebování, jelikož zde nejsou vlákna nebo trubice náchylné ke zničení. Velmi dobře se tyto zdroje dají stmívat a mají životnost až 60000 hodin. • Plynové výbojky vytváří světlo průchodem elektrického výboje ionizovaným plynem. Výhodou je dlouhá životnost a vysoká světelná účinnost, jsou však náročnější na výrobu. Vyžadují též elektronické součástky upravující napětí pro průchod plynem. Typickým příkladem tohoto typu lamp jsou fluorescenční výbojky (zářivky). Jsou plněny inertními plyny (neon, argon, xenon, krypton a jejích směsmi). Vyrábí se v nejrůznějších formách a velikostech a mají široký výběr barevností. Ve srovnání s běžnými žárovkami mají vyšší energetickou účinnost a delší životnost. Na druhou stranu jsou objemnější (musí obsahovat elektronické součástky) a také dražší. Umožňují stmívání, což je činí vhodnými pro použití v mediálních fasádách. Zvláštním typem plynových výbojek jsou kompaktní fluorescenční lampy (CFL). Využívají stejné formáty závitů, jako žárovky a pravděpodobně je v budoucnosti nahradí. Vytváří světlo dvou typů: teplé a studené. Produkují stejné množství světla, jako žárovka, jsou však úspornější a mají delší životnost. Nevýhodami jsou vyšší cena a obsah rtuti, který je činí obtížněji odstranitelnými. • HID (high-intensity discharge) lampy produkují světlo pomocí elektrického oblouku mezi wolframovými elektrodami v trubici z taveného křemene či taveného oxidu hlinitého, která je plněna směsí plynu a solí kovů. Jejích výhodou je vyšší účinnost ve srovnání s fluorescenčními lampami a žárovkami. Některé typy je možné stmívat.

FASÁDA ILUMA CENTRA V SINGAPURU

.1.1

Přímá iluminace

systémy s použitím světelných zdrojů:

ILUMA URBAN ENTERTAINMENT CENTRE, SINGAPUR Crystal Mesh je fasáda navržena pro stávající budovu obchodního centra v Singapuru. Je složena z 3000 modulů z tvarovaného průsvitného polykarbonátu, které jsou na zadní straně uzavřeny hlinkovým krytem. Přibližně 1900 těchto

mnohoúhelníkových

buněk

zevnitř

opatřeno

zářivkami, které v celku fasády vytváří pravidelnou mřížku pixelů. Polykarbonátové buňky jsou vyrobeny ve třech tvarových variantách, které do sebe zapadají a vytváří na REAL-SCALE MODEL VÝSEKU FASÁDY

fasádě ornament, který se dá v různých místech upravovat vynecháváním prvků. Crystal Mesh pokrývá plochu 5180m2, z toho 2550m2 plní funkci displeje. Celkově je na fasádě použito 6069 zářivek o výkonu 36W, z nichž každá je individuálně stmívaná pomocí speciálně navrženého softwaru. Jedná polykarbonátová buňka obsahuje mezí 1 a 7 zářivkami. Uvnitř svítivých buněk jsou umístěny elektrické součástky (stmívač, držák zářivky a dráty) a prohnutá reflexní plocha.

INSTALACE SYSTÉMU NA FASÁDU

Frekvence zobrazení fasády je 25 políček/sek. 12

ILUMA CENTER - SINGAPUR

Buňky jsou upevněny na tenkostěnných svislých profilech v rastru po 700mm, které jsou kotveny na stropní desky a lícují s rovinou fasády. Jelikož se jedna o obchodní centrum, nebylo nutné řešit výhled přes fasádu do exteriéru, Crystal Mesh je tedy navržena jako neprůhledná fasáda. BIX COMMUNICATICE DISPLAY SKIN, KUNSTHAUS GRAZ V roce 2003 zrealizovalo studio realities:united projekt mediální fasády na budově Kunsthausu v Grazu. Byl to první projekt, využívající kruhové zářivky jako pixely obrazu. Koncept byl pojmenován BIX, což je zkratka pro Big Pixel. Jde v podstatě o obrovský displej nízkého rozlišení zakřivený ve dvou směrech. Inovativní bylo použití běžně dostupné technologie v kombinaci s na míru vytvořeným softwarem k dosažení do té doby nepředstavitelného efektu fasády. Jako pixelů bylo užito kruhových zářivek o průměru 40cm a výkonu 40W. Ty byly osazeny do dutiny mezí akrylové fasadní panely v exteriérové ploše a vnitřní vrstvu

KUNSTHAUS GRAZ

VÝSEK FASÁDY - PROTOTYP

DETAIL SYSTÉMU

sendvičového pláště. Celkově bylo osazeno 930 zářivek, tvořících světelnou plochu o rozměrech 20x40m. Jas každé zářivky se dá ovládat a frekvence vykreslování je 18 políček za sekundu. K čitelnosti grafiky velmi nízkého rozlišení (přibližně 0,2% rozlišení běžného televizoru) přispívá barevnost vnitřního pláště. Na tmavém pozadí jsou jasně viditelné i minimální rozdíly v jasu jednotlivých pixelů. WINDOW RASTER ANIMATION TECHNOLOGY Tento princip je založen na jednoduché myšlence – čerpá z estetiky živelných obrazů, vznikajících po setmění z rozsvícených a tmavých oken na běžných fasádách a pomocí řízeného stmívaní vytváří z oken pixely animace. Pro tuto variantu mediální fasády se hodí pravidelné rastry oken kancelářských nebo veřejných budov, které se po zavírací hodině vyprázdní a hra fasády tedy neruší obyvatele domu. Malá rozlišení a variabilita takových fasád jsou určitým omezením možného obsahu sdělení, nejčastěji se proto tento princip využívá pro krátkodobé umělecké performance. Realizace většinou nevyžaduje stavební zásahy a omezuje se na pouhé rozmístění světelných zdrojů (nejčastěji halogenových lamp) za stávající zasklení oken. Zdroje se pak napojí na stmívač, který je buď drátově či bezdrátově řízen softwarem. Mezí příklady takovýchto fasád můžeme uvést např. Blinkenlights (Berlin, 2001) nebo rozsáhlejší projekt Stereoscope (Toronto, 2008). 14

STEREOSCOPE - TORONTO

BLINKENLIGHTS - BERLÍN

ALLIANZ ARENA - MNICHOV

.1.2

systémy s použitím světelných zdrojů:

Osvětlení translucentních povrchů

Poměrně efektivní je typ fasády založený na nasvícení průsvitného materiálu. Většinou se jedná o ETFE fólie, tvořící nafouknuté polštáře. Díky optickým vlastnostem povrchu fólie se světlo rozšíří rovnoměrně po polštáři, který tak budí dojem celoplošného světelného zdroje. K nasvícení fólie se používají nejčastěji zářivky či LED zdroje v různých barevnostech popřípadě s barevnými filtry. Zdroje jsou napojeny na stmívače, umožňující vytváření řízených obrazů na fasádě. ALLIANZ ARENA, MNICHOV, NĚMECKO Autorem koncepce nasvícení fasády je firma Siteco. Ta navrhla světelné zdroje po obvodu každého z kosočtvercových ETFE polštářů od výrobce Covertex (Obing). Každý ze čtyř zdrojů je dlouhý 3,5m a je tvořen 6 zářivkami (58W) a třemi řídícími jednotkami. Plastový kryt zdroje je opatřen dvěma pruhy barevných filtrů – modrým a červeným a jedním průhledným pruhem. Díky tomu je dosaženo barevné variability: pro zápasy národního týmu bílá barva; pro utkání Bayernu červená a pro TSV 1860 modrá. Pro optimální rozložení světelného toku po polštáři byly navrženy asymetrické parabolické reflektory. Celkově bylo do 1056 polštářů osazeno 4,250 zdrojů.

ALLIANZ ARENA - SVĚTELNÝ ZDROJ

ALLIANZ ARENA - DETAIL KONSTRUKCE

1/ ETFE polštář 2/ světelný zdroj 3/ trubky pneum. systému 4/ hlavní přívod vzduchu 5/ nosná k-ce fasády 6/ nosná konstrukce budovy 7/ stínící systém 8/ zasklení 9/ plošina pro údržbu

THE BEIJING NATIONAL AQUATICS CENTER Vodní kostku v Pekingu doplnila světelnými efekty firma Grandar Landscape Lighting and Technology Group, která jako subdodavatele světelných LED zdrojů vybrala významnou společnost CREE, výrobce a propagátora LED technologie. Do 3000 bublin, vytvořených na základě Weaire-Phelanovy struktury a tvořících jak nosnou konstrukci, tak tepelně izolační plášť z ETFE fólie, bylo osazeno kolem 496000 XLamp LED zdrojů ve třech barevných variantách – červené, zelené a modré. To umožňuje vytvářet neomezenou barevnost pomocí míchání RGB barevných kanálů. Jednotlivé LED zdroje jsou sdružovány do modulů po 8 až 16 kusech. Každá bublina má odlišně nastavený modul tak, aby co nejlépe osvětloval geometrii buněk. Zdroje jsou upevněny na nosnou konstrukci bublin. Celý systém je přes stmívače řízen softwarem, ovládajícím barevnost a jas každé z bublin.

AQUATICS CENTER - PEKING

AQUATICS CENTER - XLamp LED ZDROJ

LEOPOLD MUSEUM - VÍDEŇ

.1.3

systémy s použitím světelných zdrojů:

Projekce obrazů, mapping fasád

Významnou skupinou mediálních fasád jsou projekty, ve kterých fasáda budovy slouží jako promítací plátno. Jasnou výhodou jsou nulové stavební zásahy do budovy, což předurčuje projekce a mapping ke krátkodobým uměleckým instalacím ve veřejném prostoru. Často se používají na chráněných budovách, na kterých by invazivnější typ mediální fasády nebyl reálný. Nevýhodou je obtížná realizace pro fungování během dne, kdy ambientní a sluneční světlo tlumí kontrast promítaného obrazu. Obecně platí, že pro venkovní instalace jsou vhodné projektory se světelným tokem min. 3000 lumenů. Důležitý je samozřejmě tvar fasády – optimální je rovná plocha, ale i složité plochy se dají mapovat s pomoci softwaru, který přizpůsobuje obraz podle 3d modelu fasády. Dalším důležitým prvkem je barevnost fasády. Pro správnou reprodukci barev jsou potřeba bílé či světle šedé povrchy. Pro odlišné barevnosti se musí uzpůsobit projektovaný materiál tak, aby spolupůsobil s fasádou. Jelikož tento systém nevyžaduje zásadní technické zásahy do fasády, nebude podrobněji probírán.

GUGGENHEIM MUSEUM - NEW YORK

GREEN PIX - PEKING

Systémy s použitím principů displejů K výraznému rozvoji technologie velkých obrazovek došlo na konci 90. let 20. století. Mezi hlavní technologie, vhodné k použití ve fasádních pláštích, patří LCD (liquid crystal display), plazmové displeje a LED displeje. Na rozdíl od dříve nejrozšířenější CRT (cathode ray tube), jsou tyto displeje velmi tenké a dosahují velkých formátů, což je činí optimálními pro funkci komunikace ve veřejném prostoru. • LCD displej je jedním z nejrozšířenějších typů zobrazovacích médií. Najdeme jej nejen v TV obrazovkách, ale i v kalkulačkách, hodinkách, přehrávačích atd. LCD je tzv. transmisivní displej, to znamená, že je zezadu prosvětlován odděleným zdrojem světla. Toto světlo je nejprve polarizováno filtry, čímž se jeho vlnění převede do jednoho směru. Poté toto světlo prochází LCD panelem, který buď světlo zablokuje nebo pustí dál v závislosti na organizaci krystalů panelů v určitém okamžiku. Panel je tvořen buňkami, kontrolovanými tranzistory. Každý pixel je složen ze tří buněk reprezentujících červenou, zelenou a modrou barvy. Přes krystalickou vrstvu se světlo dostává na barevný filtr a světlo z buněk získává barevnost. LCD obrazovky jsou poměrně tenké a lehké. Mají též nižší spotřebu, než plazmové displeje a CRT projektory. Mají však nedokonalé zobrazení černé (pouze jako odstín šedé), užší pohledové úhly a pomalejší odezvu. • Plazmové displeje jsou založeny na principu ionizace plynu v jednotlivých buňkách panelu. Při tomto procesu se vytváří UV záření, které stimuluje fosforový obal buňky, přičemž dochází k uvolnění viditelného světla. Ionizace jednotlivých buněk 20

je dosahováno pomocí dvou skel s elektrodami. Mezí skly se nachází vrstva buněk naplněných směsí neonu a xenonu, tyto plyny se pomocí elektrod ionizují. Každý pixel je tvořen třemi buňkami pro vytvoření barevného RGB spektra. Plazmové panely jsou podobně jako LCD velmi tenké, mají však lepší reprodukci barev a pohledové úhly. Také bezchybně zobrazují černou barvu a jsou jednodušší na výrobu, tudíž také levnější. Mezí nevýhody patří postupná ztráta jasu a potřeba neustálého chlazení. • Obě předchozí technologie mají jednu velkou nevýhodu v kontextu mediálních fasád: obrazovky mají obvodový proužek, takže při skládání vícerá panelů do skupiny, je jejich rastr jasně viditelný. Tento problém se netýká dalšího typu displejů – LED. Existují dva typy těchto panelů. Pro venkovní instalace se používá především tzv. konvenční LED (diskrétní LED). Skupiny ze tří (R,G a B) diod jsou rozmístěny do rastru a mohou vytvářet velké nepřerušované plochy (největší LED obrazovka na světě měří 500m). V interiéru je nejrozšířenější tzv. Surface Mounted Device (SMD) typ LED panelu. Tři diody velikosti špendlíkové hlavičky jsou spojeny do jediného celku a ten je vložen do desky plošných spojů. Pro venkovní použití je potřeba jas obrazovky minimálně hodnoty 2000cd/m2 (při přímém slunečním světlu až 5000cd/m2). Kromě tří základních technologií můžeme zmínit další – rychle se rozvíjející displeje, které brzy začnou konkurovat stávajícím technologiím. • IMOD (interferometric modulator display) je technologie založená na myšlence vytvoření barevného obrazu metodou interference světelných vln - podobně, jak k tomu dochází v přírodě, například na křídlech motýlů. Každý pixel rastru se skládá ze dvou prvků: poloprůhledného filmu na skleněné podložce a pod ní umístěné odrazné membrány (ta se může nacházet ve dvou stavech – otevřeném a uzavřeném). V závislosti na napětí přechází pixel do otevřené či uzavřené polohy, mezí filmem a membránou se objevuje mezera a světlo, odrážené od membrány, prochází zpět přes film. To způsobuje emise barevného světla. • EPD (electronic paper display neboli e-paper). Technologie vyvinuta k napodobení chování inkoustu na papíře. Inkoustem je elektroforetik, který vytváří obraz pomocí reorganizace nabitých částic pigmentu pomocí elektrického pole. • OLED (organic light emitting diode) je také znám jako light emitting polymer (LEP) nebo též organic electro-luminiscence (OEL). Jde o typ LED displeje, jehož elektroluminiscentní vrstva je tvořena filmem z organické sloučeniny. • SED (surface-conduction electron-emitter display) využívá elektronové emitory pro každý pixel a ne, jak tomu bylo u CRT displeje, jedinou trubici pro všechny pixely. • FED (field emission display) je založen na principu katod, bombardujících fosforový film, sloužící jako svítivé médium. Tyto displeje jsou podobné principu CRT, jsou však pouhé milimetry široké. 21

.2.1

Stealth technology

systémy s použitím principů displejů:

Důležitou otázkou při navrhování mediálních fasád je jejích průhlednost. Ne vždy jsou podkladní plochy pro mediální systém neprůhledné a je potřeba umožnit průhled přes zobrazovací stěnu. Právě průhlednost je hlavní výhodou Stealth technology. Jednotlivé pixely jsou tvořeny LED zdrojem o rozměrech 25mm a jsou osazovány do modulárních panelů s vodorovnými či svislými (dle aktuální potřeby) mezerami. Systém je velmi lehký (základní modulární panel 400x400mm s 256 pixely váží kolem 1kg) a je uzpůsobený pro rychlé instalace a de-instalace. Umožňuje pokrývat jak ploché, tak zakřivené povrchy libovolné velikosti a je vyráběn v bílé a černé barevné variantě, což ještě znásobuje variabilitu jeho použití. Do základního panelu jsou již předem integrovány rozvody a řídící elektronika, jde tedy v podstatě o prefabrikovaný systém plug and play, který je možné instalovat jak v exteriéru, tak v interiéru. Panely systému jsou samonosné, takže odpadá potřeba přídavné nosné konstrukce. STEALTH INSTALACE PRO SAAB

UNIQA TOWER - VÍDEŇ

3.2.2 MiPix 20 technology

systémy s použitím principů displejů:

Většina systémů mediálních fasád funguje na principu neprůhledné obrazovky. Nejsou tedy vhodné pro prosklené budovy. Systém MiPix 20 je založen na miniaturních modulech o velikosti 4x4cm. Právě velikost je jeho velkou výhodou. Díky ní se dá osadit na nosné sloupky prosklené konstrukce eventuálně na rámy oken. Každý modul se skládá ze čtyř LED zdrojů v barevnosti RGB kanálů, což umožňuje neomezenou barevnost. Moduly jsou mezi sebou propojeny plochým

SYSTÉM INSTALOVYNÝ DO PROSKLENÉHO PLÁŠTĚ

kabelem. Systém se dá osadit do speciálního MiPix nosného roštu (max. 21X21 modulů) nebo přímo na konstrukci fasády. Díky své minimální hmotnosti, je systém ideální pro fasády, neumožňující zavěšení těžších panelů. Řídící

software

dokáže

poradit

nepravidelnými rastry fasád a upraví zobrazovaná data dle polohy zdroje na fasádě.

ZÁKLADNÍ BUŇKA SYSTÉMU

.2.3

systémy s použitím principů displejů:

SmartSlab technology

Tato technologie byla vynalezena v roce 1999 a ve srovnání s klasickými LED media fasádami nabízí řadu výhod. Systém je tvořen šestiúhelníkovými pixely uzavřenými do nosné struktury z polykarbonátu. Celý systém je tedy samonosný a nevyžaduje přídavnou konstrukci. Dá se osazovat jak do svislých, tak do vodorovných ploch, může tedy sloužit i jako podlaha a podhled. Oboje se dá instalovat jak v interiéru, tak v exteriéru a to díky polykarbonátové krycí desce s vodotěsnými spoji, která zároveň slouží k rovnoměrné distribuci světla z pixelů po celém povrchu. Mnohoúhelníková struktura zároveň zlepšuje kvalitu zobrazení o 18% ve srovnání s konvenčními displeji se čtvercovou mřížkou. Systém se vyrábí ve dvou modifikacích: jeden s buňkami o průměru 10mm a druhý s buňkami o průměru 20mm. Základní stavební modul má rozměry 600x600mm. Systém

funguje

principu

plug

and play, což znamená, že po připojení k

počítači

pomocí

ethernetového,

lze

pomocí dodávaného softwaru ihned zahájit DETAIL KONSTRUKCE

USPOŘÁDÁNÍ ELEKTROROZVODŮ

přehrávání animace. 24

PORT AUTHORITY - NEW YORK

3.2.4

systémy s použitím principů displejů:

MediaMesh technology Tento systém kombinuje LED technologii s průsvitnou sítí z kovových drátů. Fasáda tedy zůstává transparentní, zároveň při vypnutí LED nepůsobí dojmem zhasnuté obrazovky, ale má elegantní a vzdušnou kovovou síťovou strukturu. Do pravidelné mřížky ze zvlněných drátů je v intervalech závislých na potřebném rozlišení vkládán podélný tubus obsahující LED diody různých barev, sdružené do skupin, přikrytých vodotěsným průhledným plastovým krytem. Při maximálním rozlišení (největší hustota led tubusů v síti) je minimální pozorovací vzdálenost 20m.

SVĚTELNÉ TUBUSY S BAREVNÝMI LED ZDROJI

Další výhodou tohoto systému je, že zároveň působí jako stínící prvek fasády. Velmi podobným systémem je tzv. Illumesh. Opět jde o součinnost LED světel a kovových sítí, světelné tubusy jsou však předsunuty před rovinu sítě a světlo je orientováno na síť a ne směrem od fasády. Díky vysoké odrazivosti povrchu kovu se síť rozzáří a obraz je tedy vytvářen odráženým, nikoli přímým světlem. Díky tomu může být hustota rozmístění LED tubusů menší, než u Media Mesh systému (tedy v rytmu po 50 až 300cm).

SYSTÉM JE VODĚODOLNÝ A VHODNÝ PRO EXTERIÉR

.2.5

Voxelové systémy

systémy s použitím principů displejů:

Voxel je zkrácenou kombinaci slov Volume (objem) a Pixel. Jde tedy o analogii 2D pixelu pro trojrozměrné zobrazení. Toho není dosahováno stereoskopií ani dalšími optickými efekty, ale skutečným rozmístěním LED RGB zdrojů do trojrozměrné mřížky. To umožňuje vytváření prostorového zobrazení pomocí barevných „3D zón“ v matrici voxelů. Jde o poměrně novou technologii a realizace jsou většinou ve fázi funkčních prototypů. Příkladem voxelového systému je NOVA, instalovaná na Curyšském hlavním nádraží v roce 2006. Systém byl vyvinut na ETH Zurich ku příležitosti 150 výročí postavení budovy nádraží. Jedná se o voxelovou mříž o objemu 25m3 a rozměrech 5x5x1m. Voxely mají v průměru 4cm a jsou od sebe ve všech třech směrech vzdáleny 10cm. Celkem tedy instalace obsahuje 25000 voxelů s frekvencí zobrazení 25Hz a rozsahem barev 16mil. Systém je modulární a jedná se o první komerčně dostupný voxelový produkt.

GALLERIA CENTER - SOUL

3.2.6

systémy s použitím principů displejů:

Experimentální a prototypové systémy

Kromě sériově vyráběných systémů je důležité zmínit také projekty vytvořené na míru místu či konceptu budovy. Mezi takové patří například fasáda obchodního centra Galleria v Soulu, u které funkci barevných pixelů tvoří kruhové překrývající se „šupiny“ z pískovaného skla, které jsou zezadu nasvícené LED zdroji. Šupiny jsou kotveny pomocí ocelových terčů s úchytem ve tvaru třícípé hvězdy, jejíž každý cíp drží jednu skleněnou tabulku. Každá tabulka je kotvena ve třech bodech. Zvláštní uspořádání línových pixelů má Safir hotel ve Slovinské Sezaně. Tyto RGB linie jsou skládány do tří cípů uvnitř pyramidálních fasádních elementů. Fasáda má rozlišení 110x7px a obsahuje 116000 RGB LED zdrojů. Ve dne je osvětlení vypnuté a na fasádě vyniká hra stínů mezi strukturou panelů. Do 4200 oken Dexia Tower v Bruselu byly z interiéru zasazeny RGB LED světla, pro které byla naprogramována řada jak před připravených, tak interaktivních animací. Každé okno reprezentuje jeden pixel obrazu. Věž LED Landmark v Holandském Cruquiu je zvláštní svými zakřivenými plochami prstenců displejů tvořenými pixely složenými z šesti LED zdrojů. Věž slouží v podstatě jako poutač pro obchodní centrum, jehož je těžištěm. Přitom však nezobrazuje reklamu, ale abstraktní animace, pravidelně aktualizované týmem vývojářů.

SAFIR HOTEL - SEZANA

DEXIA TOWER - BRUSEL

LED LANDMARK - CRUQUIUS

PROTOTYP FLARE FASÁDY

Mechanické systémy K pohybu prvků fasády můžeme využit tři hlavní typy pohonu. Prvním typem je elektrický motor, fungující buď na stejnosměrný (DC) nebo střídavý (AC) proud. Další dva typy – pneumatický a hydraulický pohon mohou být zařazeny do kategorie kapalinového pohonu. Hydraulický typ využívá tekutinu, jako například minerální olej nebo vodu, pneumatický je poháněn plynem nebo vzduchem. To, jaký z kapalinových pohonů je vhodnější, vyplývá z účelu aplikace. Hydraulika se většinou používá k pohonu těžkých strojů a pracuje s tlaky kolem 7-35Mpa (pro zvláštní aplikace až 70MPa). Pneumatické pohony se pohybují v tlakovém rozmezí 3,5 – 4,1MPa a slouží pro pohyb lehčích součástek. • Pneumatické systémy jsou založeny na principu stlačení inertních plynu nebo vzduchu pomocí různých typů kompresorů. Potřebný objem stlačeného plynu může být skladován v nádržích nebo produkován dle aktuální potřeby. Mezí hlavní používané plyny patří dusík nebo vzduch, u kterého odpadá nebezpečí úniků. Výhodou vzduchu je také jeho všudepřítomná dostupnost a možnost vypouštění přebytečného objemu přímo do prostoru. Pneumatické systémy jsou jednoduché na ovládání a údržbu. Nevýhodou použití plynů je jejích stlačitelnost, která s sebou nese limity pro maximální zátěž. • Hydraulické systémy se při aplikaci v mediálních fasádách skládají z hydraulického cylindru a mechanické pohonné součástky, která způsobuje zdvih. Vzniklá síla 28

je využita k pohybu fasádního systému, kterým je zprostředkována komunikační funkce pláště. Z nestlačitelnosti tekutin vyplývá hlavní výhoda hydraulických systémů – dokáží tedy zdvihat značně těžké prvky. Další výhodou je to, že uvolnění tlaku je dosahováno zpětným pohybem prvku, čímž se tekutina vrací vratným potrubím po uzavřeném obvodu. Pneumatické systémy nejsou uzavřené, proto je potřeba pro uvolnění tlaku plyn někam odvádět. Uzavřenost hydraulických obvodů je však také jejích nevýhodou, jelikož vratné potrubí zabírá další místo na fasádě. • Elektrický pohon využívá buď stejnosměrný nebo střídavý proud. Motory přeměňují elektrickou energii na mechanický pohyb. Napětí prochází cívkou, generující magnetické pole, které roztáčí motor. Motor na střídavý proud (AC) se skládá ze dvou základních částí: statoru s cívkami, napojenými na střídavý proud, a vnitřního rotoru, roztáčejícího osu vlivem magnetického pole. Existují dva typy AC motorů: indukční, ve kterém je magnetické pole rotoru vytvářeno indukčním proudem a synchronní motor, kde je magnetické pole generováno magnetem nebo kolektorem. Motor na stejnosměrný proud může být dvou či třípolový. Rozšířeným typem je tzv. krokový motor, umožňující rotaci dělit na 100 event. 200 kroků na otáčku, což umožňuje přesnost natočení 3,6° resp. 1,8°. DC MOTOR

INDUKČNÍ AC MOTOR

AC MOTOR

HYPOSURFACE

.3.1

mechanické systémy:

Hydraulický / pneumatický pohon HYPOSURFACE je projekt skupiny inženýru pod vedením Goulthorpa a Marka

Burryho. Vzešel ze soutěže pořádané v roce 1999 a je jedním z prvních pokusů o vytvoření interaktivní plochy, reagující na okolní prostředí. Stěna je přibližně 10m široká a 3m vysoká. Celý systém je založen na komunikaci dvou systémů: fyzické stěny a řídícího softwaru, ovládajícího chování plochy. Stěna je tvořena mřížkou z pneumatických pístů, na které jsou osazeny kovové trojúhelníkové plíšky. Ty jsou vzájemně propojené gumovými prvky, které zajišťují plynulost plochy. Každá druhá gumová spojnice v řadě je napojena na píst se zdvihem 50cm a rychlostí 60km/h. Nosnou konstrukci tvoří ocelový rám, do kterého je celá mřížka vložena. Kvůli redukci šíření vibrací v konstrukci jsou mezi písty nataženy pružiny, které tlumí rázy, způsobené pohyby struktury. Interakci s prostředím zajišťují senzory pohybu, jejíchž signál zpracovává řídící software a řídí podle něj chování plochy. FLARE je prototyp mechanického systému fasády, jejíž vzhled se proměňuje pomocí pneumaticky natáčených základních elementů (pixelů), tzv. FLARE units. Základní stavební jednotkou je sestava 4x4 FLARE units, která se dá namnožit na libovolnou plochu dle libovolného vzorce. Samotný princip zobrazování je založen na rotaci odrazivých ploch základních buněk

HYPOSURFACE: SOUČÁSTI SYSTÉMU: zleva: 1/ plechové trojúhelníky 2/ gumové prvky, spojující trojúhelníky 3/ pružiny stabilizující k-ci a tlumící vibrace 4/ pneumatické písty 5/ rám nosné konstrukce

HYPOSURFACE

VENTILY

HYPOSURFACE - DETAIL

PÍST

PRUŽINA

vůči slunečnímu či umělému světlu. Tím se mění intenzita odráženého světla, tedy se mění i jas pixelu, který buňka reprezentuje. Vytvářený obraz je složen ze stupňů šedé a je monochromní. Fyzikální vlastnosti materiálu buněk však způsobují, že do zabarvení obrazu se promítá i barevnost ambientního světla a odstín fasády se proměňuje v průběhu dne a liší se i v různých částech fasády v závislosti na orientaci ke světovým stranám. Jako většina mechanických systému, utváří i FLARE kromě obrazové informace také prostorovou proměnlivou strukturu fasády – efekt, který klasické zobrazovací technologie typu displejů postrádají. Technicky je kinetických vlastností fasády dosaženo ukotvením každé buňky v dolní části pomocí volného kloubu a napojení na pneumatický píst v horní části. Dochází tedy k rotaci kolem osy ve spodní části elementu. Tato osa leží v rovině fasády a je vodorovná. Každá sestava 4x4 units má vlastní modulový rám, do kterého se upevňují součásti pneumatického systému a odrazivé buňky. Tyto sestavy se poté vkládají do nosného roštu fasády.

FLARE - PNEUMATICKÝ SYSTÉM

FLARE - PRINCIP NATÁČENÍ

FLARE - PROTOTYP

APERTURE PROTOTYPE

3.3.2

mechanické systémy:

Elektrický pohon

APERTURE je prototyp interaktivního fasádního systému, který využívá kruhových uzavíratelných clon k vytvoření efektu pixelů obrazu. Pokud je clona skupiny pixelů otevřená, vytváří se dojem průhlednosti fasády a tedy i většího jasu a opačně. Fasáda může fungovat ve dvou nastaveních – interaktivní zachycení okolního prostředí či přehrávání abstrahovaných obrazů zaznamenaných dříve. První mod funguje na základě informací, zachycených kamerou před fasádou. Tato data jsou převedena do pixelové sítě a jsou redukována na jasové hodnoty pro každý bod této sítě. Tyto hodnoty jsou poté zaslány do odpovídající clony, která se pro větší hodnotu jasu rozevře, pro nižší uzavře. Obraz je tedy monochromní a simuluje odstíny šedé. Systém může být osazen do tenkostěnné konstrukce z nejrůznějších materiálů. Součástí dokumentace prototypu není posouzení tepelně technických parametrů, dá se však předpokládat, že systém nemá izolační vlastnosti a musí být osazen do interiéru za izolační zasklení. Vizualizace ukazují bezespárou plochu, což znamená, že materiál, do kterého se clony osazují, musí být samonosný. Zároveň musí umožnit vedení rozvodů, jejíchž objem je značný, vzhledem k počtu clon. Ty musí být vedeny v dutině sendviče či v skrytých drážkách ve stěně konstrukce. Každá clona je opatřena elektrickým servomotorem, který řídí její otevírání.

APERTURE - DETAIL

Výzkum nových technologií a jejich aplikace Vedle konvenčních systémů založených na principech světelných zdrojů nebo jednoduché mechaniky, probíhá též vývoj fasádních prototypů vycházejících z nanotechnologií, biochemických procesů a inteligentních materiálů. Ani zde se vývojáři neomezují jen na naplnění základní funkce pláště – ochrany vnitřního prostředí budovy, ale zabývají se též možnostmi integrace zobrazovací složky do těchto systémů. Každoroční konference Smatr Geometry, která se věnuje výzkumu a pokročilým metodám navrhování, zahrnuje také sérii workshopů. Tématem jednoho z nich byly v roce 2012 tzv. Bioresponsive Building Envelopes, tedy inteligentní obálky budov. Konkrétně se workshop věnoval možnostem aplikace prototypu elektropolymerových displejů v architektonickém prostředí. Tutoři workshopu možnosti nového materiálu popsali takto: „Na rozdíl od stávajících fasádních technologií, emergentní technologie displejů mohou aktivně upravovat své základní stavební vzorce a reagovat na proměnlivé bioklimatické podmínky a zároveň proměňovat svůj vzhled podle požadavků obyvatel domu. Nedávno vyvinuté prototypy tenkých displejů z elektropolymerických filmů pro aplikaci na zasklení budov jsou prvními náznaky radikálně nové technologie pro integrace do fasádních plášťů, která umožňuje proměnu vzhledu a chování budovy v reálném čase dle reálných

VIZUALIZACE FASÁDY S ELEKTROPOLYMERICKÝM DISPLEJEM

podmínek. Tyto filmy se dají vkládat do skladeb izolačních dvoj a trojskel. Tvoří je programovatelná zobrazovací mřížka, která se dá nastavit tak, aby sama reagovala na měnící se podmínky či požadavky.“ Systém tedy může fungovat jako aktivní stínění, měnící své světlovodivé vlastnosti v závislosti na okolních podmínkách. Zároveň díky mřížkové struktuře zobrazovacích bodů, dokáže vytvářet obrazovou informaci na fasádě. Součástí workshopu bylo zkoumání možností elektropolymeru a vytvoření programového prototypu pro řízení chování displeje začleněného do proskleného pláště.

5 Zdroje

M. Hank Hausler, Media Facades: History, Technology and Media Content, 2009 http://cs.wikipedia.org/wiki/LED http://cs.wikipedia.org/wiki/OLED http://cs.wikipedia.org/wiki/Elektromotor http://www.vml-technologies.com http://www.realities-united.de/ http://cinimodstudio.com/about/essays/media-facades-the-lighting-designers-responsibility/ http://www.mediafacades.eu/ http://www.squidsoup.org/blog/category/3d-light/nova-3d-light/ http://www.designbuild-network.com/projects/watercube/ http://optics.org/article/35502 http://smartgeometry.org/ http://www.siteco.com/en/references/sports/project/119.html http://www.ctgermany.com/ 36