Solárna stratégia udržateľného mesta, časť 5: Generovanie energeticky efektívnych urbánnych štruktúr

Vybrané kapitoly knihy zverejňujeme na pokračovanie. V tejto časti objasnia autori Generovanie energeticky efektívnych urbánnych štruktúr.

Výskum v oblasti generovnia urbánnych štruktúr je pomerne známy. Na ilustráciu spomeňme Hillera a Hansona[1], Battyho[2], Ericksona[3], Koeniga[4], či Watanabeho[5] a mnohých ďalších. Problematika „generovania“ urbánnych štruktúr na solárnom princípe je v súčasnosti založená prevažne na tradičných manuálnych konštrukčných metódach (napr. Knowlesov slnečný obal), častokrát prostredníctvom virtuálneho rozhrania. Empirický spôsob navrhovania podrobený simuláciám sa vytráca a na scénu nastupujú sofistikované počítačové technológie[6],[7]. Dnes už štandardne tvoria integrálnu súčasť navrhovacieho procesu. Známe sú predovšetkým práce, ktoré analyzujú solárny potenciál existujúcich urbánnych štruktúr[8],[9]. Generovanie prostredníctvom skriptovania taktiež nachádza svoje uplatnenie pri tvorbe a koncipovaní priestorov pre človeka – architektúry a urbanizmu. 

Skriptovaním nazývame vytváranie krátkych programov, ktoré sú vytvorené v textovej podobe. Sú spúšťané pomocou interpretera a dokážu zautomatizovať často vykonávané operácie[10]. V našom prípade sme sa zaoerali skriptovaním v Rhino-scripte Grasshopper.

Počítač a jeho jazyk so sebou prináša zrýchlenie tvorivého procesu a implementáciu množstva požiadaviek zadávaných užívateľom. Malo by však vždy ísť o užitočnú symbiózu potenciálu počítačových výpočtov a citu architekta, nie o najvyšší princíp tvorby. Treba mať na pamäti, že adresát je vždy človek – živá bytosť so špecifickými nárokmi. Patrik Schumacher nazval túto novú vlnu skriptovania v architektúre ako nový štýl – parametricizmus. Vo svojom manifeste hovorí: „Tento rozvoj bol podporovaný vývojom nástrojov a skriptov parametrického navrhovania, ktoré umožňujú presnú formuláciu a uskutočnenie spletitých korelácií medzi elementmi a subsystémami. [...] Parametricizmus môže existovať iba ako sofistikované parametrické techniky ako skriptovanie, (v Mel-scripte alebo Rhino-scripte) a parametrické modelovanie (s nástrojmi ako Generative Components alebo DP) sa stávajú prenikavou realitou. Dnes je nemožné súťažiť so súčasnou avantgardnou scénou bez zvládnutia týchto techník.“[11] O veku digitálnej architektúry, ktorý nastupuje sa vyjadril aj Liu Yu-Tung na konferencii Feidad Award 2007 slovami: „Digitálna architektúra bude nový vek, ak bude mať dosah na celú šírku architektúry, ale aj na hodnotový systém (čo je dobré) a bude tvoriť novú estetiku (čo je pekné). Časovo ide o viac ak o o 30 rokov.“[12] 

Generovanie posúva hranice v možnostiach uplatniteľnosti solarizácie urbánnych štruktúr už v prvých fázach projektu. Zámerom bolo vytvorenie počítačového „nomogramu“ (Ralph Knowles sa tak vyjadruje o jeho slnečnom obale) pre architektov a urbanistov, či „dokonalého automatického pilota“ (slová Rema Koolhaasa o Zoning Law v jeho knihe Delirious New York). Parciálnym cieľom publikácie je prezentovať navrhnutý algoritmus, ktorý proces navrhovana automatizuje. Počítačové technológie umožňujú hľadanie „solárne normatívneho urbanistického ideálu“. Toto konštatovanie sa môže javiť ako zavádzajúce a pomerne striktné z pohľadu urbanistickej tvorby. Na vysvetlenie – mnohé veľké zásahy do urbánnych štruktúr (Zoning Law v New Yorku, Haussmannova renovácia Paríža, Cerdova Barcelona), či nové koncepcie (Costova Brazília, SolarCity Linz-Pichling), sa zákonite nevynímajú z istej formy autoritatívneho a doktrinárskeho prístupu. Slovo ideál odzrkadľuje niečo optimálne. V tomto prípade urbánnu štruktúru optimálne využívajúcu solárnu energiu na pokrytie svojich energetických potrieb.

Solárne urbánne štruktúry navrhnuté ako „solárne generátory“ majú byť schopné produkovať viac energie ako potrebujú na svoje fungovanie. Zopakujme si tvrdenie Williama J. Mitchella: „Súčasný trend sa uberá smerom k vysoko decentralizovaným sieťam s veľkým počtom relatívne malých dodávateľov – jeden z nich môžu byť prípadne aj budovy, ktoré majú občas prebytky energie z vlastných solárnych alebo veterných gener átorov a dodávajú ju do siete.“[13]

V prípade potvrdenia tejto teórie sa otvárajú nové možnosti, ktoré by vo veľkej miere, ako si dovolíme tvrdiť, viedli k rapídnemu zníženiu emisií skleníkových plynov emitovaných do ovzdušia, k zmierneniu zmeny globálnej klímy a ktoré by výrazne posunuli vpred problematiku udržateľnej výstavby. Ich energetický „nadbytok“ (ako oxymoron súčasnosti) by mohol byť redistribuovaný v rámci lokálnych energetických sietí a zabezpečovať prevádzku energeticky deficitných urbánnych štruktúr - už opisovaný princíp energetickej kooperácie.

Využitie energie slnka ako princípu determinujúceho proces generovania objemov „[...] otvára možnosti novej estetiky v arichitektúre a urbanizme.“[14]Je možné v tejto súvislosti ho voriť o termíne „eco-aesthetic,“[15] teda o špecifickej estetickej paradigme, charakteristickej pre udržateľnú – solárnu architektúru a urbanizmus?

V súvislosti s predchádzajúcimi prezentovanými prognózami nárastu počtu obyvateľstva a predpokladanými trendmi sťahovania ľudí do miest, výskum analyzuje aj predpoklad, že tvarovaním objektov možno zvýšiť zastavanosť územia, a tak zvýšiť koncentráciu obyvateľstva na referenčnú plochu. Princíp zahusťovania území vedie k optimalizácii využívania plochy určenej na zastavanie a zmierňuje sa tak horizontálne rozširovanie mestského sídla.

Pri každom skriptovaní, výskume ale aj samotnej tvorbe architektúry a urbanizmu je potrebné poznať a definovať vstupné parametre, podmienky, pri ktorých bude proces prebiehať. Komplexnosť problematiky urbanizmu sa na prvý pohľad môže javiť v súvislosti so skriptovaním ako nezlučiteľná s počítačovými softvérmi. Navrhnutý skript/algoritmus v tomto ohľade pomáha predovšetkým definovaním maximálnych možných stavebných objemov v súvislosti s využívaním slnečného žiarenia (pri vopred stanovených podmienkach). Dochádza tak k eliminácii dodatočného posudzovania miery vzájomného tienenia objektov v rámci urbánnej štruktúry tradičnými (trigonometrickými) rysovacími metódami. Komplexná problematika tvorby urbanizmu prenáša do procesu ich generovania množstvo vstupných faktorov. Prezentovaný princíp tvarovania objemov, ako základný vstup pre pochopenie problematiky, je rozširovaný a aplikovaný na skupinu objektov. Požiadavka na vzájomné netienenie si objektov však musí byť vždy splnená. Pri tvorbe generovacieho algoritmu bolo potrebné stanoviť vstupný parameter, na základe ktorého bude samotný proces spustený. Ním sa stáva koncepcia zástavby (urbanistický návrh).

Juhani Pallasmaa hovorí, že tvorivý proces sa uskutočňuje prostredníctvom spojenia ruky a mysle. „Spojenie ruky, oka a mysle je v kresbe prirodzené a plynulé.“[16] Architekt/urbanista pri svojom návrhu zohľadňuje množstvo faktorov; vzájomné väzby v urbánnej štruktúre – doprava, pešie ťahy, priehľady, koncepcia verejných priestranstiev – námestie, promenáda, uličný profil... Dodáva: „V priebehu kreslenia nie je vyzretý dizajnér alebo architekt zameraný na linky kresby, ale skôr si predstavuje predmet samotný. Počas navrhovania drží v mysli predmet v ruke alebo len tak v priestore. Pri procese navrhovania architekt zaujíma samotnú štruktúru, ktorú predstavujú linky kresby. Výsledkom mentálneho prenosu z reality kresby alebo modelu do materiálnej skutočnosti projektu nie sú obrazy len vizuálne stvárnenia, ale tvorí ich plne dotyková a viaczmyslová skutočnosť predstavivosti. Architekt sa voľne pohybuje predstavovanou štruktúrou, bez ohľadu na to, aká je veľká a zložitá. Ako keby prechádzal budovou, dotýkal sa jej vonkajších plôch a pociťoval ich povrchovú štruktúru. Toto je dôvernosť, ktorú je istotne ťažké, pokiaľ nie úplne nemožné, nasimulovať pomocou počítačového programu.“[17]

V úvode generovacieho procesu je potrebné stanoviť urbanistické rozvrhnutie uličných sietí – stanovenie plôch pre zastavanie ako počiatočný „impulz“. Napriek možným námietkam, že nejde o „plnohodnotné“ generovanie, aj vzhľadom na slová Pallasmuu, považujeme zvolený prístup za adekvátny. Potvrdzuje to aj práca Koeniga.[18] Proces generovania tak nezačína v „nulovom bode“, ktorý je prakticky nemožné docieliť a zároveň tento spôsob ponecháva pri urbanistickej tvorbe určitú voľnosť a kreativitu architektovi s cieľom vytvárať udržateľné priestory určené pre človeka.

Hlavný algoritmus, vytvorený v Rhino scripte Grasshopper, je založený na podobnom princípe ako Knowlesov slnečný obal, s tou zmenou, že objekt môže tieniť vo zvolenom čase verejné priestory (ulice, námestia). Limitnou hranicou sa stáva až hranica ďalšieho pozemku určeného na zastavanie, čo sa javí ako lepšie riešenie pre uplatnenie v praxi. Základ algoritmu je stanovenie intervalu, v ktorom si objekty vzájomne netienia – deň v roku a hodinový interval. Pri zadaní plochy na zastavanie, program vygeneruje objemy pre hraničné hodnoty intervalu v smere dopadajúcich slnečných lúčov a výsledný stavebný objem sa rovná prieniku týchto dvoch hmôt. Na presnejšie určenie objemu možno generovať objemy pre všetky hodiny v časovom intervale s ich nasledujúcim prienikom. Tento solárny princíp je doplnený o „redukciu“ stavebného objemu o naklonenú, južne orientovanú plochu na využívanie PV systémov, ktorej sklon je variabilný a je zadávaný užívateľom. Vstupným parametrom, ako bolo uvedené, je importovanie zvolenej koncepcie zástavby – uličnej siete a priestorov pre zastavanie vo formáte DWG. Pre zjednodušené overovanie koncepcií bol vytvorený algoritmus, ktorý využíva ortogonálny raster. Užívateľ si vyberá plochy z rastra a prisudzuje im funkčné využitie (verejný priestor, plocha pre zastavanie).

Okrem hlavného generovacieho algoritmu bol navrhnutý aj sekundárny algoritmus geocentrického mysleného pohybu slnka po oblohe, ktorý slúži ako dôležitá pomôcka na určovanie výšky slnka, azimutu, ako aj ožiarenosti horizontálnej plochy v rôznych časoch pre rôzne svetové lokality.

Optimalizácia zástavby, prezentovaná na ďalších stranách, bola analyzovaná prostredníctvom samostatného algoritmu. Bol použitý rovnaký princíp tvarovania objektov, na akom je založený hlavný algoritmus, umožňujúci zmeny plôch pozemkov a percentuálnej miery ich zastavanosti. Algoritmus ďalej vyhodnocuje obostavaný objem stavebných hmôt, ich počet na referenčnej ploche a počet obyvateľov v štruktúre.

Na využívanie navrhnutých algoritmov je potrebné mať nainštalované softvéry Rhinoceros a Grasshopper. Ich používanie nie je komplikované, no riešenie väčších území si vyžaduje vyšší počítačový výkon. Spôsob vyhodnocovania energetickej bilancie urbánnych štruktúr miestami komplikuje nekompatibilita softvérových nástrojov rôznych výrobcov.

Odkazy:

[1] BATTY, M., LONLGEY, P.: Fractal Cities: A Geometry of Form and Function. London, Academy Press 1994.
[2] ERICKSON, P., HEALY, N., LAMB, C., VOON, W. L.: The use of Cellular Automata to explore bottom up architectoncs rules. In: ROSSIGNAC, F.: Eurographict ´96. Blackwell Publishers 1996.
[3] KOENIG, Reinhard: Generating urban structures: A method for urban planning supported by multi-agent systems and cellular automata. Weimar, Bauhaus Univestät Weimar 2011, 28 s.
[4] WATANABE, M. S.: Induction Design: A Method for Evolutionary Design. Basel, Birkhäuser 2002.
[5] HILLER, B., HANSON, J.: The social logic space. Cambridge, University Press 2003.
[6] MORELLO, Eugenio, RATTI, Carlo: SunScapes: extending the ‘solar envelopes’ concept through ‘iso-solar surfaces’. PLEA2005 - The 22nd Conference on Passive and Low Energy Architecture. Beirut, Lebanon, 13-16 November 2005.
[7] CAPULETO, I., YEZIORO, A., SHAVIV, G. E.: Climatic aspects in urban design – a case study. In: Building and Environment, 38 (2003), s. 827-835.
[8] JABAREEN, Yosef Rafeq: Sustainable Urban Forms: Their Typologies, Models, and Concepts. In: Journal of Planning Education and Research. September 2006, Vol. 26, No. 1, s. 38-52.
[9] PEDERSEN, Poul Baek: Sustainable Compact City. København, Arkitektens Forlag 2009.
[10] Skriptovanie [online] 
[11] SCHUMACHER, Patrik: Parametricsm as Style - Parametricist Manifesto. th[online]. London , 2008. Presented and discussed at Dark Side Club1, 11 Architecture Biennale, Venice 2008. 
[12] Liu Yu-Tung: The Philosophy of Digital Architecture. The Feidad Award. [online]. Graduate Institute of Architecture, NCTU, Taiwan, 2009. 
[13] MITCHELL, William J.: e-topia: život ve městě trochu jinak. Praha, Zlatý řez 2004, s.147.
[14] KNOWLES, Ralph L.: The solar envelope. Time-Sever standards for urban design. Digital Engeneering Library, McGrawHill 1995. [online] 
[15] DRING, Alison, SCHWAAG, Daniel: Prosolve. In: BOLCHOVER, Joshua, SOLOMON, Jonathan D. (eds.): Sustain and Develop. 306090 Books, Volume 13, New York, 2009, s.50-56.
[16] PALLASMAA, Juhani: Myslící ruka: Existenciální a ztělesněná moudrost v architektuře. Zlín, ARCHA, 2012. s.59.
[17] Ibid.
[18] KOENIG, Reinhard: Generating urban structures: A method for urban planning supported by multi-agent systems and cellular automata. Weimar, Bauhaus Univestät Weimar 2011, 28 s.

V ďaľšom pokračovaní predstavia autori príklady vygenerovaných štruktúr.

Článok je výňatkom z publikácie Solárna stratégia udržateľného mesta.
Autori: Ing. arch. Ján Legény, PhD; Ing. arch. Peter Morgenstein, PhD.
Ústav ekologickej a experimentálnej architektúry Fakulta architektúry Slovenská technická univerzita Nám. slobody 19 813 45 Bratislava
Vydala Slovenská technická univerzita v Bratislave v Nakladateľstve STU. Bratislava, 2015
ISBN 978-80-227-4366-2 85-216-2015