Cyfrowa fabrykacja w praktyce: eksperymentalne pawilony z ICD Stuttgarcie i ETH w Zurychu

Cyfrowa fabrykacja w Institute for Computational Design (ICD)

Od ponad dziesięciu lat ICD zajmuje się tematyką modułowych i personalizowanych rozwiązań architektonicznych, a także automatyzacją placu budowy i cyfrowej fabrykacji. Tworzy rozwiązania z użyciem współczesnych metod produkcji, głównie ramion robotycznych lub projektowanych na uczelni robotów w mniejszej skali. Pierwszym z serii opracowanych w ICD projektów dotyczących lokalnej produkcji i druku 3D był MoRFES_01. Wykorzystano tu skonstruowane specjalnie do tego celu jednofunkcyjne roboty, które tworzą system budujący przestrzenną strukturę o długości 7,5 m. Dwa roboty poruszają się po przeciwległych ścianach, a trzeci przemieszcza się po skonstruowanych już fragmentach przekazując materiał pomiędzy dwoma pierwszymi budowniczymi. Modularny pawilon Elytra wynika bezpośrednio z tego projektu. Został on zaprezentowany po raz pierwszy w Muzeum Wiktorii i Alberta w Londynie (V&A). Jego podstawowe założenie to ewolucja i zmienność w czasie. Budowa zaczyna się od pierwszej, podstawowej komórki, która śledzi trajektorię poruszania się osób odwiedzających przestrzeń, w której jest ona umieszczona. Następne elementy struktury pojawiają się w oparciu o zebrane dane. Komórki mają też możliwość dodawania danych do wspólnej bazy. Każda wpływa więc na pozostałe, a powstająca w ten sposób konstrukcja nieustannie ewoluuje. Całość zbudowana jest z dwóch rodzajów komponentów drukowanych 3D – kolumn oraz elementów zadaszenia.

Projekt Cyber Physical Macro Materials, którego prototyp zaprezentowano w 2018 roku, opiera się z kolei na doświadczeniach zdobytych podczas tworzenia pawilonu Elytra. Także tu moduły konstrukcji zawierają sensory wyczuwające obecność ludzi. Tym razem jednak w przestrzeni rozmieszczają je drony, które w czasie rzeczywistym rekonfigurują układ tak, by zapewnić możliwie największe zacienienie dla wszystkich osób znajdujących się w danym momencie w pobliżu instalacji. To krok w kierunku modułowej architektury zmiennej w czasie w odpowiedzi na czynniki środowiskowe oraz analizę zachowań użytkowników. Od 2010 roku ICD eksperymentuje też z projektowaniem materiałów granularnych, naśladujących naturę – piasek, żwir czy formacje skalne – ale mających jednocześnie własną charakterystykę, zgodną z intencją projektantów. Materiały granularne nie mają łączników. Opierają się wyłącznie na sile tarcia pomiędzy cząsteczkami. Instytut podkreśla, że zastosowanie tego rodzaju tworzyw w architekturze jest zasadne, ponieważ można z nich projektować stabilne, wytrzymałe struktury, a jednocześnie dzięki temu, że elementy nie są połączone na stałe, możliwy jest łatwy demontaż i ułożenie zupełnie innej formy z tego samego materiału. Na uczelni eksperymentowano zarówno z formą pojedynczych cząsteczek, analizując wpływ różnych kształtów na formę w skali makro, jak i z metodą produkcji z użyciem ramion robotycznych. Najnowszy projekt wieńczący badania w tym kierunku powstał w 2018 roku i ma skalę architektonicznego pawilonu.

Cyfrowa fabrykacja w Gramazio i Kohler Research

Fabio Gramazio i Matthias Kohler to jeden z najbardziej znanych duetów architektonicznych wykorzystujących w swojej pracy współczesne technologie projektowania i produkcji. Tego typu zagadnienia architekci rozwijają symultanicznie poprzez projekty w swojej katedrze na ETH i firmowanej ich nazwiskami pracowni architektonicznej. Ich prace są wielowątkowe – równie często korzystają z nowatorskich metod produkcji, jak przestrzenny druk 3D – jak również tworzą rozwiązania oparte na prostych i szeroko dostępnych modułach. Za pomocą ramion robotycznych i specjalnego kodu nadają im jednak autorskie, niespotykane wcześniej formy z użyciem minimalnej ilości materiału. Jeden z pierwszych tego typu projektów nosił tytuł Konstrukcyjne oscylacje (structural oscilations) i był prezentowany jako część szwajcarskiego pawilonu na 11. Biennale Architektury w Wenecji w 2008 roku. Przebiegająca przez obiekt stumetrowa wstęga zbudowana była z 14 961 cegieł. Projekt zrealizowano dzięki mobilnej jednostce cyfrowej fabrykacji R-O-B (mobile robotic fabrication unit), składającej się z ramienia robotycznego oraz niezbędnych nakładek umożliwiających podnoszenie różnych przedmiotów. Wytrzymałość ceglanej instalacji jest zapewniona poprzez wprowadzenie płynnych kształtów, ondulacji, w niższych partiach. W wyższych często znajdują się wtedy krzywizny w przeciwnym kierunku, stanowiące przeciwwagę.

Prowadzona przez Gramazio i Kohlera katedra obok architektów zatrudnia też ekspertów specjalizujących się w robotyce, liczeniu konstrukcji oraz informatyków. Dzięki temu oprócz projektów architektonicznych są w stanie tworzyć także różnego rodzaju aplikacje projektowe, m.in. takie jak program dla architektów Brick Design opracowywany w latach 2011-2012. Pozwala on na intuicyjne projektowanie ceglanych ścian o złożonych, niepowtarzalnych formach, a na podstawie opracowanych trójwymiarowych modeli generuje następnie trajektorię poruszania się ramion robotycznych. Architekci argumentują, że digitalizacja placu budowy to naturalny krok. Program Brick Design stał się później jedną z nakładek do popularnego programu do modelowania parametrycznego – Grasshopper w Rhinoceros. Następnym krokiem w tej linii poszukiwań był projekt Flight Assembled Architecture czyli Architektura budowana w locie. To pierwsza instalacja architektoniczna w całości wybudowana przez drony. Zsynchronizowane ze sobą latające roboty budują w skali 1:100 model, składający się z 1500 elementów, przedstawiający wizję podmiejskiego habitatu pod Paryżem. Ze względu na swoją skalę i formę projekt wzbudza kontrowersje w kontekście rosnącego zainteresowania architekturą zrównoważoną, ale sama możliwość budowania dzięki dronom otwiera wiele nowych możliwości. Stanowi też kolejny krok w kierunku cyfrowej fabrykacji i digitalizacji procesu budowania obiektów.

Szwajcarski duet pracuje również z wieloma innymi rodzajami materiałów. Używa na przykład ramion robotycznych do konstrukcji złożonych, modułowych struktur z drewna. Argumentują, że użycie drewna jako materiału konstrukcyjnego jest jednocześnie ekonomiczne i ekologiczne. Prefabrykacja elementów drewnianych jest zoptymalizowana dzięki zastąpieniu pracy ręcznej pracą robotów. Istotnym elementem proponowanej przez nich metody jest wykorzystanie drewna o niskiej wytrzymałości jako elementu konstrukcji. Proponują układanie go pod właściwym kątem w skomplikowane przestrzenne struktury, trudne do osiągnięcia za pomocą tradycyjnych metod. Dzięki temu z niewykorzystanego w procesie budowy drewna można stworzyć inne rozwiązania konstrukcyjne. Na bazie swoich doświadczeń architektom udało się też zaprojektować bezprecedensową przestrzeń do tworzenia przestrzennych eksperymentów – ETH oddało im do dyspozycji niewielką halę fabryczną, w której na stałe zainstalowane są cztery ramiona robotyczne o dużej mocy udźwigu oraz zasięgu. Można się więc spodziewać, że ilość i jakość eksperymentów prowadzonych przez Gramazio i Kohler na ETH będzie wzrastać.Dzięki cyfrowej produkcji i algorytmom generującym trójwymiarowe formy, projektowanie zindywidualizowanych rozwiązań architektonicznych dostosowanych do lokalnych potrzeb staje się możliwe. Ich forma zmieniałaby się w zależności od lokalnych uwarunkowań klimatycznych oraz estetyki i doboru materiałów, które są dostępne na miejscu i charakterystyczne dla architektury w danym regionie.