In de natuur wordt ook gebouwd

In de natuur wordt ook gebouwd. Proefondervindelijk, intuïtief en met lokale bouwstoffen. Vaak draagt een individu maar een klein – spreekwoordelijk – steentje bij. Coccolithoforen, eencellige algen bouwen een prachtig exoskelet . Het skelet wordt gebouwd aan de hand van een paar randvoorwaarden: een zo sterk mogelijke constructie met een minimum aan bouwstoffen volgens een bepaald bouwrecept. Deze drie randvoorwaarden werken als drie tegengestelde krachten die samen resulteren in een optimale structuur (in speltheorie: minimax(minimale verliezen bij maximale tegenslag) of maximin (maximale opbrengst bij een meest minimale winst)). De structuur is in zekere zin adaptief aan het heersende krachtenspel.

Bestaat zoiets ook in de architectuur?
Kan je een gebouw maken dat een optimale structuur heeft (is) en daarmee in feite adaptief is aan een bepaald heersend regime aan randvoorwaarden?

Wat zijn de randvoorwaarden en welk krachtenspel heeft dit als gevolg? Regelgeving, kosten, sterkte, flexibiliteit, wensen opdrachtgever en aannemers etc. hebben allemaal invloed op het gebouw. Wat is de onderlinge krachtverdeling? Wat heeft meer prioriteit en welke minder?

Een probleem van dit soort bouwen is het volgende. Als eenmaal het gebouw gereed is, dan is de structuur optimaal en adaptief maar aan een krachtenspel dat niet meer actueel is! Het gebouw is een structuur dat bevroren is in de tijd en verwordt tot een fossiel van een (eens) adaptieve vorm.

Zou – conceptueel gezien – een adaptief gevormd gebouw ook niet adaptief moeten blijven, later tijdens het gebruik ervan?

Dit is even iets anders!

Was het gebouw eerst een soort adaptieve omhulling, nu wordt het gebouw een soort levend organisme dat tijdens zijn leven zich aanpast aan veranderende omstandigheden.

Even kijken wat er gebeurt in de natuur.

Adaptiviteit bestaat op verschillende tijdschalen. Ook dat wat precies adaptief is, is verschillend. En een stapje verder: het mechanisme van dat-iets wat adaptief is, is verschillend.

Evolutie is een traag proces en bestrijkt honderden miljoenen jaren. Evolutie grijpt in op soorten. Interessant is dat je een soort globale ontwikkeling kan onderscheiden. Het is delicaat om dit expliciet te noemen omdat wetenschappers hierover niet helemaal eens zijn. Op elke regel valt wel een uitzondering te vinden. Een bekende, ouderwetse en verworpen stelling is de stelling van Haeckel. Haeckel stelde eind 19e eeuw dat de ontogenie (de ontwikkeling van een organisme) de fylogenie (ontwikkeling van soorten) in het snel volgt. Hij gebruikte hiervoor foto’s van embryo’s van verschillende gewervelde dieren. Je kunt zien dat de embryo’s erg veel op elkaar lijken. Naarmate de dieren in het dierenrijk nauwer verwant zijn lijken ze langduriger op elkaar.

Een ander voorbeeld is de evolueerbaarheid van adaptiviteit. Dit is moeilijk op te maken uit een fossiel. Er zijn echter aanwijzingen bij bacteriën die na een aantal generaties een vergrootte mate van aanpasbaarheid hebben.

Het mechaniek van deze vorm van adaptiviteit is de genetische diversiteit van individuen van een soort, waarbij natuurlijke selectie voorkeur heeft voor een bepaalde genetische setting.

Een levend organisme is ook adaptief maar op een veel kleinere tijdschaal. Het past zich aan in seconden, uren of jaren. Het wordt gevormd door een stimulus – respons mechaniek, waarbij de respons zeer complexe vormen kan aannemen. Bijna altijd is de respons verbonden met het individuele organisme, maar soms heeft de respons ook betrekking op andere individuen die leven rondom het betreffende organisme. In bijen- en mierenkolonies maakt de respons van een enkeling een cascade van effecten los waardoor een gehele kolonie als één organisme op een stimulus reageert. Een ander leuk voorbeeld is, is die van zwermen vogels of scholen vissen waar – naar het blijkt – met enkele eenvoudige regels een hele groep als één organisme lijkt te bewegen.

Hoe kan een gebouw in totaal adaptief zijn?

We zullen eerst vast moeten stellen welk object precies adaptief is. Welke onderdelen van een gebouw zijn adaptief? Daarnaast zullen we moeten bepalen wat de tijdschaal is waarin deze onderdelen adaptief zijn en welke randvoorwaarden heersen. Tot slot zullen we de mechanieken moeten onderscheiden die aan de adaptiviteit ten grondslag liggen. Best pittig.

Wat is precies adaptief? Organisatie, routing, wanden, vloeren, constructie of ruimten.

Wat is de tijdschaal? Voor de bouw. Na de bouw. En wat is het krachtenspel? Het krachtenspel van voor en na de bouw verschillen.

Wat is het mechaniek? In de ontwerpfase kan een soort evolutionair principe worden gebruikt. De vorm van het gebouw kan in een computer gemodelleerd worden. Door diverse waarden van randvoorwaarden in te voeren kan je in een vrij kort tijd bestek een flinke reeks aan gebouwen met diverse vormen genereren. Een paar van deze vormen kunnen hieruit worden geselecteerd om voor verdere vervormingen te gebruiken. Uiteindelijk zal een (vrij) optimale vorm ontstaan voor de onderzochte parameterreeks.

Dit gebouw kan worden gebouwd. Als het gebouw in gebruik genomen wordt, veranderen echter de omstandigheden. Er ontstaan onvoorziene dingen. Die zijn overigens heel interessant. Dit zijn onvoorziene parameterinstellingen en dus nooit onderzocht. Op dit moment is het eens zo adaptieve gebouw rigide geworden. Dit is het moment van fossilisatie! Het is natuurlijk interessant om verschillende fossielen te zoeken en algemeenheden af te leiden, maar dat gaan we nu niet doen. Het gebouw moet adaptief blijven.

Datgene wat eerder adaptief was, is dat nu niet meer. Eerst kon de vorm van het gebouw met gemak worden gekopieerd, vervormd en gekneed worden. Deze vrijheid bestaat niet meer. Het gebouw zal nu op een andere manier adaptief moeten zijn. Het zal moeten kunnen reageren op een real-time situatie: stimulus – respons. Snel en adequaat.

Dit betekent nogal iets.

Dit gebouw heeft sensoren waarmee het stimuli kan ontvangen. Deze sensoren zijn gekoppeld aan een systeem waarmee een respons kan worden gegenereerd. Het stimulus-respons proces kan een eenmalige actie zijn: van stimulus naar respons, stop. Saai. Het proces wordt heel veel interessanter als de respons door de sensoren opnieuw als een stimulus gedetecteerd wordt. Zo ontstaat een terugkoppeling (feedback lus). Terugkoppeling veroorzaakt dynamiek in het systeem.

Positieve feedback. Uit een box komt geluid. Een microfoon detecteert dit geluid en geeft dit door aan de box, waardoor de box nog meer geluid voort brengt, enzovoorts. Positieve feedback wordt gekenmerkt door een zeer progressieve, ongeremde groei van de stimulus.

Negatieve feedback. Een lamp geeft een bepaalde hoeveelheid licht. Een lichtsensor detecteert dit licht en het systeem reageert door de lamp minder licht te laten geven. De lichtsensor detecteert vervolgens minder licht en geeft daardoor een kleiner signaal af waardoor de lamp weer iets meer licht gaat geven, enzovoorts. Negatieve feedback kenmerkt zich met bewegingen rondom een evenwichtswaarde.

wordt vervolgd

Binnenruimte

De binnenruimte is een ruimte die gevormd wordt door de combinatie van de eigenruimte van een persoon en de gewenste ruimte van dezelfde persoon als gebruiker. Hierbij ligt het punt van observatie in deze ruimte en wordt de ruimte van binnenuit ervaren. De eigenruimte is per definitie een bolvormige ruimte met de persoon als middelpunt. De persoon – als een gebruiker – wenst daarnaast ook iets van zijn ruimte. Hierin ligt een intentie. Deze intentie vervormt de bolvormige eigenruimte. Dit is de binnenruimte.

Elke gebruiker heeft een eigen individuele binnenruimte. Indien meerdere gebruikers zich in elkaars buurt bevinden, kunnen individuele binnenruimtes versmelten, zoals zeepbellen dat doen. Zeepbellen zoeken een vorm waarbij de oppervlaktespanning minimaal is: een minimaaloppervlak. De ordening van een kluster zeepbellen De verbonden binnenruimtes maken samen een objectieve binnenruimte.

Kelvincell cluster

Onderzoek: Is een cluster van Kelvincellen bruikbaar voor de begrenzing van de binnenruimte door adaptieve architectuur?


Samenvatting


De veronderstelling is dat een Kelvincell cluster bijzondere vormeigenschappen heeft waardoor het geschikt is als begrenzing van de binnenruimte door adaptieve architectuur. De vraag van dit onderzoekje is dan ook: Is een cluster van Kelvincellen bruikbaar als bouwsteen voor de adaptieve en plastische binnenruimte?


Inleiding

Een groenteboer kan zich afvragen op welke manier hij zijn sinaasappels het beste kan stapelen, zodat in een kist zoveel mogelijk sinaasappels passen. Recht opstapelen levert veel grote tussenruimtes op. Diagonaal is meer efficiënt. Een slimme groenteboer schudt daarom zijn kisten en laat de sinaasappels zodoende een optimale stapeling vinden. Stapeling van bollen – op welke wijze dan ook – levert altijd onbenutte ruimte op. Wiskundigen hebben zich de vraag gesteld of er een vorm bestaat dat de 3 dimensionale ruimte optimaal invult. Lord Kelvin (die van de temperatuurschaal) heeft in het eind van de 19e eeuw een stelling geponeerd dat dit een 14vlak is. Tot voor kort werd aangenomen dat de zogenoemde Kelvincell de meest optimale vorm is. Desondanks bestond hiervoor niet echt een bewijs. Onlangs (in 1993) bleek dat er een andere manier bestaat die de ruimte efficiënter invult. Weaire en Phelan vonden dat een element bestaande uit 2 verschillende vormen dat de ruimte efficiënter invult: de Weaire–Phelan structuur.  


Randvoorwaarden en vraagstelling

De binnenruimte zal moeten worden opgetrokken uit elementen die segmentief en repetitief zijn en makkelijk verwijderbaar en toevoegbaar zijn.  Hierdoor is de binnenruimte relatief eenvoudig te fabriceren en blijft de binnenruimte plastisch en adaptief. De Weaire–Phelan structuur valt af omdat deze structuur uit 2 verschillende vormen en daarmee minder segmentief en repetitief is dan een Kelvincell. Het gegeven dat de laatste de ruimte enigszins minder optimaal invult is van minder belang. De vraag is echter of een structuur van Kelvincellen ook plastisch is en adaptief kan zijn. Dit is de vraag staat in dit item centraal.


Resultaten

Een Kelvincell bestaat uit 6 hexagonen (6 vlakken) en 6 vierkanten. In Google sketchup is deze vorm opgezet. De structuur zie je pas goed als je beweegt. Bekijk daarom het bijgevoegde filmpje. Je kan zien dat de structuur van Kelvincellen een 2 ledig karakter heeft: diagonaal en orthogonaal. De staande orthogonalen is rood gemaakt. In de structuur is een opening gemaakt om een indruk te geven hoe een binnenruimte eruit kan zien.


Conclusie

De structuur van Kelvincellen is niet goed te begrijpen als je enkel kijkt naar een stilstaand beeld. Een beweging in of rondom de structuur is een must. Zo kun je zien dat de structuur heel repetitief is. Daarnaast valt ook op dat er vaste substructuren bestaan, bijvoorbeeld de staande rode kolommen. Deze repetitieve substructuren reduceren de plasticiteit. De substructuur verkleint de diversiteit aan open ruimtes binnen in de structuur. Dit hadden we niet verwacht. Repetitie en eenvormige segmenten hebben de plasticiteit te veel verkleind.

Kelvincell

De binnenruimte wordt begrensd door materiaal. Dit materiaal is adaptief, repetitief en segmentief. Wat bedoelen we hier mee?

De grens van de ruimte is beweeglijk. Het materiaal moet daarom een bepaalde vorm hebben. De Kelvin cell is hiervoor ideaal.

De Kelvin cell is een 3 dimensionale structuur dat de fysieke ruimte (bijna) optimaal invult. Zie de foto voor een klein deel. De Kelvin cell kan makkelijk worden toegevoegd aan een bestaande structuur en kan plaatselijk worden weggehaald waardoor grot-achtige constructies kunnen ontstaan. Een voordeel is dat, ondanks de veelvlakkige structuur, eenvoudig horizontale en verticale vlakken kunnen worden gemaakt…

rv_invulling

Eenheid van adaptieve architectuur

Welke eenheden interacteren?

De eenheid is de individuele binnenruimte. Dit is een bolvormige ruimte rondom een persoon. Deze persoon is waarnemer en gebruiker. De waarnemer bevindt zich in een bewegend optisch veld (optic flow). Dit veld is bolvormig. De gebruiker stelt bepaalde eisen aan zijn individuele ruimte. Dit vervormt de bolvormige ruimte.


De vervormde bolvormige binnenruimte kunnen met elkaar interacteren. Ze kunnen elkaar aantrekken, samensmelten en afstoten.


Het totaal van individuele binnenruimtes is de binnenruimte.

Ruimtevorming en architectuur

Architectuur is gericht op het creëren van ruimtelijke vormen in een stedenbouwkundige of landschappelijke context. De ruimtelijke vorm heeft als object zodoende in zijn context  een eigen functie. Het object is een buitenvorm. De binnenruimte is de ruimtelijke vorm van de ruimte die een waarnemer binnen in dit object waarneemt. Om deze ruimte gaat het me. De vorm van deze ruimte wordt bepaald door de wens / intentie van de gebruiker(s).

Een gebruiker is op de eerste plaats een waarnemer. In het boek An ecological approach to visual perception beschrijft J.J. Gibson hoe visuele waarnemers diepte kunnen waarnemen. Diepteperceptie volgt uit het oppikken van cues door het visuele systeem uit de fysieke buitenwereld. Voorbeelden zijn bewegingsparallax, occlusie en perspectief. De fysieke wereld heeft zogenoemde affordances (passende eigenschappen) die cues leveren van de diepte van de ruimte en geven informatie over de schaal van de objecten t.o.v. elkaar en de waarnemer.  …..

Een belangrijk uitgangspunt is dat een waarnemer altijd actief waarneemt. Er is altijd beweging nodig om te kunnen waarnemen. Beweging zorgt voor een steeds andere projectie op het netvlies. De steeds veranderende input voor het visuele systeem is de feitelijke informatie, niet de input an sich. Er zijn experimenten bekend waarin dit duidelijk wordt. In een experiment zijn de oogbollen en het hoofd van een proefpersoon gefixeerd. Hierdoor blijft de projectie van een object op het netvlies identiek. Na enkele seconden neemt de proefpersoon niets meer waar. Dieren die geen beweegbare oogbollen hebben, bewegen het hoofd en het hele lichaam. Duiven en kippen, bijvoorbeeld, bewegen hun kop en romp op een neer om diepte te kunnen waarnemen.

J.J. Gibson introduceerde tevens het begrip optic flow. Optic flow is het continue bewegende visuele veld met het oog van de waarnemer in het middelpunt. Je kunt het zien als een bolvormig projectievlak met bewegende beelden rondom de waarnemer. Later abstraheerde Koenderink de geprojecteerde beelden (objecten met een bewegingsrichting en snelheid) tot vectoren op een bolvormig oppervlak. De vervorming van dit vectorveld geeft informatie over de eigenbeweging van de waarnemer.
OpticFlowBird
Dit bolvormige vectorveld of optic flow veld is het meest elementaire deel van een binnenruimte. De gebruikers is naast waarnemer ook gewoon gebruiker. Hij heeft een intentie met zijn omringende ruimte. Zonder intentie is de binnenruimte bolvormig. Met intentie vervormt de bolvormige binnenruimte naar een vorm die past bij de intentie.

Een voorbeeld.
Een persoon heeft als gebruiker de intentie om samen te werken met andere gebruikers. Bijvoorbeeld een flexwerkplek in een kantoor. Om te kunnen flexwerken heb je geen hoge ruimte nodig. Het overleg vindt horizontaal plaats. De intentie zal de bolvormige ruimte iets indrukken tot een rugbybal. De binnenruimte van andere gebruikers zullen raken / overlappen aan die van andere. Deze zullen tot een cluster samengaan. Dit beschrijf ik een andere post (ruimtevorming door clustering).
Als een gebruiker de intentie heeft om in een besloten maar grote ruimte te bevinden om een samenhorige beleving te kunnen ondergaan, zoals in een kerkgebouw, vervormt de binnenruimte van smal onder tot breed van boven (een soort trompetvorm). Ook deze binnenruimte smelt samen met de binnenruimte van andere gebruikers. De totale (objectieve) binnenruimte is daarmee een clustering van diverse individuele binnenruimten. De objectieve binnenruimte wordt begrensd door materiaal. De structuur van dit materiaal is de Kelvincell. De Kelvincell is een 3d element dat heel efficiënt de fysieke ruimte invult. Het element kan eenvoudig worden weggenomen of aangevuld. Hierdoor is dit materiaal heel plastisch. Hier kom ik later in een andere post op terug.

Ruimtevorming door clustering

Ruimtevorming door het principe van klustering van ruimtes (door lokale interactie van ruimtes en zwermvorming).

Een ruimte is een 3 dimensionale bolvormige ruimte rondom een mogelijke gebruiker. De afmetingen van de bol hangt af van de functie en/of het uitgangspunt van de gewenste beleving van de ruimte. Een aantal van dit soort ruimtes bij elkaar vormen een schakeling van bolvormige ruimtes van diverse afmetingen. Dit cluster lijkt sterk op een complex van zeepbellen. Zeepbellen vinden door oppervlaktespanning een energetisch optimaal oppervlakte/volume. De Duitse architect Frei Otto, bekend van het Olympisch stadion in München (1972) heeft diverse vormen onderzocht en uitgevoerd. De bolvormige ruimten liggen niet lukraak naast elkaar. Elke ruimte heeft een functionele verbinding met een ander.

Uitgangspunt:
Ruimten met een vergelijkbare functie zoeken elkaar op. De regels hiervoor zijn eenvoudig en het aantal is minimaal. De ruimten reageren alleen op lokale aspecten. In een ruimte bestaat geen wetenschap van de overkoepelende structuur.

De clusters kunnen echter niet oneindig groot worden. Hiervoor bestaat een limiet. De aard van deze limiet is een beperking van daglicht, van facilitaire voorzieningen, toiletten e.d.. Hoe groter het cluster hoe groter de kans dat er op een andere plek een nieuw cluster ontstaat (een nieuwe groeikern).

In de onderstaande afbeelding zie je de klustering van 2 verschillende soorten ruimten (oranje en blauw). Links onderin heeft de oranjesoort een cluster gevormd met daarin een open ruimte. Rechtsboven heeft de blauwe ruimtesoort zich in een openruimte tussen de oranje soort kunnen nestelen.
rv_clustering

 

Ruimtevorming door evolutie

Ruimtevorming door evolutie.
Evolutie kan dienen als een model voor het creëren van verschillende ruimtestructuren.
Hoe gaat dit in zijn werk:
 ruimten – aminozuren
Een gebruiker vult een lijst in met ruimtes die nodig zijn. Daarbij kan per ruimte een aantal eigenschappen worden aangegeven. Bijvoorbeeld de afmetingen, de relevantie van de ruimte, de hoeveelheid koppelingen met overige ruimten, de openheid en de hoeveelheid zicht naar buiten.
ruimtesequentie – peptide
Aan de hand van de ingevulde eigenschappen genereert het model alle mogelijke ruimtesequenties of peptiden (een reeks van aminozuren wordt een peptide genoemd). Dit heet de peptidespace. Het aantal peptiden in peptidenspace is zeer talrijk.
peptide – proteïne
Het peptide is nog geen een proteïne. Het peptide is slechts een 2 dimensionaal netwerk of graaf. Een eerste stap naar een proteïne is het vervormen van het netwerk. De ingevulde eigenschappen definiëren direct of indirect de sterkte van de koppeling tussen de aminozuren. Naarmate de koppeling sterk is, zijn de functionele verbindingen tussen 2 soorten ruimten zeer functioneel. Dit vertaalt zich in (fysiek) kleine afstanden tussen aminozuren in het netwerk. Zwakke koppelingen leiden tot grotere afstanden in de netwerkstructuur.
Een volgende stap is de invulling van de fysieke afmetingen van de aminozuren.  De punten in het netwerk worden opgeblazen naar de afmetingen zoals ze door de gebruiker zijn ingevoerd. Dit levert een verzameling van diverse ruimtelijke objecten op. Dit zijn de proteïnen. De verzameling van alle mogelijke proteïnen heet proteïnespace.
Selectie en nakomelingen
Het model genereert een heel scala aan bruikbare tot volledig onbruikbare proteïnes. De meest bruikbare structuren blijven over na selectie en krijgen kans om nakomelingen te genereren. De nakomelingen verschillen in een aantal details van hun ouders. Er zijn bijvoorbeeld 2 aminozuren “geflipt”, of de sterkte van een verbinding is (licht) gemodificeerd.
Deze nakomelingen ondergaan ook selectie op bruikbaarheid. De meest bruikbare structuren kunnen opnieuw nakomelingen genereren. Dit evolutionaire proces wordt een aantal keer opnieuw uitgevoerd. Na een reeks generaties ontstaan proteïnen die een heel unieke ruimtelijke structuur bezitten.
rv_evolutie