Hoewel de natuur altijd een rol heeft gespeeld in architectuur, is de combinatie biologie en architectuur momenteel erg populair. Er worden tegenwoordig veel aardse en pure materialen en kleuren gebruikt voor design en architectuur. Ook worden oplossingen uit de natuur afgekeken en nageboost in technologie en architectuur.
duurzaamheid en cycli. Duurzaam bouwen is een heel belangrijke ontwikkeling. De reductie van energieverbruik en het hergebruik van grondstoffen en materialen is niet zomaar een modegrill maar is een absolute noodzakelijkheid geworden om de aarde in de toekomst leefbaar te houden. Een kernwoord in deze ontwikkeling is de cyclus. Alles in de levende natuur, op elk denkbaar niveau, werkt in cycli. Er bestaat geen afval. Output van de één is input voor de andere.
De citroenzuurcyclus – www.illuminationstudios.com
Eén van de bekendste cycli in de biologie is de citroenzuurcyclus (ook wel Krebscyclus). Suikers (pyruvaat) worden in de mitochondriën omgezet in water en koolstofdioxide waarbij energie in de vorm van GTP vrijkomt. Het is slechts een klein deel van het metabolisme van een dier.
In de bouwwereld voeren verschillende partijen met verschillende kennis en kunde een onderdeel uit in een cyclus van activiteiten: ontwerp, productontwikkeling, bouw, regulering, sloop en afvalverwerking etc.
onderlinge afhankelijkheid. Het bestaan van cycli impliceert de onderlinge afhankelijkheid van processen. Onderlinge afhankelijkheid kan een proces erg ingewikkeld maken. Biologen weten dat al langer. Organismen vormen ingewikkelde ketens waarin de ene soort afhankelijk is van de andere. Er bestaan talloze voorbeelden van prachtige onverwachte relaties tussen organismen.
de Parasolmier – www.calacademy.org
Bekend is de mutualistische relatie van de Parasolmier (Atta cephalotes) en de schimmel Leucocoprinus gongylophorus. De Parasolmier verzamelt stukjes blad van een bepaald soort plant dat in het nest door werksters tot moes gekauwd wordt. Het bladmoes dient als voedsel voor de schimmel dat door de speciale voedselaanvoer vaak alleen op deze plek in leven kan blijven. De mieren oogsten en eten van de vruchtlichamen van de schimmel (de paddestoelen). De onderlinge afhankelijkheid is echter nog ingewikkelder. Het nest kan zo nu en dan worden overwoekerd door een ander soort schimmel. Dit kan dodelijk zijn voor L. gomgylophorus en daarmee indirect voor de Parasolmier. De mier schiet te hulp met een antibioticum. Op de huid van de mieren leeft een bacterie Streptomyces dat de invasieve schimmel doodt en L. gongylophorus in leven houdt. De relatie mier – schimmel – bacterie omvat mogelijk ook nog de plantensoort waarvan de mier de bladeren betrekken. Of de plant er zelf baat bij heeft en ook deel uitmaakt van het mutualistische netwerk is mij onbekend.
Partijen in een bouwproces zijn ook onderling afhankelijk. Iedere partij heeft een specialisatie en is daarmee uniek maar ook afhankelijk van een ander. De onderlinge functionele verbinding wordt vergroot als de fysieke afstanden tussen partijen kleiner is. Idealiter zijn de partijen niet groot en opereren allen vanuit eenzelfde regio. Oplossingen zijn dan vaak projectspecifiek en aan de regio verbonden.
optimalisatie. Hieronder zie je een voorbeeld van een kiezelwier, een soort alg. Het is een eencellig organisme met een extern skelet van siliciumdioxide (SiO2).
(Coscinodiscus excentricus Ehrenberg – www.MicroscopyView.com)
(Union Tank Car Building – Buckminster Fuller (1958)). Zie de gelijkenissen. De koepel heeft een diameter van 117m en een hoogte van 38 meter. Detail: om een koepelvorm te kunnen maken bestaande uit hexagonalen (6-hoeken) is een incidentele 5 hoek nodig.
Deze vormen en structuren ontstaan uit een mechanisme waarbij enerzijds een beperking wordt gesteld aan het gebruik van materiaal en anderzijds de maximalisatie van het te overdekken volume. In de natuur zijn veel voorbeelden te vinden waarin een organisme een structuur vormt uit 2 (of meer) tegen elkaar in werkende krachten.
Latere koepels van Buckminster Fuller (e.a.) zijn opgebouwd uit 3 hoeken. 5 en 6 hoeken kunnen uit 3 hoeken worden opgebouwd. Deze koepels zijn echter minder optimaal (vanwege het gebruik van meer materiaal) maar de montage flexibiliteit groter door een verhoogde modulariteit van de koppeling.
adaptiviteit. Optimalisatie van de onderlinge afhankelijkheid is een logische vervolgstap. De onderlinge afhankelijkheid tussen het maximale oppervlak en minimaal materiaalgebruik vertaalt zich in een relatief eenvoudig stelsel van fysische krachten. Deze krachten zijn bovendien nagenoeg constant. Krachten die de onderlinge afhankelijk vormen tussen organismen en bouwpartijen zijn niet-fysisch en in het algemeen niet constant. Financiële middelen, materialen, personeel en voedsel zijn bijvoorbeeld niet altijd in dezelfde hoeveelheden aanwezig. De mate van interactie tussen de partijen is daarmee ook veranderlijk. Dit systeem wordt adaptief genoemd als het systeem an sich het vermogen heeft om de interacties zodanig te veranderen en op elkaar af te stemmen waardoor steeds opnieuw optimaal gebruik wordt maakt van energie, grondstoffen of financiën. Dit systeem kan een biologisch, een economisch, of elk ander systeem zijn waar verschillende krachten of belangen op elkaar in werken. Tegenwoordig worden samenwerkingsverbanden tussen mensen en bedrijven game-based opgezet. In deze opzet is door directere beloning sneller bekend of een verandering baat heeft, waardoor het tempo van interacties groter wordt, waarmee vervolgens sneller een optimaal punt kan worden bereikt. In de systeemtheorie worden organismen, partijen en spelers agents genoemd.
Een adaptief systeem heeft dus naast fysische (vorm of ruimte) ook een tijdscomponent. Zo’n systeem verandert in structuur (in vorm of in ruimte) en in tijd. Een dynamisch systeem dus.
optimalisatie, adaptiviteit, vormgeving en architectuur. Als een adaptief systeem naar een optimaal punt “zoekt” door zijn fysische structuur in de tijd te veranderen, dan kan dat een interessante benadering zijn voor stedenbouw en architectuur. Een voorbeeld hiervan is de opzet van een stadswijk waar het stratenpatroon aan de hand van het principe van de kortste route bepaald zijn. De ruimten tussen deze optimale paden kunnen worden ingevuld met bouwdelen. Een ander voorbeeld is het plaatsen van objecten of het open laten van ruimten die de dynamiek in vergelijking met naastgelegen gebieden veranderd. Hierdoor ontstaat een verscheidenheid in gebruik en gedrag. In sommige gevallen wordt juist gepoogd deze verscheidenheid te voorkomen om geen verstoringen in de dynamiek te ontwikkelen door objecten en ruimten te muteren of te stroomlijnen. Denk hierbij crowd management en het toepassen van het vloeistofdynamica bij het vormgeven van voetbalstadions en stations.
Het eerst genoemde betreft een voorbeeld waarin een reeds aanwezige dynamiek vorm geeft aan een nieuwe structuur van objecten en ruimten. Het omgekeerde geldt juist voor de situatie in het tweede voorbeeld: een vorm of een ruimte levert een nieuwe dynamiek door het faciliteren van nieuw gebruik. Het laatste betreft een soort tussenvorm waarin extreme uitwassen van een bestaande dynamiek gesynchroniseerd of gekanaliseerd worden door op kleiner niveau objecten en ruimten te muteren (weglaten, stroomlijnen of opzettelijk plaatsen etc.).
dynamische systemen of architectural nudging? Als je optimalisatie van ruimten en gebruik aan de hand van een adaptief systeem in architectuur wilt toepassen, kan je dus 2 kanten op. De ene heeft de bestaande temporele dynamiek als beginpunt waaruit objecten en ruimten ontstaan. De andere begint met het plaatsen en vormgeven van objecten en ruimten om een toekomstige dynamiek te creëren. De eerste gaat over optimalisatie van dynamische evenwichten met vorm als gevolg. De tweede gaat over optimalisatie van de materiaal- en ruimte met geïniteerd gebruik als gevolg. Dit pad gaat van minimaal-bouw en minimaal-ruimtegebruik via affordances naar architectural nudging. Deze concepten komen we ook tegen in onze bioarchitectonische experimenten.