Parametrikus tervezés pókháló analógiára a Forma- és Szerkezet Specializáción

https://epitesz.bme.hu/portfolio/pokhalok-a-karon/A BME Építészmérnöki Kar Forma és Szerkezet Specializációján 2024/2025 őszén a hallgatók parametrikus tervezést és formakeresést ötvözve acél kockavázba, kötelekből és textilből álló feszített szerkezeteket terveztek és építettek.

Bevezetés
Harmadik éve van lehetősége a BME Építészmérnöki Kar hallgatóinak arra, hogy jelentkezzenek a Forma- és Szerkezet Specializációra, amely a Morfológia és Geometriai Modellezés Tanszék, a Rajzi- és Formaismereti Tanszék, a Szilárdságtani és Tartószerkezeti Tanszék együttműködésében valósul meg. A specializáció első, közös tervezési tárgya a Projekttárgy, melyben a hallgatók egy-egy installáció megtervezésén és kivitelezésén keresztül ismerkedhetnek meg a parametrikus tervezéssel. A munkát mindhárom tanszék részéről egy-egy oktató koordinálja, biztosítva a komplex szemléletet és a szakterületek közötti párbeszédet. A tárgy keretén belül lehetőség van a hagyományostól eltérő, különleges formák létrehozására, amelyek tartószerkezeti helyessége, megvalósíthatósága a szerkezet megépítésével nyer igazolást. Az előző évfolyam például kartonpapírból tervezett "csigaházakat".

A parametrikus eszközök lehetőséget biztosítanak arra, hogy a szerkezeti vastagságok, a rendelkezésre álló anyagmennyiség, a peremfeltételek esetleges változásai visszahassanak a tervezésre, így a végeredmény iteratív módon jön létre. Ez egyben egy tanulási lehetőséget is kínál, mivel az egyes tervezési döntések szerkezeti következményei azonnal megismerhetők. A Projekttárggyal párhuzamosan fut az Evolúciós forma című elméleti tárgy, amely többek között a természetes formák mögött rejlő matematikai és fizikai összefüggéseket tárgyalja. Jelen írás a 2024/2025-ös őszi félév hallgatói munkáit mutatja be.

Feladatkiírás
A 2024/2025 őszi félévében a tervezési feladat hívószava a "pókháló" volt. A hallgatóknak egy 3x3x3 méteres befoglaló méretű acél kockavázba kellett olyan feszített szerkezetet tervezniük, melynek geometriáját valamilyen algoritmus hozza létre. Fontos kritérium volt, hogy ez a geometria parametrikus legyen, azaz számos, a koncepciónak megfelelő forma legyen létrehozható valamely bemeneti paraméter változtatásával. Ezek közül a variációk közül a végső forma kiválasztása egy tervezői döntés, amely alapulhat többek között esztétikai, gazdaságossági, megvalósíthatósági elveken. A pókok által létrehozott formák tervezési körülményeihez hasonlóan a peremfeltételek mellett az anyaghasználat is korlátozott volt: olyan anyagokat kellett használni, amelyek csak húzóerőt képesek felvenni.

Munkamódszer
A hallgatók a terveket a Rhino3D szoftverben, a Grasshopper vizuális programozási nyelv segítségével hozták létre. A félév első részében a koncepcióalkotás, a tervezés és az algoritmus implementálása zajlott, míg a második felében a kiviteli tervek elkészítése és az installációk megvalósítása történt. A hallgatók 3-4 fős csapatokban dolgoztak, és végül négy installáció készült el a Rajzi Tanszék tantermében. A kivitelezést a BIM Group Kft., a KÉSZ Ipari Gyártó Kft., az Orsó’95 Kft. és a Kötéltechnika Kft. támogatták.

A formakeresés kiemelt szerepet kapott, hiszen nem konstruálható tetszőleges forma húzott elemekből. A formakeresés tudománya hosszú múltra tekint vissza, segítségével gazdaságos, hajlításmentes szerkezetek – például nyomott héjak vagy húzott kötél- és sátorszerkezetek – tervezhetők. A számítógépek fejlődésével új, numerikus eljárások váltották fel a korábbi kézi, kísérleti formakeresési eljárásokat. A számítógépes formakeresés ma is aktívan kutatott terület, a számos rendelkezésre álló módszer közül az egyik legnépszerűbb a dinamikus relaxáció, amely a Grasshopper modulban elérhető a hallgatók számára is.

A tervek nagy része felületszerkezeteket tartalmazott. A görbült felületek sík építőelemekből – ponyvából vagy textilből – való létrehozása a sátorszerkezetek tervezésénél is ismert geometriai problémákat vetett fel.  Az ideális, absztrakt forma megtalálását követte a síkokkal való közelítés, a felület feldarabolása és szabásminták készítése. Bár a felhasznált kötél és ponyva anyagok a hagyományos építőanyagokhoz képest nagyobb nyúlásokra képesek, ez még nem elegendő ahhoz, hogy a megépítés során a geometriai pontatlanságokból adódó hibákat többlet feszítéssel kiegyenlítsük. A stabil, feszes végső formához részletes kiviteli tervekre és precíz kivitelezésre volt szükség. Az installációk végső formájukat csak az utolsó elemek elhelyezése után vették fel. A csomópontok és rögzítések megtervezése is a féléves feladat része volt. A megvalósult szerkezeteken találhatunk többek között csomózással, varrással, fonással kialakított kapcsolatokat is.

A megvalósult alkotások

AGELENA
A zugpókfélék által létrehozott, tölcsér alakú háló inspirálta a csapatot. Négyszöghálóból készítettek kétszer görbült, önmagába záródó felületet, amely egy három nyílással rendelkező járatot eredményezett. A nyílások a kocka lapjain kijelölt szabályos sokszögek végpontjain vannak rögzítve. Fontos megoldandó probléma volt, hogy ezek a rögzítési pontok nincsenek rajta a rendelkezésre álló acél kockavázon, hanem kötelek segítségével kellett őket kijelölni úgy, hogy azok a belső felület kifeszítése után is síkban maradjanak. A másik nehézséget a felület szabásmintájának meghatározása jelentette. A bonyolult geometria miatt figyelni kellett a háló orientációjára és az összekapcsolódó darabok vonalának vonalvezetésére.
Alkotók: Barta Gergely, Karádi Levente, Sütő Péter

BAVARA
Két egymás fölé helyezett textiltölcsért terveztek, alaprajzilag szimmetrikusan, de eltérő magasságú felfüggesztési pontokkal, ami dinamikus formát eredményezett. Az előző csapathoz hasonlóan itt is megoldandó feladat volt a kocka lapjain kijelölt rögzítési pontok létrehozása. Ezeknek a pontoknak a pozícióját megfeszített kötelek jelölik ki, amelyekhez csomózással kapcsolódik a szövet. A szerkezet része még egy nyomott rúd, amelyre a felületben ébredő erők egy-egy teherelosztó korongon keresztül adódnak át. Míg a többi csapat által alkalmazott kötélelemek esetén az egyenletlen feszültségeloszlás lazább és feszesebb részeket eredményez, a textilek ugyanerre ráncosodással válaszolnak.  A kivitelezés nehézségét a ráncosodás csökkentése jelentette.
Alkotók: Bartucz Bianka, Rajhóczki Hunor, Varga Levente

VÍZió
A csapat alapötlete egy térbeli Voronoi diagram létrehozása volt, amely a természetben például habok szerkezeténél figyelhető meg. A manapság egyre szélesebb körben használt fém habok ultrakönnyű, mégis nagy nyomószilárdsággal rendelkező anyagok, tulajdonságaikat a belső struktúrának köszönhetik. A Voronoi csapat célja volt megvizsgálni, hogy ugyanez a struktúra húzás esetén is állékony szerkezetet eredményez-e. A Voronoi diagramhoz először egy ikozaéder élein jelöltek ki pontokat, majd pedig meghatározták a térnek azon tartományait, amelyek a kijelölt pontokhoz a legközelebb helyezkednek el, azaz a Voronoi cellákat. A cellák egy része csak vázszerűen jelenik meg, míg más cellák határait vékony textil jelöli ki.
Alkotók: Farkas Krisztina, Ferencz Eszter, Kocsis Kinga, Mátis Janka

VORTEX
Három csavart kötélháló alkotja a VORTEX csapat munkáját, amely egy organikus, örvénylő formát eredményez. A három háló geometriája azonos, alul és felül is két egymással szomszédos élhez vannak rögzítve. Az elv látszólag tehát egyszerű, azonban ezt a formát sem lehetséges egy darab sík elemből úgy elkészíteni, hogy minden pontjában feszes maradjon. A formakeresés után a szabásminta meghatározásánál kihívást jelentett a három háló áthatása. Míg absztrakt értelemben két folytonos felület metszi át egymást, a megvalósult szerkezetnél az áthatásnál legalább az egyik felületet meg kell szakítani, majd pedig valamilyen technikával biztosítani a terhek átadását.
Alkotók: Csende Réka Viktória, Lipcsei Edina, Tóth Anna

Az alkotásokat a félév végén egy kiállítás keretében mutatták be az érdeklődő hallgatóknak, oktatóknak és a támogató cégek képviselőinek. A jelenlegi, tavaszi félév során pedig számos alkalommal volt lehetőség arra, hogy a tantervi órák keretében az érdeklődő hallgatók, vagy a karra látogató külföldi csoportok is megtekinthessék az elkészült műveket.

Összefoglalás
A félév során a hallgatók megismerkedhettek a parametrikus tervezés eszközeivel és kihívásaival. Az installációk megvalósítása során pedig közvetlen tapasztalatot szerezhettek a kivitelezési problémák kezelésében, a geometriai és szerkezeti kérdések gyakorlati megoldásában. A hallgatók kiválóan vették az akadályokat, a félév végére látványos tervek és ötletes megoldások születtek. Célunk alapot biztosítani a hallgatóknak, melyre később nagyobb léptékű építészeti feladatok megoldásakor építhetnek.

Dr. Fehér Eszter, Lassu Péter, Dr. Ther Tamás
a tárgy oktatói

Szerk.: Hulesch Máté