Diffraction effects of artistic perforation in architectural form modeling

Full Text

На протяжении всей истории архитектуры вопросы вариантности формообразования представляют большую актуальность. Ретроспективный анализ использования в архитектуре приемов художественной перфорации показал, что перед архитектором открываются возможности решения не только таких функциональных задач, как солнцезащита, инсоляция, шумоизоляция, теплообмен, вентилирование фасадов и пр., но и активное композиционно-образное преобразование фасадов зданий и их интерьеров [1, 2].

Вопросы объёмно-пространственного моделирования и композиционной комбинаторики в архитектуре с помощью использования приемов художественной перфорации соответствуют выводам Ф.Л. Райта о возможности изменения конфигурации оболочки архитектурного объекта без изменения его функционально-планировочной и пространственной структуры [3].

В городской среде общественные здания общегородского значения представляют собой наиболее знаковые объекты, формируют аутентичный запоминающийся образ города, являются транслятором социокультурной парадигмы общества. С точки зрения анализа их композиционной структуры они синтезируют художественно-композиционную метафору, архитектурный язык которой имеет свои характеристики:

1) морфологические, отражающие структурные элементы композиции формообразования объекта; 2) синтаксические, раскрывающие приемы композиционной комбинаторики и правила ее преобразования; 3) семантические, синтезирующие приемы интерпретации архитектурных знаков и направляющие чувственное восприятие архитектурных систем [4].

Анализ показал, что приемы художественной перфорации в архитектуре наиболее активно фигурируют в синтаксической и семантической структуре архитектурных систем, будучи при этом малоизученными. В теории композиционного анализа и архитектурной комбинаторики художественная перфорация выступает полноправным фенотипом, отражающим особенности композиционного строения архитектурного объема, его членения, стилевого решения и декора.

Методы

Методика исследования в статье строится на темпоральном анализе научной информации из литературных источников и электронных ресурсов; на систематизации и структурированном обзоре собранного авторами иллюстративного материала.

Метод комплексного архитектурного анализа стилистического, морфологического, композиционного и конструктивного включения приемов художественной перфорации в архитектуру общественных зданий позволил выявить типы композиционных структур рисунка, виды художественной перфорации, взаимодействие перфорированной поверхности со светом и провести прямую аналогию конструкции дифракционной решетки и художественной перфорации.

С помощью графоаналитического приема в статье представлены типы композиционных структур рисунка перфорации в виде графических изображений, а также схемы дифракционных эффектов видов художественной перфорации.

Метод концептуального моделирования нашел отражение в моделях форм взаимодействия светового потока с перфорированной плоскостью различных видов художественной перфорации, а также в разработке пространственных объектов.

Анализ фенотипа «художественная перфорация» был выстроен авторами в нескольких направлениях, среди которых важное место занимает изучение композиционных структур рисунка перфорации, локации которой можно наблюдать в плоскости фасада и объемах архитектурного объекта. Среди множества изученных вариантов авторами были дифференцированы следующие: 1) геометрический рисунок перфорации – характеризуется четкими прямыми линиями и формами; 2) бионический рисунок перфорации – характеризуется плавными округлыми линиями, часто прототип рисунка можно найти в живой природе; 3) рисунок-символ – это образ, который выражает определенное понятие «в контексте семантики коммуникативно-средового подхода, знаковой системы или абстрактной идеи» [5–8] (рис 1.)

 

Рис. 1. Композиционные структуры рисунка перфорации

 

Одной из важнейших особенностей перфорации и причин использования перфорированной поверхности при проектировании в архитектуре и дизайне является ее эффектное взаимодействие со световым потоком.

Игра света и тени формирует архитектурно-художественный образ фасада здания и его внутреннего пространства, выявляет взаимодействие внутреннего и внешнего пространства, дает ощущение движения и деформации объемов, возможность создания оптических и световых эффектов, нового формообразования, восприятие объемно-пространственной формы объекта, деление формы на фрагменты, создает зрительные образы, художественное преображение объекта и особую атмосферу архитектурного пространства [9, 10]. Применение на фасаде художественной перфорации меняет характер освещенности внутри здания в течение дня и в разное время года, создает светотеневые эффекты, динамические изменения свето-пространственной композиции внутренней среды архитектурного объекта через проемы разных форм и количества, конфигураций и размеров – статичных и динамических. В итоге формируется динамичное световое поле внутреннего пространства на протяжении всего дня, характеризующееся разными уровнями освещенности, углами проникновения и распределения света, яркостью, контрастностью света и тени, разной цветностью освещения, светотеневыми отношениями и переходами архитектурных форм и поверхностей, динамикой освещения, способами тенеобразования [11].

Еще одно свойство свето-пространственной композиции внутренней среды архитектурного объекта – неоднородность отражающих и освещенных поверхностей. Подобные композиции могут создаваться из большой палитры материалов, что обеспечивает неограниченное количество вариаций различных рисунков перфорации при воздействии светового потока разной интенсивности и направления [12].

Свет, проходя через препятствия в виде перфорированной плоскости и попадая на плоскость или группу лапидарных объемов, деформируется естественным образом, отклоняясь от прямолинейного направления и образуя дифракционный свет. Перфорированная плоскость по принципу дифракционной решетки преломляет свет, способствуя отклонению световых волн от закона прямолинейного распространения света.

Само физическое и оптическое явление дифракции света было открыто в XVII в. итальянским ученым Франческо Гримальди, позже научное объяснение дифракции света было дано английским ученым Томасом Юнгом в начале XIX в., согласно которому «…дифракция света возможна благодаря тому, что свет представляет собой волну, идущую от источника и естественным образом искривляющуюся при попадании на определенные препятствия» [13]. Также Томасом Юнгом была изобретена первая дифракционная решетка, представляющая совокупность одинаковых щелей, расположенных на одном расстоянии друг от друга и преломляющих световую волну. Физическое явление дифракции дополняет еще одно важное свойство световой волны – интерференция света, заключающаяся в накладывании одних световых волн на другие, в результате чего происходит усиление мощности общей световой волны (при совпадении амплитуд) либо ее угасание [13, 14].

Проводя прямую аналогию конструкции дифракционной решетки и художественной перфорации, представляющей собой «систему отверстий или сквозное нарушение целостности поверхностей в плоскостях, объемах и пространстве архитектурного объекта», можно заключить, что физические и оптические законы работы светового луча с рассматриваемыми структурами идентичны [5].

Здесь эффект дифракции проявляется как преломление светового луча в ходе огибания им препятствия в виде непрозрачных участков плоскости. При этом образующаяся область тени во многом не соответствует исходным размерам и очертаниям перфорационных отверстий и промежуткам между ними. На выходе из перфорационных отверстий возникает расходящаяся волна, параметры которой возрастают с уменьшением ширины щели за счет возникновения оптического эффекта. Учитывая тот факт, что дифракционные решётки представлены такими видами как – пропускательные, отражательные, амплитудные и фазовые, особое внимание авторов в контексте исследуемой темы обращено на первый вид дифракционной решетки.

Экспериментальным путем были исследованы основные формы взаимодействия светового потока, перфорированной плоскости с различными типами композиционных структур рисунка перфорации и простых геометрических форм, представленных в виде плоскости стены, одного и нескольких кубических объемов, группы объемов (рис. 2).

В роли дифракционных решеток в данном эксперименте выступали перфорированные плоскости с различными вариантами их рисунка: геометрическим, бионическим и рисунком-символом. Эксперимент проходил в несколько этапов с постепенным расширением числа источников света и изменением угла падения светового луча на перфорированную плоскость; с использованием различного рисунка перфорации, а также с включением различной объемно-пространственной комбинаторики базовых освещаемых объектов. Таким образом, в ходе эксперимента сложились основные виды взаимодействия дифракционной решетки – перфорированной плоскости, светового потока и объекта в виде: 1) одной из плоскостей лапидарного объема; 2) нескольких граней лапидарного объема и 3) группы лапидарных объемов.

Результаты

Экспериментальный анализ основных форм взаимодействия светового потока, перфорированной плоскости с различными типами композиционных структур рисунка перфорации и простых геометрических форм показал, что дифракция светового потока в первом случае проецирует на плоскость лапидарного объема мало деформированную форму тени от рисунка перфорации. В качестве определяющих деформацию коэффициентов выступает учет угла наклона источника света к перфорированной плоскости и ее удаленность от базовой фигуры. Рисунок тени искажается, но остается плоскостным.

При прохождении через перфорированную плоскость двух или нескольких источников освещения, подобно интерференции света, происходит накладывание и расхождение светотеней, пересечение которых создает новый рисунок и игру контраста и нюанса на их пересечении. При попадании тени на волнообразную поверхность она принимает округлую форму, повторяя направление движения изгиба плоскости. При попадании тени на плоскость пола и на стену она преломляется на их границе, становится «объемной», продолжая пропорционально увеличиваться в размерах.

Во втором случае, при взаимодействии светового потока, проходящего через перфорированную панель, и лапидарного объема, развернутого к потоку света несколькими гранями, тень от рисунка перфорации перестает быть плоскостной и становится «объемной». К горизонтальному направлению падения луча света добавляется вертикальное, преломляясь и искажая свою траекторию по ребру куба. В зависимости от соотношения расстояния между источником света, плоскостью и объемом, а также площади и размера рисунка он может либо полностью проецироваться на объем, либо попадать на его часть и продолжаться за объемом на горизонтальной плоскости, либо ложиться между перфорированной плоскостью и объемом; кроме того, тень может полностью огибать объем, если длина световой волны больше размеров препятствия.

В случае взаимодействия перфорации, света и группы лапидарных объемов возникает наиболее сложный эффект дифракции: рисунок светотени может полностью покрывать объект или только его небольшую часть, падать на одну или несколько сторон объекта, преломляясь и деформируя рисунок перфорации. Характер рисунка тени зависит от композиционного сочетания объемов, от угла поворота и расстояния их относительно перфорированной плоскости, а также от размера рисунка перфорации. Светотень, падающая на каждую из плоскостей, образует новый сложный рисунок, покрывающий весь объект. Еще большее усложнение рисунка тени возникает при выборе нескольких источников освещения: тени, подобно интерференции света, наслаиваются, возникают контрастные и нюансные отношения в зависимости от отдаления источника света от плоскости, угла и силы света.

Результаты проведенного эксперимента фрагментарно представлены на рис. 2 и отражены в экспериментальных объемно-пространственных моделях с использованием перфорированной плоскости.

 

Рис. 2. Формы взаимодействия светового потока с перфорированной плоскостью

 

Продолжением анализа стало построение схемы проникновения света через перфорированную плоскость для каждого вида модели перфорации, результаты проведенного эксперимента фрагментарно представлены на рис. 3. Анализ показал следующее.

В модели «Суперпозиция», которая отражает принцип совмещения плоскости фасада здания с перфорацией, когда ее композиционная структура становится частью архитектуры, в качестве препятствия для света (непрозрачных участков) в дифракционной решетке выступает ограждающая плоскость стены, а щелью дифракционной решетки (прозрачными участками) выступает оконный проем. Свет, проходя через препятствие, образует дифракционный свет, а наложение одних световых волн на другие, при прохождении через несколько отверстий, формирует индифферентную картину световых волн в интерьере. Ученые утверждают, что дифракционные явления выражены тем отчётливей, чем мельче препятствие. С увеличением отверстия четкое изображение переходит в размытое, которое можно наблюдать в обычных помещениях с боковым освещением.

В модели «Интерференция», где перфорированный элемент является составной частью композиционной структуры объекта, перфорированная плоскость накладывается на объем здания и создается многослойный фасад. Световой поток, проходя через отверстия, образует дифракционный свет в интерьере, а при наложении световых волн возникает интерференция света.

В модели «Декстропозиция», которая отражает эффект смещения перфорированных плоскостей относительно друг друга, световой поток, встречая на своем пути группу препятствий и проходя через несколько смещенных относительно друг друга перфорированных плоскостей, создает дифракционный свет. Возникает интерференция света. Ряд перфорированных плоскостей затеняет объем здания, и количество проходящего света в интерьер снижается.

В модели «Транспирация», которая отражает получение эффекта перфорации от создания контррельефных углублений, сквозных гигантских отверстий в архитектурных объемах или световодов, при прохождении света через углубленные отверстия происходит гашение света. При увеличении толщины материала углубления затеняются, предотвращая прямое солнечное излучение. Авторы не рассматривают прохождение света через устройства, предназначенные для ввода потоков света во внутренние части здания – световоды, световые колодцы, световые щели или проемы-иллюминаторы.

В модели «Коллаборация» происходит смешение элементов пространственной структуры и гигантских отверстий модели «Транспирация», в результате чего образуется новый вид художественной перфорации в виде структурной пространственной сетки. Поток света в такой модели теряет свою интенсивность при прохождении через систему цилиндров, а пространственная сетка еще больше его минимизирует.

В модели «Инверсия» воздушная масса между объемами структуры воспринимается как перфорация, переворачивая привычное понятие художественной перфорации и расширяя его палитру. Поток света практически «гасится» внутри групп объемных элементов.

 

Рис. 3. Дифракционные эффекты видов художественной перфорации

 

Наблюдая аналогию перфорированной плоскости и дифракционной решетки, можно выделить ряд закономерностей:

- падающий на перфорированную плоскость световой поток расщепляется на ряд «когерентных пучков», которые создают явление интерференции;

- размеры перфорационного отверстия обратно пропорционально определяют ширину и интенсивность светового пятна на проекционной плоскости;

- образующийся световой конус (при прохождении светового потока через отверстия в перфорированной плоскости) расширяется вследствие дифракции;

- при прохождении светового потока через одномерную дифракционную решетку создается оптический эффект, идентичный работе моделей художественной перфорации «Суперпозиция» и «Интерференция»;

- при прохождении светового потока через двумерную дифракционную решетку, полученную суммированием одномерных решеток при соблюдении перпендикулярности перфораций, создается оптический эффект, идентичный работе модели художественной перфорации «Декстропозиция»;

- при прохождении светового потока через пространственную дифракционную решетку с неоднородной структурой, в которой оптическая среда характеризуется изменениями пространственных координат, создается оптический эффект, идентичный работе моделей художественной перфорации «Транспирация» и «Коллаборация».

Заключение

Таким образом, проведенный авторами эксперимент позволил сделать вывод о широких композиционно-художественных возможностях перфорации. Прием перфорации при взаимодействии со световым потоком формирует новые неповторимые образы и формы, работает по принципу дифракционной решетки, преломляя световую волну, создает эффекты движения, деления и деформации объемов, возможность создания оптических и световых эффектов и нового восприятия объемно-пространственной формы объекта, а также подчеркивает или нивелирует особенности объемно-пространственной структуры, ее материальность, рельефность, глубину, насыщенность светом и тенями.

Такую игру света и тени можно использовать при проектировании средовых и архитектурных объектов, интерьеров, арт-объектов, инсталляций и предметов мебели. При моделировании фасадной оболочки здания за счет разного расположения, степени концентрации и размера художественной перфорации, выполняющей роль светового проема, можно создать различные пластически-композиционные эффекты как в экстерьере, так и в интерьере здания, формировать динамическое пространство благодаря изменению уровня освещенности внутри здания в течение дня и в разное время года.

Авторы отмечают, что вид модели художественной перфорации предопределяет характер и интенсивность светового потока, физические характеристики которого меняются в зависимости от размера и соотношения прозрачных отверстий и непрозрачных промежутков между ними, их количества, от характера расположения на плоскости фасада, геометрического рисунка, качества и конструктивных особенностей строительного материала.

Результаты авторского исследования расширят список научных работ, посвященных систематизации знаний об использовании художественной перфорации в архитектуре, вопросу взаимодействия перфорированной поверхности со световым потоком в архитектуре. Практическое значение исследования заключается в возможности использования его результатов в проектной практике в сфере архитектурного проектирования, строительства и средового дизайна, а также в развитии цифровых технологий проектирования и в учебном процессе на факультетах Дизайна и Архитектуры в следующих дисциплинах: «Объёмно-пространственная композиция», «Архитектурное проектирование» и «Дизайн-проектирование».

About the authors

Tatiana V. Karakova

Samara State Technical University

Author for correspondence.
Email: t.karakowa@mail.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture, Doctor of Architecture, Head of the Design Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

Anastasiya V. Danilova

Samara State Technical University

Email: n_Anastasiya163@list.ru

Academy of Civil Engineering and Architecture, Postgraduate Student of the Desigh Chair

Russian Federation, 443100, Samara, Molodogvardeyskaya str., 244

References

Supplementary files