Архитектура веками стремилась к абсолютной монументальности, противопоставляя полной изменчивости природы статичную прочность камня, бетона и стали. Хорошо известно, что классическая строительная парадигма всегда опиралась на витрувианскую триаду, где «прочность» (firmitas) жестко фиксировала форму объекта в пространстве и времени. Однако современный антропогенный ландшафт, характеризующийся большим дефицитом городских территорий, климатическими флуктуациями и очень стремительной сменой социально-экономических сценариев, требует радикального пересмотра этой догмы. На стыке динамической архитектуры и передовых цифровых методов родилось принципиально новое научно-практическое направление — моделирование зданий-трансформеров в среде информационного моделирования сооружений (BIM). Эта концепция переводит проектирование из трехмерного пространства в многомерную матрицу управляемых трансформаций, превращая статичный объем в адаптивный живой организм.
Исторический экскурс наглядно демонстрирует, что идея адаптивного пространства эволюционировала от утилитарной необходимости к концептуальному искусству, а затем — к точным цифровым алгоритмам. Истоки трансформируемой архитектуры восходят к традиционным мобильным жилищам кочевых народов — юртам и типи, чья конструкция позволяла быстро адаптироваться к сезонным миграциям. Новейшая история кинетической архитектуры началась в XX веке с манифестов футуристов и радикальных концепций группы «Архигрэм» (Archigram), предложившей в 1960-х годах проект «Шагающего города» (Walking City) и концепцию Plug-In City, где элементы зданий могли перемещаться и заменяться в зависимости от потребностей жителей. Практическое же воплощение этих идей долгое время сдерживалось несовершенством инженерных расчетов. Ситуация изменилась в конце XX столетия с появлением знаковых объектов вроде института Арабского мира в Париже (архитектор Жан Нувель), где южный фасад оснащен тысячами высокотехнологичных светочувствительных диафрагм, работающих по принципу автомобильной диафрагмы и регулирующих инсоляцию в автоматическом режиме.
Сегодня технология зданий-трансформеров вышла далеко за рамки декоративных фасадных решений и применяется для решения глобальных урбанистических и экологических задач. Ярким примером служат небоскребы Al Bahar в Абу-Даби, чей фасад представляет собой компьютеризированную сетку из сотен подвижных зонтичных элементов. Они раскрываются и складываются вслед за движением солнца, что позволило снизить затраты на кондиционирование здания на 50%. Другой масштабный пример — многофункциональный культурный центр The Shed в Нью-Йорке, обладающий раздвижной внешней оболочкой на массивных колесных тележках. За несколько минут здание способно увеличить свою полезную площадь почти вдвое, превращая открытую площадь в герметичный концертный зал. На микроуровне концепция реализуется в проектах смарт-апартаментов в мегаполисах Азии, где роботизированные перегородки и трансформируемая мебель позволяют на площади в 30 квадратных метров полноценно совмещать функции спальни, рабочего офиса и гостиной для большой компании.
Интеграция таких динамических систем в практику массового строительства стала возможной исключительно благодаря качественной эволюции технологий информационного моделирования. Традиционный инструментарий BIM, изначально созданный для расчета статичных конструкций, сегодня переживает коренную трансформацию. Моделирование зданий-трансформеров требует от инженера работы в контексте измерений 4D (время), 5D (стоимость жизненного цикла динамических узлов) и 6D (энергоэффективность и устойчивое развитие). Исследователям и проектировщикам приходится решать сложнейшие задачи на стыке параметрического программирования, кинематики, материаловедения и теории надежности. Данная статья посвящена анализу методологических аспектов моделирования трансформируемых объектов в среде BIM, изучению алгоритмов управления их жизненным циклом и оценке перспектив, которые открывает это направление для архитектуры будущего.
Ранее мы уже описывали разные варианты классификации для объектов капитального строительства (ОКС), опираясь на известную суботраслевую специфику и ее влияние на требования к BIM-модели. Здесь доминируют три классических типа ОКС, которые хорошо известны инженерам, а именно: гражданское, промышленное, ну и конечно инфраструктурное строительство. В тоже время, совсем недавно появился четвёртый тип, который является своеобразным вызовом будущему цифрового строительства, а именно строительные трансформеры. Здесь новые технологии могут быть реализованы в виде гибкого универсального строительства ОКС-трансформеров. Сегодня под термином Трансформер, как это часто бывает в развивающемся и растущем направлении развития, каждый полагает всё, что угодно.
Максимальное понятийное поле захватили т.н. “мобильные здания – раскладушки”, которые некоторые производители и называют трансформерами. Очевидно, что это просто модное присвоение термина к тому, что реально трансформером не является и сегодня имеет смысл, каким-то образом, очертить новыми дефинициями эту когнитивную область.
Прежде всего, логично начать с самого понятия “Трансформер“, применённого в отношении объектов капитального строительства. Исходя из классификационной матрицы (см. Рис. выше) ОКС “Цель-Продукт” к объектам-трансформерам относятся одновременно мультипродуктовые и многоцелевые здания, представляющие из себя многофункциональные квазикластерные объекты. К таким объектам можно относить и крупные конгресс-центры с выделенными выставочными павильонами (пример – КВЦ “Форум” в Санкт-Петербурге), типа отдельных корпусов для различных производственных площадок в предприятиях СЭЗ, объектов типа ТПУ (транспортных хабов, где могут быть и торговые, и офисные и сервисные и иные помещения), предприятия опытные, экспериментальные и площадки под них. Сюда же могут относится все т.н. площадки для мероприятий МЧС, военные базы, лагеря, войсковые части, как полевые, так и стационарные и т.п. В основном это блочно-модульное строительство, быстровозводимое, сборно-разборное, мобильное и иное изменяемое строительство. Это комплектное строительство зданий и сооружений, это переправы и мобильные госпитали. У такого ОКС в принципе должна быть самая гибкая информационная модель (ИМ). Более того, и сама ИМ, как специальное ПО, должна быть IT-трансформером.
Исходя из этих соображений, можно сказать, что Трансформер – это специально спроектированный мультипродуктовый и многоцелевой ОКС, способный многократно изменять свои функциональные параметры на протяжении жизненного цикла в соответствие с текущими потребностями собственника.
Разумеется, мы не впадаем в крайности и отлично понимаем, что не может быть абсолютно универсальных трансформеров, способных, как по мановению волшебной палочки, превращаться во что угодно! Есть объяснимые физические, процессные и функциональные ограничения, в рамках которых качественный трансформер и может существовать. С этой позиции мы можем некоторым образом классифицировать различный варианты трансформеров с позиции направления максимально эффективной или востребованной трансформации. Давайте пойдём по порядку:
Пример фасадного трансформера: Здание-жалюзи.
1. Архитектурные трансформеры – это уже привычные и принятые экспертным сообществом и потребителями варианты и типы трансформации.
Архитектурную трансформацию тоже можно разделить на различные типы и формы, например, здания переменной архитектуры фасадов или здания с изменяемой архитектуры верхних ограждений. Надо сразу добавить, что фасады могут менять не только форму, но и назначение, например становиться энергоэффективными, т.е. поворачиваться солнечными панелями к солнцу. А могут быть защитными от опасного воздействия внешней среды в период климатических эксцессов.
Стадионы со сдвижными крышами, в т.ч. наш Сочинский Фишт.
Другой вариант архитектурной трансформации – это поворотные здания, то есть объекты капитального строительства, способные менять свою ориентацию в пространстве относительно какой-то оси, как вертикальной, так и горизонтальных. Сюда же можно отнести и всевозможные смещения вдоль этажей и несущих конструкций. Относить такие объекты к полезным трансформерам вряд ли стоит, ведь резко возрастает стоимость владения ими, но с позиции развития трансформеров для жизни – вполне применимо. С другой стороны, ориентация на солнце или иной важный фактор для положения может стать аргументом для трансформации не только, например, маяков или астрономических станций.
Здания с поворотными этажами – первый шаг к трансформерам с динамической архитектурой
2. Технологические трансформеры. Вроде бы данная ситуация больше подходит для промышленного строительства, но и в этой области применение строительной трансформации вполне применимо и даже востребовано! С одной стороны кажется, что промышленные предприятия менее всего подходят для трансформаций в процессе эксплуатации – тяжелое оборудование, сложные трубные и кабельные изометрии, нагрузки от вибраций и иные специфичные проблемы. Ответом на потребность трансформации стал переход уже в середине 20-го века на гибкие автоматизированные производства. Логика здесь простая и направлена именно на снятие системных проектно-процессных конфликтов: лучше сделать один универсальный станок с ЧПУ (или целый роботизированный комплекс) на много видов операций, материалов и изделий, чем тратить время на перекидку изделия с одного монооперационного станка на другой. При этом гибкие станки, цеха и производства становятся дороже, крупнее и менее гибкими, но гораздо более производительными в части разнообразия продукции. Конечно это не добавляет возможностей трансформации в принципе, но и такое гибкое производство можно считать первым шагом к технологической трансформации.
Переход к зданиям-трансформерам – веление времени.
Вторым шагом к созданию технологического трансформера может быть движение в обратную сторону от гибкой автоматизации – движение к уникальным станкам, но мобильным и сменяемым. Как уже было отмечено, монооперационные станки намного дешевле, проще, легче, могут быть перемещены. Тогда для создания уникальной технологической линии надо сделать не поток неподвижных комплексов с ЧПУ, а поток сменяемых станков, необходимых именно для данного изделия. Это очень подходит для крупного позаказного производства штучных метизов, например, когда линия устанавливается на 2-3 месяца. По окончании производства партии, ненужные станки выкатываются на склад, а нужные закатываются в основной цех и по специальным направляющим ставятся в нужное место. По сути, полы цеха и становятся большой станиной, а сети позволяют включить любой станок в нужном месте. Такой подход с одной стороны требует складов и системы трансформации технологии, с другой – упрощает работу и удешевляет сервис станков. Пока они отстаиваются на складе – их можно и обслужить, и починить. По сути мы говорим уже о гибком цехе из простых станков. Такой же подход можно спроектировать и для всего производства. А теперь представьте, что вместо заменяемых простых станков стоят роботы или полуавтоматические станки – это уже трансформер высшего уровня!
Создание завода-трансформера начинается с проектирования гибких пространств.
Третьим шагом к технологической трансформации смена парадигмы проектирования в целом, когда идёт разговор о проектировании заводов в целом. Базовая концепция проектирования промышленных производств строится на центральных основных корпусах, которые окружают т.н. инфраструктурные и вспомогательные производственные здания и сооружения. Концепция технологического трансформера базируется на обратном подходе: в центре предприятия строится статичный бок сервиса, производства вспомогательных сред, обеспечения и т.п. инфраструктурного обслуживания. А основные производственные цеха строятся по кругу, причем в процесс развития производств, здания могут становится всё больше и больше и всё более активно использовать предыдущие строения, как те самые склады для новых станков. Такая спиральная модель застройки предприятия позволяет и реагировать на изменение номенклатуры, и на новые технологии и инновации в производстве, так и на требования безопасности и требований обеспечения соответствующих условий труда по мере роста требований в мире.
3. Функциональные трансформеры. Это тоже достаточно привычные подходы к проектированию возможности гибкого использования зданий. Теоретически любое нежилое здание можно трансформировать под иные цели: превратить школу в больницу, офис в небольшой склад, спортсооружение в казарму и т.п. Но если заранее предполагать такую возможность, то можно предусмотреть при проектировании и иные схемы ресурсного обеспечения, инженерных сетей, инженерных решений использования механизмов и т.д. Это во многом упростит трансформации и даже позволит заложить эту возможность в соответствующее программное обеспечение жизненного цикла здания и сооружения.
4. Трансформация ЖЦ. Еще одно направления трансформационного моделирования – это инжиниринг жизненного цикла ОКС и даже инжиниринг процессов старения, который позволяет не только выявлять лучшие режимы эксплуатации, но и разрабатывать направления дальнейшего использования ОКС с учетом прочих видов трансформации, в т.ч. тех, который мы обсуждали выше.
Цифровые трансформеры городов – это специальное ПО для принятия решений об изменениях.
5. Трансформеры цифровых моделей. Логично предположить, что в век цифровой трансформации всех сфер жизнедеятельности человека, цифровизация строительства будет постепенно догонять и даже обгонять иные отрасли народного хозяйства. Поэтому речь сейчас пойдет не об инструментарии информационного моделирования ОКС, о котором сказаны уже миллионы слов. И не об инструментарии или системах управления информационными моделями на их жизненном цикле, о которых ещё будут сказаны миллионы слов. И, разумеется, мы не будем говорить о специальном ПО, которое должно появиться, чтобы проектировать и управлять зданиями-трансформерами. Речь пойдет как раз о цифровых трансформерах городов, поселений, регионов и иных социальных образований, в которых надо постоянно искать и моделировать наиболее эффективные конструкции социальной удовлетворенности. Или искать наилучшие направления трансформации объектов общего пользования с позиции социального комфорта, удобства или даже эргономики.
Вопрос в том, что создание того или иного ОКС всегда оказывает влияние на город в целом. И если новый объект оказывает отрицательное влияние (переток грузов и пассажиров, создание узких мест, недостаток ресурсов, экологические и климатические проблемы и т.п.) на агломерацию в целом, то, волей-неволей, потребуется трансформация агломерации в целом и её социального ландшафта. Делать это физически – практически невозможно, а вот моделировать трансформацию в специальной среде – это важнейшее направление развития цифровой трансформации в строительстве. Кто-то может сказать, что это похоже на метавселенную, но мы ни в коем случае не собираемся устраивать виртуального двойника жизни граждан. А вот создавать некий Цифровой полигон как кроссплатформенное решение для информационного моделирования городов, в котором возможна интеграция ИМ любых новых зданий и сооружений с пересчетом балансов ресурсопотребления – это важнейший вид трансформера в строительстве. В рамках такого цифрового полигона можно построить большое количество виртуальных павильонов, в которых будут моделироваться направления трансформации отдельных зон: коммунальные сети, дороги, газоснабжение, детская инфраструктура, зоны отдыха, медицинское обслуживание, образование, рекреация и туризм и т.п. вопросы. Трансформация города в полигоне может быть закреплена в том или ином конечном сценарии, который передает в свои павильоны наборы тематических данных. А уже бизнес и просто физические пользователи могут приходить в такие павильоны и формировать свои планы развития на основе предстоящей трансформации. Этот павильон может выступать и как виртуальный выставочный павильон, как набор виртуальных стендов и видео-гидов по приоритетным вопросам решения о трансформации города. Автоматически это потянет за собой наличие виртуальных шоурумов, залов презентаций, конференц-залов и даже специальных агрегаторов стендов поставщиков во временные и постоянный виртуальные выставочные площадки (не маркет-плейсы).
Так или иначе, цифровой трансформер города должен стать той самой площадкой, которая, в т.ч. с использованием инструментария Искусственного Интеллекта, будет генерировать более понятные и открытые бизнес-отношения в социальном континууме, исключающие перекосы, ресурсные разрывы и точки конфликтности или напряженности. И на основании такой трансформации давать решения для физического строительства любых ОКС, в т.ч. и строительных трансформеров.
Заключение
Интеграция концепции динамической архитектуры в методологию информационного моделирования знаменует собой фундаментальный сдвиг в строительной индустрии. Переход от статичного понимания формы к управляемому жизненному циклу трансформируемого объекта позволяет преодолеть ключевое ограничение классического зодчества — его пространственную и функциональную жесткость. Внедрение BIM-технологий на всех этапах проектирования, симуляции и эксплуатации зданий-трансформеров доказало свою состоятельность как инструмент минимизации проектных ошибок и оптимизации затрат. Рассмотренные в статье подходы к параметрическому моделированию кинетических узлов и автоматизированному расчету нагрузок подтверждают, что здания-трансформеры перестали быть утопической концепцией, превратившись в высокоэффективное инженерное решение для плотной городской застройки.
Перспективы развития технологии
Дальнейшая эволюция моделирования зданий-трансформеров в среде BIM неразрывно связана с конвергенцией сквозных цифровых технологий. Можно выделить три ключевых вектора развития данного направления:
- Интеграция с Интернетом вещей (IoT) и концепцией цифровых двойников (Digital Twins). Информационная модель здания будет непрерывно синхронизироваться с реальным объектом через сеть датчиков. Это позволит автоматике принимать решения о трансформации элементов (например, изменении геометрии фасада или перекрытий) в режиме реального времени на основе предиктивного анализа погоды, трафика или внутренней занятости помещений.
- Применение смарт-материалов и полиморфных конструкций. На смену громоздким механическим приводам и гидравлическим системам придут материалы с памятью формы, электроактивные полимеры и программируемая материя. Проектирование в BIM сместится в сторону моделирования физико-химических свойств элементов, реагирующих на изменение температуры, освещенности или электрического тока.
- Генеративный дизайн на базе искусственного интеллекта. Оптимизация кинематических схем и сценариев трансформации будет осуществляться нейросетевыми алгоритмами. Архитектор будет задавать лишь граничные условия и функциональные требования, а ИИ-генератор — просчитывать миллионы вариантов пространственных трансформаций, выбирая наиболее энергоэффективные и экономически выгодные конфигурации.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
- Насколько сильно удорожает проект внедрение технологий трансформации и как это моделируется в BIM?
Стоимость проектирования и возведения зданий-трансформеров в среднем на 25–40% выше классических аналогов. Однако использование BIM-измерения 5D (оценка стоимости жизненного цикла) доказывает, что за счет экономии на энергопотреблении (до 50%) и возможности адаптации площадей под разные коммерческие нужды без перестройки, объект окупается на 15–20% быстрее. - Как решается вопрос износа и надежности механических узлов трансформации?
Надежность закладывается на этапе симуляции в BIM через расчеты усталости материалов и кинематический анализ. Модель позволяет спроектировать систему так, чтобы критически важные узлы были легкодоступны для модульной замены. Кроме того, современные стандарты проектирования включают интеграцию датчиков раннего мониторинга износа деталей. - Подходят ли существующие стандарты BIM (например, IFC) для моделирования трансформируемых объектов?
Текущие открытые стандарты обмена данными (включая форматы IFC) изначально создавались для статичных элементов и требуют доработки. В настоящее время международные консорциумы ведут активную работу над расширением классов данных IFC для корректного описания динамических связей, кинематических параметров и временных сценариев (4D) изменяемой геометрии. - В чем главная сложность прохождения государственной экспертизы для таких проектов?
Основной барьер — отсутствие актуальной нормативно-технической базы (СНиП, ГОСТ, СП), регламентирующей изменчивые параметры зданий. Экспертные органы привыкли работать со статичными нагрузками и жестко закрепленным функциональным назначением экспликации помещений. BIM-модель в данном случае служит главным доказательным инструментом, предоставляющим результаты многофакторного цифрового моделирования и расчетов безопасности для всех возможных состояний здания.
