GEOMETRISEN OPTIMOINNIN MENETELMÄT ARKKITEHTISUUNNITTELUSSA Algoritmiavusteisesti suunniteltu puurakenteinen uimahalli Oulun Linnanmaalle

GEOMETRISEN OPTIMOINNIN MENETELMÄT ARKKITEHTISUUNNITTELUSSA Algoritmiavusteisesti suunniteltu puurakenteinen uimahalli Oulun Linnanmaalle METHODS OF GEOMETRIC OPTIMIZATION IN ARCHITECTURAL DESIGN Case: Sports center in Linnanmaa, Oulu Diplomityö Oulun yliopiston arkkitehtuurin osasto Tuulikki Tanska

Oulun yliopisto, arkkitehtuurin osasto Diplomityö GEOMETRISEN OPTIMOINNIN MENETELMÄT ARKKITEHTISUUNNITTELUSSA Algoritmiavusteisesti suunniteltu puurakenteinen uimahalli Oulun Linnanmaalle Tuulikki Tanska Työn valvoja Prof. Matti Sanaksenaho, arkkitehti Työn ohjaaja Toni Österlund, arkkitehti 18.9.2013 Tämä diplomityö on tehty osana Oulun Yliopiston DigiWoodLab-projektia University of Oulu, deparment of architecture Diploma thesis Tuulikki Tanska METHODS OF GEOMETRIC OPTIMIZATION IN ARCHITECTURAL DESIGN Case: Sports center in Linnanmaa, Oulu This diploma thesis is conducted as a part of the DigiWoodLab-project

One does not actually create the form; one lets it become as it has to, according to its own law. 1 -Heinz Isler

Abstract In my diploma thesis I researched methods of geometric optimization in architectural design and the problem field of timber structures on a doubly-curved surface. As a larger context of the work I strove to exemplify new possibilities for algorithmic design and computer-controlled production methods in Finnish timber construction industry. Optimization allows for the best structural efficiency and can offer savings in cost, for example through minimizing variety of cladding and glazing elements. Computer controlled production plays an essential part in the fabrication of freeform, algorithmically designed structures with customized components. Free form is not possible to be created with a solution that relies on identical components; therefore there is always a level of individuality in the components. CNC-production methods allow for individual components to be produced with the same efficiency and speed as identical components. This enables the mass customization of structural components. With the combination of CNC-production and algorithmic design methods it is possible to reach or even go below the total cost level of standard solutions. This diploma thesis has three equally important parts: the process of geometric optimization, the thorough geometric specification of the structural joints and finally the caseproject, a sports center in the city of Oulu, Linnanmaa area. I will preface the subject by describing the concepts of algorithmic design methods, and by going through some example projects of large scale timber construction realized around the world. The optimization process is based on a State-of-the-Art study I conducted pertaining to existing optimization methods in architectural design. The study led me to apply and develop a relaxation-method to rationalize a triangulation on a doubly-curved free-form surface. It transpired that the two different and separate tasks, geometric optimization and detail level joint design, merged into one comprehensive solution, where the latter could have not been possible to execute without the optimization. I chose to tie the work into the practices of Finnish production customs and realism so, that the structure could be realizable with existing knowhow and production lines. An important part of the diploma work is a prototype model of the structure, realized in 1:3 scale, which really concretizes the feasibility of the design. In the design of the case project, it was my goal to find a modern and esthetic solution for timber structures in a sports hall. It was also important to ponder the concept of the sports center, so that the spaces are suitable for versatile use and the long opening hours of the building can be managed with minimum staff. The aim was to design a modern sports center for fitness training and health promoting exercise with equal accessibility for all.

Tiivistelmä Diplomityössäni tutkin geometrisen optimoinnin menetelmiä arkkitehtisuunnittelussa sekä puurakenteiden ongelmakenttää kaksoiskaarevalla muodolla. Osana työn laajempaa kontekstia tutkin uusia mahdollisuuksia, joita algoritmiset suunnittelumenetelmät sekä tietokoneavusteinen tuotanto tarjoavat suomalaiselle puurakentamiselle. Optimoinnin avulla vapaamuotoiset rakenteet saadaan toimimaan rakenteellisesti parhaalla tavalla, sekä voidaan saavuttaa kustannussäästöjä minimoimalla materiaalinkulutusta sekä esimerkiksi optimoimalla ulkoverhous- ja lasituselementtien kokoa siten, että samat muodot toistuvat mahdollisimman paljon. Tietokoneohjattu tuotanto liittyy olennaisena osana algoritmisten suunnittelumenetelmien avulla suunniteltuihin vapaamuotoisiin ja yksilöllisistä osista koostuviin rakenteisiin. Vapaata muotoa ei pystytä toteuttamaan yhteen identtiseen rakennekomponenttiin perustuvalla ratkaisulla, vaan rakenneosat ovat väistämättä jonkinasteisesti yksilöllisiä. Tietokoneohjattu työstökone voi tuottaa suunnitelman mukaisia osia samalla nopeudella riippumatta siitä, ovatko osat keskenään täysin samanlaisia vai hieman erilaisia. Tämä mahdollistaa rakenneosien massakustomoinnin eli yksilöllisten variaatioiden tuotannon. Tietokoneohjattujen tuotantomenetelmien sekä tehokkaiden algoritmisten suunnittelumenetelmien yhdistämisellä on mahdollista saavuttaa tai jopa alittaa tavanomaisten ratkaisuiden kokonaiskustannustaso. Diplomityöhön kuuluu kolme yhtä tärkeää osaa: geometrisen optimoinnin prosessi, rakenneliitosten detaljien perinpohjainen määrittely ja suunnittelu, sekä case-suunnitelma, jonka kohteena on Oulun Linnanmaan uimahalli ja urheilukeskus. Aihetta pohjustaakseni avaan aluksi algoritmisten suunnittelumenetelmien käsitteitä ja johdattelen aiheeseen suurten puurakenteiden esimerkkiprojektien kautta. Kehittämäni optimointiprosessi pohjautuu tekemääni State-of-the-art tutkimukseen olemassa olevista optimointimenetelmistä arkkitehtisuunnittelussa. Tutkimus johti relaksaatio-menetelmän soveltamiseen ja kehittämiseen vapaamuotoiselle pinnalle luodun kolmioinnin rationalisoimiseksi. Työssä käy ilmi, että alun kaksi erillistä tutkimuslinjaa; geometriset optimointimenetelmät sekä detaljitason suunnittelu, yhdistyvät yhdeksi kokonaisratkaisuksi, jossa jälkimmäistä ei olisi ollut mahdollista toteuttaa ilman optimointia. Olen pyrkinyt sitomaan työn suomalaisen tuotannon käytäntöihin sekä realismiin siten, että rakenne olisi toteutettavissa olemassa olevalla tietotaidolla ja tuotantolinjoilla. Tärkeä osa työtä on n. 1:3 mittakaavassa toteutettu prototyyppimalli rakenteesta, joka konkretisoi työn käytännönläheisyyden ja toteutettavuuden. Case-projektin suunnittelussa on pyritty löytämään moderni ja esteettinen ratkaisu puun käytölle uimahallin rakenteissa, sekä pohtimaan liikuntakeskuksen konseptia niin, että tiloja voidaan käyttää monipuolisesti ja rakennuksen pitkät aukioloajat pystytään järjestämään pienelläkin henkilöstömäärällä. Suunnittelukohde on ajankohtainen ja suunnitelma pohjautuu osittain Oulun kaupungin teettämään Linnanmaan urheilualueiden ja uimahallin tarveselvitykseen. Tavoitteena suunnitelmassa on kuntourheiluun, terveyttä edistävään liikuntaan, tasavertaiseen saavutettavuuteen, esteettömyyteen ja tilojen joustavaan käyttöön mahdollistava nykyaikainen urheilukeskus.

SISÄLLYSLUETTELO 1. JOHDANTO 1.1 Algoritmiavusteinen suunnittelu 1.2 Tietokoneistettu tuotanto 1.3 Käsitteet 1.4 Suuret puurakenteet 1.4.1 Metropol Parasol 1.4.2 Haesley Nine Bridges Golf Club House 1.4.3 Centre Pompidou-Metz 1.4.4 Exeterin yliopiston laajennus 1.5 Algoritmisten suunnittelumenetelmien kehitystyö Oulun yliopistolla 2. SUUNNITTELUMENETELMÄT 2.1 Rakenteellinen optimointi arkkitehtisuunnittelussa 2.1.1 Iteroiva FEM-analyysi 2.1.2 Statiikkaan perustuva menetelmä 2.1.3 Geneettiset algoritmit 2.1.4 Fysiikan simulointi 2.2 Relaksaatio muodonannon menetelmänä 3. SUUNNITTELUPROSESSI 3.1 Relaksaatio sovellettuna suunnitelmaan 3.1.1 Lloydin algoritmi 3.1.2 Relaksaatio fysiikkasimulaattorin avulla 3.1.3 Relaksaatiolla saavutetut hyödyt 3.2 Detaljitason suunnittelu 3.2.1 Liitosratkaisu 3.2.2 Puusauvojen detaljointi 3.3 Suunnitelma Linnanmaan uudeksi uimahalliksi 3.3.1 Suunnittelualue 3.3.2 Linnanmaan alue 3.3.3 Suunnitelma 4. POHDINTAA 4.1 Tulevaisuuden mahdollisuuksia Lähdeluettelo Kuvien lähteet Liite 1. Planssipienennökset Liite 2. Kuvia prototyyppimallista 8 8 10 12 14 16 18 20 22 24 28 30 30 32 34 36 40 42 42 42 44 44 48 50 54 56 56 58 60 76 80 82 83 84 94

1. Johdanto Tietotekniikan kehittyminen viime vuosikymmenten aikana on vaikuttanut kaikkeen tieteelliseen ja tekniseen edistykseen. Arkkitehtuurisuunnitteluprosessissa tämä näkyy parhaiten kynän vaihtumisena hiireksi suunnitteluprosessin aikana. CAD-ohjelmien vielä yleistyessä, tämä on tapahtunut vasta piirrettäessä suunnitelmia puhtaaksi, mutta viime vuosikymmenten aikana, kun uudet digitaaliset suunnittelumenetelmät ovat kehittyneet, hiiri otetaan käyttöön kynän rinnalle yhä aikaisemmassa vaiheessa suunnitteluprosessia. 1.1 Algoritmiavusteinen suunnittelu Digitaaliset, suunnittelumenetelmät perustuvat suunnittelu- ja mallinnusohjelmien ohjaamiseen algoritmien, eli käskysarjojen, avulla. Tämä tapahtuu joko tähän tarkoitukseen soveltuvalla ohjelmointikielellä (Kuva 1) tai visuaaliseen ohjelmointiin perustuvalla työkalulla, jossa koodin kirjoittamisen sijaan luodaan yhteyksiä valmiiden ohjelmapätkien tai työkalupalikoiden välille (Kuva 2). Tällä tavoin pystytään käsittelemään monimutkaisia ongelmia ja yhtälöitä, sekä tuottamaan rakenteita, jollaisia olisi mahdotonta luoda manuaalisin keinoin. On myös mahdollista luoda riippuvuuksia suunniteltavan kohteen ja vapaasti määriteltävien määreiden, parametrien, välille. Tätä kutsutaan parametriseksi mallintamiseksi, joka poikkeaa perinteisestä CADsuunnittelusta ja mallintamisesta olennaisella tavalla. Näitä suunnittelumenetelmiä hyödyntämällä voidaan käyttää tietokoneen koko kapasiteettia suunnittelun hyödyksi jo suunnitteluprosessin alkuvaiheista. Muotojen suunnittelun ja piirtämisen sijaan voidaan suunnitella prosesseja, joiden avulla muoto syntyy. Prosessit perustuvat usein matemaattisiin sääntöihin, erilaisten ulkoisten parametrien keskinäisiin riippuvuussuhteisiin, tai esimerkiksi luonnosta löytyvään säännönmukaisuuteen. Suunnitelma voi ilmentää ympäristönsä elementtejä monin tavoin. Algoritmisten suunnittelumenetelmien mahdollisuudet suunnittelussa ovat lähes rajattomat ja tapoja niiden hyödyntämiseen on luonnollisesti yhtä paljon kuin suunnittelijoitakin. Algoritminen arkkitehtuuri on noussut suunnittelumenetelmää yleisesti kuvaavaksi termiksi Suomessa, kuitenkaan se ei vielä terminä kerro suunnittelun lopputuotoksesta muuta kuin, että suunnittelussa on käytetty algoritmisia menetelmiä. Algoritmeja voidaan hyödyntää muodonannossa, suunnitelmaluonnoksen avuksi tehtävissä analyyseissä, rakenteiden sekä detaljien muodostamisessa ja tuotantoon suoraan siirrettävien tiedostojen luomisessa. Nämä ovat vasta esimerkkejä rakennussuunnittelusta. Samoja menetelmiä voidaan hyödyntää myös kaupunkisuunnittelun ja muotoilun puolella monin tavoin. Skriptaustyökalujen avulla voidaan luoda itsearvoivia algoritmejä ja ne myös mahdollistavat suunnitelman optimoinnin eri suunnitteluvaiheissa tai eri näkökulmista. Menetelmät tarjoavat ennennäkemättömiä mahdollisuuksia, joita voidaan sisällyttää mukaan suunnitteluprosessiin. 10

Kuva 1. Tekstimuotoinen algoritmisen suunnittelun ohjelma Monkey script editor (Rhino3D). Kuvassa ote Kudos-näyttelypaviljongin muodon luovasta skriptistä. Kuva 2. Visuaalisen skriptauksen ohjelma Grasshopper (Rhino3D). Kuvassa ote diplomityöni detaljoinnin luovasta kaavasta. 11

1.2 Tietokoneistettu tuotanto Digitaaliset tuotantomenetelmät, eli tietokoneohjatut työstökoneet, ovat yleistyneet rakennusteollisuudessa laajalti. Suomessakin useat tuotantolaitokset käyttävät erilaisia digitaalisia työstökoneita, kuten CNC-jyrsimiä ja laserleikkureita, oletettavasti juuri niiden tehokkuuden ja helppokäyttöisyyden vuoksi. Automatisoitu, tietokoneistettu tuotanto mahdollistaa sellaisten rakenteiden nopean ja kustannustehokkaan toteuttamisen, jotka manuaalisen työstön keinoin olisivat yksinkertaisesti mahdottomia toteuttaa niiden suuren työmäärän ja kustannusten takia. Digitaalisessa tuotannossa työstökoneet voivat lukea suunnittelijoilta tulevaa sähköistä mallia, jolloin paperiset tuotantopiirustukset jäävät kokonaan pois. Tämä tehostaa ja nopeuttaa radikaalisti koko tuotantoprosessin ketjua ja samalla vähentää virheitä. Työstökone voi tuottaa suunnitelman mukaisia osia samalla nopeudella riippumatta siitä, ovatko osat keskenään samanlaisia, vai täysin yksilöllisiä muodoltaan. Tämä mahdollistaa vapaamuotoisen rakenteen rakenneosien massakustomoinnin eli yksilöllisten variaatioiden tuotannon. Kuva 3. Turkuun 2011 rakennetun Pudelmapaviljongin 490 yksilöllistä osaa jyrsittiin viisiakselisella Hundegger-työstökoneella Kuhmossa Woodpoliksessa. 12

13

1.3 Käsitteet Algoritmi Algoritmi on sarja komentoja, jotka suoritetaan määrätyssä järjestyksessä. Algoritminen suunnittelu Algoritmisella suunnittelulla tarkoitetaan algoritmien käyttämistä osana suunnitteluprosessia. Iteraatio Iteraatio on yksi algoritmin suorituskerta alusta loppuun. Iteroivassa prosessissa algoritmi suoritetaan joko määrätyn monta kertaa tai kunnes algoritmin tuottamassa tuloksessa saavutetaan jokin määrätty raja-arvo. Esimerkiksi, jos algoritmi ohjaa piirtämään ympyrän, voidaan se määrittää iteroitumaan x kertaa, jolloin saamme x määrän ympyröitä, tai algoritmi voidaan määrittää iteroitumaan niin kauan kunnes ympyröiden yhteenlaskettu pinta-ala saavuttaa x neliömetriä. Parametri Parametri on lukuarvo, muuttuja, joka määrittää suunniteltavan kohteen haluttuja osia. Parametri voi olla esimerkiksi kerroksen huonekorkeus, tai edellisessä esimerkissä mainitun ympyrän säde. Parametri voi olla myös ulkopuolelta tuleva määre, esimerkiksi jonkin suunnittelukohteeseen vaikuttavan ympäristöseikan analyysin tulos esimerkiksi auringon kulma tiettynä hetkenä päivästä, väkimäärä tietyllä alueella, mitä tahansa tietoa joka on muutettavissa numeeriseksi. Parametrinen mallinnus Parametrinen mallinnus tarkoittaa riippuvuussuhteiden ja yhteyksien luomista eri geometristen osien välille. Näin 3D-mallissa saavutetaan suurempi älykkyys kuin tavanomaisella CAD-suunnitteluohjelmalla. 2 Skripti Skriptillä tarkoitetaan tietokoneohjelmoinnilla luotua koodia, joka koostuu algoritmeista. Massakustomointi Massakustomoinnilla tässä yhteydessä tarkoitetaan tietokoneohjeistetun, automatisoidun, tuotannon mahdollistamaa tuotantotapaa, jossa tuote, esimerkiksi rakenneosa, voi vaihdella ominaisuuksiltaan mahdollistaen sellaisten rakenteiden tuotannon, jossa jopa jokainen osa on yksilöllinen, kokonaistuotantohinnan jäädessä kuitenkin täysin samaksi kuin jos sama tuotantolaite olisi tuottanut saman määrän keskenään identtisiä osia. CAD Computer-aided design. Yleisnimitys kaikelle tietokoneavusteiselle suunnittelulle. CAD-lyhenne on vakiintunut tarkoittamaan perinteistä ei-parametristä tai ei-algoritmistä tietokoneella tapahtuvaa suunnittelua. CAM Computer-aided manufacturing. Tietokoneohjeistettu tuotanto, jossa tuotantolaite on tietokoneohjattu. Käsittää kaiken yksinkertaisimmista laitteista monimutkaisiin ja suurikokoisiin robotteihin. CAM-lyhenteellä voidaan viitata myös tuotantolaitteita ohjaaviin tai tuotantolaitteen lukemaa numeerista koodia tuottaviin ohjelmistoihin (vrt. CAD-suunnitteluohjelmat) CNC Computer numerical control. Lyhenteellä viitataan tuotantoon/tuotantolaitteeseen/tuotantotapaan jossa laitetta ohjataan numeerisesti tietokoneen välityksellä. 3 IFC Industry Foundation Classes. Avoin ohjelmistosta riippumaton standardi tietomallien kuvaukseen. 3 FEM-analyysi Finite Element Method-analyysin avulla pystytään laskemaan monenlaisia voimien vaikutuksia rakenteeseen. Käytetään yleisesti rakennelaskenta- ja mitoitusohjelmistoissa. 3 14

15

1.4 Suuret puurakenteet Esimerkkiprojekteja erilaisten algoritmisten ja parametristen suunnittelutyökalujen käytöstä löytyy paljon ympäri maailmaa. Esittelen seuraavaksi projekteja, joista löytyy sellaista rakenteellista rehellisyyttä jota itse arvostan. Näissä projekteissa algoritmisten menetelmien avulla luodut ratkaisut toimivat muodon rakenteellisina osina eivätkä tietyn standardin rakenneratkaisun päälle liimattuina lisäyksinä. Kun rakenteellinen rehellisyys toteutuu, lunastavat algoritmisin menetelmin luodut, jopa ornamentin omaiset, rakenteet mielestäni paikkansa arkkitehtuurissa ja tuovat sille merkittävää lisäarvoa. Esimerkkiprojektien valinnan toisena kriteerinä toimi puu rakennusmateriaalina sekä sen monipuolinen käyttö rakenteissa. Kuva 4. Metropol Parasol, Plaza de la Encarnacion, Sevilla, Espanja. Kuva Arup, Lähde 1 16

17

1.4.1 Metropol Parasol Arkkitehtitoimisto Jürgen Mayer H. suunnittelema ja vuonna 2011 valmistunut Metropol Parasol on yksi maailman suurimmista puurakennuksista. Rakennesuunnittelun kohteeseen on tehnyt Arup. Metropol Parasol koostuu kuudesta sienimäisestä muodosta, jotka luovat valtavan katoksen Sevillan vanhankaupungin toriaukion ylle. Plaza de la Encarnacion-aukiolle rakennettu kokonaisuus on nelikerroksinen. Pohjakerros sisältää arkeologisen museon, jossa on nähtävillä paikalta löydetty arkeologinen kohde. Katutasokerroksessa on 2155m 2 laajuinen kauppahalli ja sen yläpuolella on korotettu kaupunkiaukio. Kolmannessa kerroksessa sijaitsee ravintola ja neljäs kerros on julkinen näkymäreitti josta avautuvat näkymät Sevillan vanhaan kaupunkiin. 4,5 J. MAYER H. arkkitehdit voittivat kansainvälisen suunnittelukilpailun vuonna 2004, jonka jälkeen projektin suunnittelu käynnistyi. Erittäin haastavan puurakenteen suunnittelussa ja toteutuksessa ratkaisevaa on ollut sähköinen suunnittelumallien tiedonsiirto arkkitehtien, rakennesuunnittelijoiden sekä tuotannon, eli Metsä-Wood Oy:n välillä. 8 Massiivinen puurakenne on noin 150 metriä pitkä, 75 metriä leveä ja 28 metriä korkea. Rakenne koostuu 3400 puuelementistä, jotka ovat 1.5 x 1.5m säännöllisessä ruudukossa. Puuosien muoto syntyy leikkaamalla vapaamuotoista pintaa ristiin 1.5m välein. Näin syntyvät leikkauskappaleet ovat suoria tasopintoja, joiden ääriviivojen määrittelemä muoto on erilainen jokaisessa kappaleessa. Elementit ovat yksilöllisiä: niiden paksuus, korkeus, leveys sekä muoto vaihtelevat. Materiaalina on Metsä-Wood Oy:n Suomessa valmistama Kerto-Q-levy, johon on tehty polyuretaanipinnoitus suojaamaan elementtejä sään vaikutuksilta. Elementit ovat pisimmillään 16.5m pitkiä ja paksuudeltaan 68-311mm. Suurimman elementin mitat ovat 16.5 x 3.5 x 0.14m. Koko rakenteessa on 3000 kantavaa liitosta ja elementteihin käytettiin 2500m 2 Kerto-Q-levyjä. 6,7 18

Kuva 5. Näkymätasanne. Kuva Arup, Lähde 2 Kuva 6. Metropol Parasol rakennusvaiheessa. Kuva J.Meyer H. Architects. Lähde 3 19

1.4.2 Haesley Nine Bridges Golf Club House Haesley Nine Bridges Golf Club House on Etelä-Koreaan Yeojuun 2008 valmistunut, arkkitehti Shigeru Banin suunnittelema golf-kentän klubitalo. Rakennuksessa on näyttävä kuusikulmioista ja kolmioista koostuva verkkomainen puurakenne, (Kuva 7) jonka kuvio toistuu myös muissa Shigeru Banin projekteissa. Kuvion inspiraationa on toiminut perinteinen Korealainen Jukbuin-bambutyyny (Kuva 8). Puurakenne koostuu 32 puuelementistä, joita visuaalisesti elementin jatkeelta vaikuttavat hoikat pilarit kannattelevat. Elementit koostuvat yli 3500 yksilöllisesti jyrsitystä liimapuukappaleesta, joista jokainen on hyvin yksityiskohtaisesti muotoiltu. Kaikki yli kolmetuhatta osaa eivät kuitenkaan ole erilaisia keskenään vaan osia on 467 erilaista tyyppiä. Loviliitoksia rakenteessa on 15 000. 9 Rakenteesta tekee mielestäni erityisen vaikuttavan juurikin siinä käytetty äärimmäisen hienostunut liitostekniikka. Loviliitokset ovat lopullisessa rakenteessa niin näkymättömiä, että pitsimäinen kuori vaikuttaa kuin yhdestä puusta veistetyltä. Kuten tämän kaltaisille projekteille on tyypillistä, haastavan geometrian ja liitosdetaljien algoritmisessa määrittelyssä on ollut mukana aiheeseen erikoistunut suunnittelijaryhmä Design to Production sekä epästandardeihin puurakenteisiin erikoistunut Blumer & Lehmann Timber Construction LTC. 10 Rakenne muodostuu projisoimalla tasossa oleva kuusikulmioverkkokuvio kaksoiskaarevalle pinnalle, jonka jälkeen syntyneelle muodolle on määritelty liitokset sekä rakenneosat. Kuva 7. Pitsimäinen puurakenne heijastuu rakennuksen ulkopuolella olevasta vesiaiheesta. Kuva Shigeru Ban architects, Lähde 4 Kuva 8. Perinteinen Korealainen jukbuin-bambutyyny helpottaa nukkumista kuumissa lämpötiloissa. Englanniksi käännettynä jukbuin on bamboo wife. Kuvan lähde 5 Kuva 9. Rakenne muodostuu projektoimalla verkkokuvio ennalta määritetylle pinnalle. Design to Production, Lähde 6 Kuva 10. Puurakenteen jyrsitty liimapuupalkki. Design to Production, Lähde 7 Kuva 11. Ennalta valmistetun elementin asennus työmaalla. Shigeru Ban architects, Lähde 8 Kuva 8. Kuva 9. Kuva 10. Kuva 11. 20

21

1.4.3 Centre Pompidou-Metz Centre Pompidou-Metz on Ranskaan, Metzin kaupunkiin valmistunut, niin ikään arkkitehti Shigeru Banin suunnittelema Pariisin Pompidou-keskuksen sisarmuseo. RIBA Award 2012-palkinnon voittaneessa rakennuksessa sijaitsee taidemuseo ja teatteri. Katon suunnittelussa arkkitehtia inspiroi Kiinalaisen punotun bambuhatun muoto. Laajuudeltaan 8000m 2 katos kattaa rakennuksen ulokemaiset tilapaketit, jotka osittain läpäisevät katon tarjoten näkymiä ympäröivään kaupunkiin. Katon rakenteessa toistuu edellisessäkin projektissa esitelty kuusikulmioverkko. Katon rakenne on tässä projektissa kuitenkin toisenlainen. Puurakenne muodostuu dimensioltaan 140x440mm olevista, CNC-jyrsityistä osista. Näitä yksilöllisiä kaksoiskaarevia jyrsittyjä liimapuuosia rakenteessa on lähes 1800 kappaletta. 11,12 Metzin Pompidou-keskuksen kuoriristikkorakenne on vaikuttava läpikuultavan lasikuitukatteen ja massiivisten puuelementtiensä ansiosta. 22

Kuva 12. Centre Pompidou-Metz. Lähde 10 Kuva 13. Centre Pompidou-Metz. Puurakenteen yläpuolelle on pingotettu kauniisti valoa läpäisevä lasikuitukalvo. 13 Lähde 11 23

1.4.4 Exeterin yliopiston laajennus Viimeisenä esittelen vuonna 2012 valmistuneen Lounais-Englannissa sijaitsevan Exeterin yliopiston laajennuksen. Wilkinson Eyre arkkitehtien suunnitteleman rakennuksen keskeisenä osana on aaltoileva puurakenteinen katto, joka kattaa aulamaisen tilan vanhan ja uuden rakennuksen välillä. Rakennesuunnittelun kohteeseen on tehnyt suunnittelutoimisto Buro Happold ja projektissa olennaisena osana on ollut myös SMARTsolutions, joka on Buro Happoldin sisäinen haastavien geometrioiden toteutukseen erikoistunut osasto. Aaltoileva kattopinta on puinen kuoriristikkorakenne, joka muodostuu kolmioista ja umpiosien kohdalla vielä pienemmistä sekundäärisistä kolmioista. Buro Happoldin mukaan tämän kaltainen kuoriristikkorakenne on ideaali ratkaisu kaksoiskaarevien pintojen muodostamiseen suorista palkeista, mutta erittäin tärkeään osaan rakenteen onnistumisessa nousee liitosten suunnittelu. Kaksoiskaarevalla vapaamuotoisella pinnalla liitospisteissä kohtaavien rakenneosien täytyy päästä kiertymään suhteessa liitososaan, tässä tapauksessa sylinteriin, jotta muodon luonti on mahdollista. 14 Omassa case-suunnitelmassani kohtaan saman haasteen. Esittelen ongelman yksityiskohtaisemmin, sekä omat ratkaisukeinoni siihen, selostuksen liitosta käsittelevässä kappaleessa 3.2.1 Liitosratkaisu. 24

Kuva 14. University of Exeter Forum building. Lähde 12 Kuva 15. Buro Happoldin Liitosratkaisu. Kuvan lähde 13 25

1.5 Algoritmisten suunnittelumenetelmien kehitystyö Oulun yliopistolla Olin mukana ensimmäisessä algoritmisten suunnittelumenetelmien opetus-workshopissa vuonna 2008. Opetuksen käynnistämisen taustalla oli Toni Österlundin ja Eero Lundénin syventävien opintojen uraauurtavat harjoitustyöt. Olen ollut kaikissa sitä seuranneissa workshopeissa mukana ohjaamassa töitä ja vuodesta 2011 opettanut myös workshopista erillistä Grasshopper-kurssia. Opetus ja muut teeman ympärillä pyörineet projektit ovat kasvattaneet tietotaitoa sekä itselleni, että yleisesti osastolla algoritmisten suunnittelumenetelmien käytössä. Ensimmäisen Oulun yliopiston arkkitehtuurin osastolla järjestetyn algoritmisen arkkitehtuurin workshopin opiskelijoiden ja ohjaajien töistä syntyi kirja Generate from algorithm to structure 15 sekä Generateseminaari. Seminaaria varten suunnittelimme työryhmässä Kudos- näyttelypaviljongin. Paviljongin rakenne koostuu vanerilevykehistä, jotka lomittuvat toisiinsa jäykistäen rakenteen. Kehät koostuvat laserleikatuista levyistä, jotka on kiinnitetty toisiinsa saranoilla mahdollistaen rakenteen purkamisen, tiiviin säilyttämisen ja helpon uudelleen kokoamisen. Vuonna 2011 olin mukana opiskelijana Oulun yliopiston ja New Yorkin Columbian yliopiston arkkitehtuurin osaston (GSAPP) yhteistyönä järjestämässä workshopissa. Sen tuloksena syntyi Turku Kulttuuripääkaupunki 2011 -ohjelmaan kuulunut Pudelma-paviljonki. Paviljongin laajuus on 70 neliömetriä ja laajuudessaan se onkin ensimmäinen ulkotilaan toteutettu algoritmiavusteisesti suunniteltu ja tuotettu rakenne Suomessa. Kuva 16. Luonnokseni Kudos-paviljongin muodon luovasta prosessista. Kuva 17. Luonnokseni Kudos-paviljongin detaljien muodonluonnista. Kuva 18. Yhteistyössä hirsiteollisuuden kanssa algoritmiavusteisesti suunniteltu ja tuotettu puurakenteinen paviljonki (Ligna messupaviljonki), yhteistyö Woodpolis Oy:n kanssa, Lundén Österlund arkkitehdit. Kuva: Toni Österlund Kuva 19. (viereinen sivu) Kudos-näyttelypaviljonki. Kuva: Toni Österlund 26

27

Olen alusta asti nähnyt algoritmisten menetelmien kiinnostavimmat sovellusmahdollisuudet muodon älykkäässä hallinnassa. Siinä, miten muoto voi ilmaista sen syntymiseen vaikuttaneita voimia ja millaisia uusia esteettisiä vaikutuksia tämä tuo tullessaan. Diplomityössäni olen pyrkinyt syventymään tähän problematiikkaan erilaisten optimointimenetelmien kautta. Millaisia esimerkiksi rakenteelliseen optimointiin tähtääviä keinoja tällä hetkellä on olemassa luonnosvaiheen muodonannossa? Vapaamuotoisen geometrian toteuttaminen sinänsä ei ole ongelma, mutta miten tämä geometria tehdään mahdollisimman tehokkaasti siten, että rakenteellinen rehellisyys toteutuu, kiinnittäen samalla huomiota esteettisiin arvoihin? Tavoitteena diplomityössäni on ollut löytää vastauksia näihin kysymyksiin. Lisäksi tavoitteena on ollut pohtia uusien suunnittelu- ja tuotantomenetelmien tarjoamia mahdollisuuksia puurakentamisessa. Kaikessa opetuksessa sekä osastolla toteuttamissamme aiheeseen liittyvissä projekteissa, on ollut kantavana ajatuksena käytännönläheisyys; kuinka edetään koodista fyysiseen rakenteeseen. Halusin myös diplomityössäni ottaa näkökulmaksi vahvan käytännönläheisyyden. Kuva 20. Kuva 21. Kuva 20. Aurinkokatos, ensimmäinen algoritmisen arkkitehtuurin harjoitustyöni,yhdessä työryhmän (Eeva Hinkka, Milla Parkkali, Eetu Arponen) kanssa. Harjoitustyössä pinnanjakoa säädeltiin pinnan kaarevuuden mukaan ja kolmiopintojen aukotus seurasi ilmansuuntia. Lähde 14 Kuva 21. Aurinkokatos. Analyysi pintojen ilmansuunnista ja aukotuksen määrittelevä algoritmi. Lähde 15 Kuva 22. Pudelma-paviljonki Turun kaupunginteatterin edessä. Kuva: Taavi Henttonen Kuva 23. (viereinen sivu) Pudelma-paviljonki Kuva 22. 28

29

2. Suunnittelumenetelmät In biology, shape is cheap but material is expensive. Julian Vincent 16 Veistoksellista, suorakulmaisesta poikkeavaa arkkitehtuuria kutsutaan usein vapaamuotoiseksi arkkitehtuuriksi. Vapaa muoto rakentamisessa käsitetään kalliiksi toteuttaa, koska perinteisesti sen toteutussuunnittelu on ollut raskasta, materiaalinkulutus suurta ja rakenneosien yksilöllinen tuotanto kallista. Puhtaasti rakenteellisen potentiaalinsa kannalta tarkasteltuna suorien kulmien puuttuminen ei kuitenkaan tee muodosta vapaampaa tai rajoitetumpaa kuin esimerkiksi kuutiosta. Arkkitehtoninen muoto, kuutio tai vapaamuotoinen, on poikkeuksetta kahlittu vastaamaan vähintään painovoiman asettamiin lainalaisuuksiin. Painovoimaa voi vastustaa yksinkertaisimmillaan kahdella tavalla: lisäämällä materiaalia tai muuttamalla muotoa tehokkaammaksi. Arkkitehtuurin historia on täynnä esimerkkejä molemmista lähestymistavoista. Kuitenkin jo ennen ensimmäistäkään ihmisen rakentamaa savimajaa, luonto oli jo miljoonien vuosien ajan ratkonut tätä rakentamisen haastetta evoluution kautta. Luonnon rakenteet ja niiden orgaaniset muodot ovat kehittyneet fysiikan lainalaisuuksien pohjalta ja hioutuneet äärimmäisen tehokkaiksi. Näiden luonnonvalinnassa hyviksi todettujen muotojen rakennusohjeet, muodon määrittävät algoritmit, on tallennettu eliöiden DNA:han. Luonnossa muodon tuottaminen on halpaa, näiden miljoonien vuosien aikana hioutuneiden sääntöjen avulla, mutta materiaali on kallista. 16 Oman menestymisensä kannalta eliöille on edullista minimoida materiaalihukka ja optimoida muoto mahdollisimman tehokkaaksi. Arkkitehtisuunnittelussa, algoritmisten suunnittelumenetelmien avulla, voidaan inspiroitua ja jäljitellä luonnon muodonluonnin prosesseja monin tavoin, sekä simuloida muotoon vaikuttavia fysiikan lakeja. Näin vapaamuotoisten muotojen suunnitteluprosessi helpottuu, kevenee ja tuo suunnitelmaan uudenlaista lisäarvoa. Menetelmät mahdollistavat myös rakenteiden materiaalihukan minimoinnin. Vaikka vapaamuotoisten ja kompleksisten muotojen käyttö tällä hetkellä mielletäänkin rakentamisessa kalliiksi ja raskaaksi vaihtoehdoksi, uudet menetelmät sekä suunnittelun, että tuotannon puolella voivat muokata kustannussuhdetta; muodon tuottaminen muuttuu edullisemmaksi suhteessa materiaalin hintaan. Siirryttäessä manuaalisesta sarjatuotannosta digitaaliseen massakustomoituun tuotantoon, kompleksisten muotojen toteuttaminen halpenee, kun rakenneosien tuottamisen hinta vähenee merkittävästi. Tietokoneohjattujen työstökoneistojen lukiessa suunnittelijoilta tulevia sähköisiä tiedostoja, manuaalisen työn määrä tuotannossa vähenee radikaalisti. Tämä tuotantoprosessin automatisointi mahdollistaa täysin yksilöllisten rakenneosien valmistamisen, eli rakenteiden massakustomoinnin, ilman lisäkustannuksia. Toisin sanoen, ennen erittäin kalliit yksilölliset rakenneosat tulevat kilpailukykyisiksi sarjatuotettujen osien rinnalle sekä kustannustensa, että tuotantonopeutensa osalta. 30