Arhitectura ca ecologie a sistemelor auto-organizate | Architecture as an ecology of self-organized systems

Nonstandardstudio este un studio de arhitectură, din Viena, axat pe chestionarea metodologiilor convenționale și pe experimentarea și dezvoltarea de metodologii/ strategii de design inovative, accesibile prin mediul computațional, referitoare la urbanism, arhitectură, design.

Agenda

Agenda de cercetare Nonstandardstudio se concentrează pe strategii generative care vizează crearea de sisteme autopoietice extrem de complexe, care pot oferi oportunități noi, pentru organizarea, articularea și semnificația arhitecturală, strategii care rezultă din simularea algoritmilor de creștere, rule-based, sisteme multiagent și abordare „bottom-up”.

Agenda are ca temă principală crearea de sisteme complexe interdependente autopoietice, având ca referință sisteme naturale, constituite din subsisteme cu proprietăți sporite de conștientizare și adaptabilitate, atât față de componentele din compoziția sistemului, cât și față de sistemele și mediul local. Aceste sisteme sunt capabile nu doar de a se adapta mediului local, dar și de a crea medii și ecologii noi. Prin urmare, acestea creează un sistem deschis, extrem de diferențiat și corelat, mai degrabă, decât unul închis.

Mediul – Supercomputing (GPGPU) – Sisteme stigmergy

În Emergence: The Connected Lives of Ants, Cities and Software, Steven Johnson prezintă țesuturile urbane ca o manifestare a emergenței, operând precum un sistem dinamic adaptativ, bazat pe interacțiuni de proximitate, pattern recognition și mediere, asemenea oricărui sistem emergent.

Supercomputing permite dezvoltarea de metodologii noi de proiectare pentru arhitecți și designeri. Acestea fac posibilă trecerea de la modele parametrice statice la modele bazate pe simularea sistemelor complexe, care necesită putere de calcul masiv (precum sisteme multiagent – MAS, algoritmi de învățare, sisteme stigmergy, simulare a agenților sociali, simulare a fluidelor și alți algoritmi de creștere sau de calcul pentru fizica construcțiilor).

Dacă până acum procesul de proiectare a fost preponderent dominat de o abordare secvențială – designul fiind generat și evaluat într-un mod secvențial, cu referință la diferiți parametri de fabricație, accesabilitate, navigare, structură, eficiență, parametri de mediu/ context – ultimele progrese în tehnologia informatică fac plauzibilă abordarea unui proces simultan, care permite o corelare și articulare exacerbată atât a subsistemelor unui sistem, cât și a altor sisteme externe.

Aceste progrese permit arhitecților să reflecte asupra posibilității de a accesa fizica structurilor, a materialelor și a comportamentelor structurale și sociale la scări diferite. Acestea fac posibilă o integrare simultană (în procesul de proiectare și explorare formală) a parametrilor și constrângerilor de fabricație, interacțiune socială, navigare și constrângeri de mediu/ context. În acest fel, toate constrângerile și toți parametri pot modifica și sunt modificați, rezultând o complexitate diferențiată și optimizată, asemenea complexității unei ecologii. În acest fel, ecologia de structuri complexe autopoietice generate va fi capabilă să controleze informația dinamică locală. Aceasta conclude în capacitatea sistemului de a influența și ajusta procese urbane majore, prin încorporarea inteligenței arhitecturale/ urbane în generarea, organizarea și performanța spațiilor publice, activităților utilizatorilor și comportamentelor sociale.

Organizare – Țesuturi urbane

Organizarea unui țesut urban, bazat pe modelul stigmergy, poate fi realizată doar dacă părțile componente și individuale ale sistemului (sau diferite sisteme externe) sunt capabile să interacționeze prin comunicare sematectonică. Acest tip de comunicare indirectă se realizează în două etape: momentul în care agenții sunt capabili să interacționeze și să modifice mediul local comun; și respectiv momentul în care comportamentul agenților este reglat de modificarea precedent realizată de către aceștia asupra mediului local comun.

Într-o ecologie de sisteme auto-organizate, vor exista întotdeauna tipuri diferite de agenți, având comportament și obiectiv diferit. Acestea vor interacționa (sau modifica) mediul lor într-un mod diferit, bazat pe caracteristicile și proprietățile lor specifice. La nivel urban, fiecare program/ funcțiune (office, retail, recreație, locuință, cultură, circulație) are atribuit un sistem de agenți, care preia toți parametrii corespunzători programului/ funcțiunii. Serii de diferențe interdependente și corelări ale seriilor diferențiate vor rezulta în funcție de ecologia de agenți stigmergy, responsabili pentru diverse niveluri de diferențiere, reguli de afiliere și niveluri de corelare.

Reguli locale de comunicare, precum conectivitatea fizică și vizuală, sunt extrase și folosite ca o strategie bottom-up pentru a genera algoritmi de creștere, responsabili pentru organizarea formală și semiotică a țesutului urban. Prin implementarea acestor reguli simple de proximitate se generează o largă gamă de posibile variațiuni și compoziții de gradienți de conectivitate fizică și vizuală, alternând de la absența totală de integrare/ conectivitate fizică și vizuală a spațiilor, la integrare/ conectivitate exclusiv fizică sau vizuală, la integrare/ conectivitate fizică sau vizuală maximă. Aceste reguli se manifestă la nivel urban, prin încurajarea corelării sistemelor multiple componente și prin intermediul unor principii mutuale împărtășite de toate sistemele componente.

Acest fel de relații de proximitate, conectivitate fizică și vizuală vor permite atât negocieri de proximități locale, cât și de proximități globale ale sistemului urban. În felul acesta rezultă un țesut urban coerent atât la scară locală, cât și la scară globală, în care regulile locale sunt responsabile pentru organizarea și coerența sistemului la nivel global.

După stabilirea unui layer de proprietăți comune, se generează țesutul urban, care are la bază un sistem dominant și multiple sisteme corelate cu acesta, determinând ierarhii în ansamblul întregului sistem urban. Fiecare sistem funcțional este introdus într-un mod secvențial, țesutul fiind alterat și actualizat într-un mod simultan de informația sistemului introdus. Fiecare sistem introdus generează modificări specifice – în momentul interacțiunii cu sistemul/ țesutul existent – ecologia de agenți permite corelarea sistemelor multiple, precum și exacerbarea coexistenței contributive a diferitelor layere de articulare, atât la nivel local, cât și la nivel global.

Articulare tectonică – Articulare structurală

Prin autoreglarea parametrilor esențiali de distribuție a forțelor structurale, ecologia de agenți dezvoltă un mecanism procedural de autoreglare – sistem autopoietic/ homeostazic – instanță în care sistemul devine autogenerator, permițând dezvoltarea unui multisistem corelat și diferențiat. În acest caz, asemenea sistemelor naturale, compozițiile sunt atât de intricate/ integrate încât nu pot fi descompuse cu ușurință în subsisteme independente. Astfel, ecologia de agenți devine un sistem de auto-referință și auto-organizare care evoluează prin cuplare structurală (modul în care ele se relaționează unul față de altul), conștientizează că influențele exterioare nu pot modela structura internă a acestuia, ci pot doar declanșa mecanismele lui, de a modifica influențele actuale. Sistemul rezultat va fi unul dens articulat față de părțile componente, cât și față de cele exterioare lui.

Tranziția prin spectrul diferențiat al structurii tectonice, generată prin aplicarea principiilor de colaborare și cuplare structurală a sistemului stigmergy, permite articularea între o varietate de spații, aceasta fiind premisa dezvoltării scenariilor diverse de comunicare.

Semnificație

Ecologia de agenți stigmergy va acționa asemenea unei interfațe pentru negocierea non-liniară între suma comportamentelor și informațiile transmise, în așa fel încât fiecare sistem de agenți va colecta informație referitoare la conectivitatea fizică, proprietăți structurale, aspecte de orientare sau proprietăți ale activităților sociale.

Sistemul de semnificație/ semiotic este generat de capacitatea agenților de a identifica indicii morfologice de locație (încorporate în mediul morfologic articulat) care nu doar informează, dar și ajustează comportamentul agenților, prin comunicare sematectonică. Această abilitate permite sistemului să acomodeze agenți care au proprietăți organizaționale responsabile, pentru separarea sau conectarea altor clase de agenți sociali, care, prin interacțiunea cu ceilalți agenți și mediul fizic, vor genera o „memorie socială”. Agenții vor fi conștienți de această „memorie socială” generată, care duce treptat la generarea unui sistem spațio-morfologic de semnificație. În acest fel, agenții sunt capabili să genereze un mediu încărcat semantic, cu înalt grad de diferențiere, care permite altor agenți sociali să se orienteze și să interacționeze, în funcție de diferite condiții înscrise în mediul morfologic articulat.

Metabolism și Morfologie

„În mediul natural, metabolismul și forma organismelor naturale au o relație foarte diferită (față de cea din spațiul arhitectural construit), unde există o coregrafie complexă de energie și material, care determină morfologia organismelor vii, relații de reciprocitate ale acestora, care determină auto-organizarea populațiilor și a sistemelor ecologice” (Metabolism and Morphology, Michael Weinstock).

Prin urmare, research-ul studioului nu constă în imitarea organismelor întâlnite în natură, ci în examinarea diferențelor identificate în procese naturale. Acestea sunt aplicate într-un mod neconvențional, pentru a crea medii și formațiuni noi arhitecturale și urbane, sisteme cu auto-referință și mecanism procedural de auto-reglare, care generează multi-sisteme corelate și diferențiate și care acționează asemenea unei ecologii, unui metabolism.

Nonstandardstudio chestionează metodologia și strategiile arhitecturii convenționale, prin generarea de sisteme autopoietice complexe, interdependente, care creează noi oportunități pentru principalele dimensiuni ale task-ului arhitectural: organizare, articulare și semnificație.

Referințe:

Manuel DeLanda, A new Philosophy of Society. Assemblage Theory and Social Complexity, 2006.

Steven Johnson, Emergence: The Connected Lives of Ants, Cities and Software, 2002.

Patrik Schumacher, The Autopoiesis of architecture. A new Framework for Architecture, 2011-2012.

Michael Weinstock, Metabolism and Morphology, 2008.

Nonstandardstudio is a Vienna based architectural practice, led by Daniel Bolojan, dedicated to challenging conventional design methodologies, with a passion for experimentation, development of innovative design methodologies and strategies, enacted through the medium of computation, towards urbanism, architecture and design.

Agenda

Nonstandardstudio’s research agenda is focused on generative strategies that target the creation of highly complex autopoietic systems that offer new opportunities for an architectural organization, articulation, and signification strategies that emerge from growth processes, rule based, multi-agent based systems, bottom-up driven design, rather than externally top-down driven design.

The agenda is focused on the creation of complexly interrelated autopoietic systems, more like in natural systems, with subsystems capable of increased awareness, adaptability, towards all its components and towards their environment. Capable not only of adapting to existing environments, but also of creating new environments and new ecologies, therefore creating open, highly differentiated and correlated systems, rather than closed systems.

Medium – Supercomputing (GPGPU) – Stigmergy Systems

As presented in Steven Johnson’s book Emergence: The Connected Lives of Ants, Cities, and Software, urban fields are a manifestation of emergence. They operate as a dynamic, adaptive system, based on neighboring interactions, pattern recognition and indirect control. Therefore, are like any emergent system, a pattern in time.

Supercomputing enables new design methodologies for architects and designers, to move from a static parametric based model towards simulation of complex systems based models, that require a massive computation power, such as MAS (multi-agent systems), learning algorithms and stigmergy model simulations, social agent simulations, fluid simulations, and other growth algorithms or computational physics algorithms.

If before, the design process was driven by a more sequential process, where design was generated and evaluated in a sequential manner towards different fabrication, accessibility, navigation, structural, efficiency, environmental parameters, the new computational resources allow for a simultaneous process that allows a high correlation and articulation of one system, its subsystems or other external systems.

Advances in computer technology enable architects to reflect upon the possibility of being able to gain access at structures physics, materials, structural behaviors and social behaviors at multiple scales. At the same time allows them to embed, in the design/ form-finding process, constraints and inputs of fabrication, social interaction, navigation, environmental constraints in a simultaneous manner, rather than sequential manner. In this way all constraints modify and get modified, deriving into highly optimized-differentiated complexity that starts to resonate with the complexity of the ecology. In this way, the ecology of autopoietic complex structures emerges, that can control local dynamic information to influence and adjust larger urban life-processes by embedding intelligence in the formation, organization and performance of urban spaces, user activities, social behaviors, structural behaviors, interfaces, structures and infrastructures.

Organization - Urban Fields

Organization through stigmergy model can occur only if individual parts of one system, or separate multi-systems are capable to communicate with each other through sematectonic communication. That implies a type of indirect communication which occurs when agents sense and modify their shared local environment, and their behavior is being tuned by the modification occurred in the shared local environment.

In the ecology of self-organized systems, there will always be different types of agent systems, with different behaviors and desires that will sense or modify their environment in a different way, based on their own characteristics. At urban scale, each main functional type (office, retail, recreation, housing, culture, transportation), will have its own agent system with its functional type specifics/constrains. Series of interdependent differences, and correlation of resulting differentiated series, will emerge according to the resulting stigmergy ecology, responsible for degrees of differentiation, different affiliation rules, and degrees of correlations.

Communicational local rules of physical and visual connectivity are extracted and used as a bottom-up strategy, to generate algorithms of growth that will regulate communicative and spatial formations. By implementing these simple neighboring rules, a wide variation and possible combinations of gradients of physical and visual connectivity emerges, ranging from a full absence of visual and physical integration between spaces, to a visual or physical integration only, to maximized physical and visual integration. These rules unfold at an urban level by encouraging correlation of multiple systems by means of principles that would be shared by all systems.

Neighboring relations based on physical and visual connectivity; don’t allow only a local neighboring negotiation, but also a global neighboring negotiation. The result is a coherent field not only on a local scale, but also on a global scale.

After a layer of shared properties is established, an urban field is generated with the dominance of a system, establishing a hierarchy within the overall system. This field is gradually altered and updated by the information of the newly system introduced in the field. Each system acts within its own limits that had been already ascribed to it, and cause particular changes when it interacts with the existing field. The ecology of agents allows correlating multiple systems, and encourages the contributive coexistence of different articulation layers, on a global or local scale.

Tectonic Articulation - Structural Articulation

By self-tuning critical variables of force distribution within a structural system the ecology of agents develops an automatic mechanism of self-regulation – homeostasis/autopoietic system – where the system becomes self-producing, allowing for a correlated and differentiated multi-system. Where like in natural systems, compositions are so highly integrated that they cannot be easily decomposed into independent subsystems. It becomes a system with self-reference and self-regulation which further evolves by using structural coupling. Therefore, recognizing that the outside influences cannot shape the system’s internal structure, they can only act as a trigger that causes the structure to alter its current attractors. The resulting system is a highly dense articulated system within itself, as well with a highly dense articulation between different other systems.

The transition through structural tectonic morphing, emerged through applied principles of stigmergic collaboration and structural coupling, allows for articulation between a gradient of spaces that sets the stage for varied communication framed scenarios.

Signification

The ecology of agents will act as an interface for non-linear negotiations between multiple behaviors and input data, in such a way that some agent types will gather data with regards to physical aspects of the environment, while other agents to structural, orientation and social behavior aspects.

The system of signification emerges through agent’s awareness and self-awareness towards relevant morphological and locational clues, already embedded in the articulated formation that are not only informing but also tuning the agent’s behavior accordingly, through sematectonic communication. This ability enables the system to accommodate agents that have organizational properties responsible for separating or connecting other classes of social agents that through interaction with each other and the physical/built environment will generate a sort of “social memory”. The agents will be aware of the generated “social memory” that in consequence will lead gradually to the creation of the spatio-morphological system of signification. In this way, agents will be able to generate a semantically charged environment, with a high degree of differentiation that allows other social agents to orient and interact according to different conditions inscribed in the physical/built environment, in the morphologically articulated formation.

Metabolism and Morphology

“In the natural world, form and metabolism have a very different relationship [than in the history of built architecture]. There is an intricate choreography of energy and material that determines the morphology of living forms, their relations to each other, and which drives the self-organization of populations and ecological systems [...]” (Metabolism and Morphology, Michael Weinstock).

Our interest lies not in re-creating a particular form or organism found in nature, but rather in exploring differences in natural processes that are later applied in a novel way, to create new mediums, urban and architectural formations, that are systems with self-reference and automatic mechanism of self-regulation, and that allows for correlated and differentiated multi-systems therefore, being an ecology, a metabolism.

We are challenging conventional practice by creating architecture with a high level of complexly based on interrelated autopoietic systems that offer new opportunities for the three main dimensions of architecture’s task - organization, articulation and signification.

References:

Manuel DeLanda, A new Philosophy of Society. Assemblage Theory and Social Complexity, 2006.

Steven Johnson, Emergence: The Connected Lives of Ants, Cities and Software, 2002.

Patrik Schumacher, The Autopoiesis of architecture. A new Framework for Architecture, 2011-2012.

Michael Weinstock, Metabolism and Morphology, 2008.