Wetenschap
IJsstraalpatronen:een herontdekking van ontwerp uit het verleden voor de toekomst
Het Chinese ijsstraalrooster, of 'binglie' zoals het in het Chinees wordt genoemd, is een ingewikkeld patroon dat op gebarsten ijs lijkt en een veelgebruikt decoratief element is dat wordt gebruikt in traditionele Chinese raamontwerpen.
Oorspronkelijk geïnspireerd door gefragmenteerde patronen op ijs of gecraqueleerde keramische oppervlakken, vertegenwoordigt het ontwerp het smelten van het ijs en het begin van een bloeiende lente.
Toen Dr. Iasef Md Rian, nu universitair hoofddocent aan de afdeling Architectuur van de Xi'an Jiaotong-Liverpool University, in 2019 voor het eerst in China aankwam, werd hij onmiddellijk gefascineerd door de traliewerkontwerpen in de klassieke tuinen van Suzhou.
"Klassieke tuinen in China lijken mij heel anders dan de westerse, die meer symmetrisch en georganiseerd zijn", zegt hij. "Chinese tuinen hebben echter een meer natuurlijke opbouw in hun indeling en ontwerp. Het raamontwerp met ijsstralen is een van de manifestaties."
Nadat hij zich jarenlang op fractale geometrie in architectonisch ontwerp had geconcentreerd, voelde Dr. Rian de drang om de schoonheid van de patronen te onderzoeken.
"Mijn geest is altijd op zoek naar dit soort inspiratiebronnen, dus ik was meteen gemotiveerd om de onderliggende geometrische principes van de ijsstraalpatronen te bestuderen, zegt hij."
De onderliggende regel onthullen
Dr. Rian ontdekt dat de regel voor het creëren van ijsstraalpatronen eigenlijk heel eenvoudig is.
Hij legt uit:“Neem Type 1 als voorbeeld; een vierkant wordt eerst verdeeld in twee vierhoeken, en vervolgens wordt elke vierhoek verder verdeeld in twee vierhoeken. Bij elke stap zijn de verhoudingen van de onderverdeelde vierhoeken anders, en zo wordt de willekeurige patroon wordt gemaakt met behulp van een eenvoudige regel.
“Met deze configuratie hadden Chinese ambachtslieden misschien de bedoeling gehad om de stevigheid ervan te vergroten, zodat het kan functioneren als een raamhek om bescherming te bieden. De willekeurige configuratie van ijsstraalroosters zorgt voor verbindingen onder meerdere hoeken, die het raam transformeren in een verzameling resulterende krachten en uniforme spanningsverdeling, waardoor een unieke mate van stijfheid wordt bereikt.
"De microstructuur van trabeculair botweefsel in ons eigen lichaam dient als een uitstekend natuurlijk voorbeeld van het potentieel van willekeurige roosters. Het balanceert een hoge stijfheid, die bijdraagt aan de sterkte, met een verrassend lichtgewicht structuur."
Dr. Rian heeft onlangs een artikel gepubliceerd in Frontiers of Architectural Research dat de geometrische kwaliteiten van ijsstraalpatronen onderzoekt en de mogelijkheden vergroot om willekeurige patronen in structurele ontwerpen te integreren, vooral het traliewerkschaalontwerp, dat vaak wordt gebruikt in bolvormige koepels en gebogen structuren.
"In mijn onderzoek heb ik een algoritme ontwikkeld om de ijsstraalpatronen voor roosterschaalontwerpen te modelleren en de haalbaarheid en effectiviteit ervan beoordeeld in vergelijking met conventionele rasterschalen. Deze rasterschalen, gemaakt van gewone rasters, contrasteren met doorlopende schalen.
"Terwijl reguliere gridshells goed presteren onder uniforme belastingen, biedt het ijsstraalrooster kracht onder asymmetrische belastingen. Sommige ijsstraalpatronen, die het resultaat zijn van optimalisatie, bieden verrassend genoeg een betere sterkte dan reguliere gridshells onder eigen gewicht. Er is ook een bijkomend esthetisch voordeel bij het toepassen van het ijsstraalpatroon op een roosterontwerp.
"Ik breid de toepassing van dit patroon uit naar gebogen oppervlakken, waardoor het potentieel ervan in de geometrische, structurele en constructieve aspecten van het ontwerp van roosterschalen wordt ontsloten", zegt hij.
Dr. Rian heeft ook ijsstraalpatronen en complexe geometrieën in zijn onderwijs geïntegreerd. In 2022 organiseerde hij een workshop voor studenten om daken met ijsstralen te ontwerpen.
Hij legt uit dat het leren van het concept van fractale geometrie de ideeën van de leerlingen echt in de richting van een uniek ontwerp kan duwen.
"Dit is heel anders dan wat ze op de middelbare school hebben geleerd. Bij het leren creëren van dit geometriesysteem zullen ze ook computationele modellering en simulaties leren. Uiteindelijk zullen ze uitgebreide kennis opdoen van geavanceerd architectonisch en digitaal ontwerp", zegt hij.
Traditionele ontwerpen herontdekken
Om het onderzoek op dit gebied uit te breiden, onderzoekt Dr. Rian de effectiviteit van complexe geometrie in verschillende aspecten, zoals materiaalontwerp op microschaal en structureel ontwerp.
Hij zegt:"Bij gevelontwerp gebruiken we bijvoorbeeld meestal conventionele of parametrische geometrie om reguliere vormen te ontwerpen. De willekeurige vormen die met complexe geometrie zijn ontworpen, kunnen echter een meer natuurlijke indruk en daglichttoetreding bieden."
Hij moedigt ontwerpstudenten en onderzoekers aan om van het verleden te leren.
"Elk traditioneel ontwerp heeft een verborgen regel. We kunnen nu digitale technologieën en geavanceerde tools gebruiken om de kennis van traditioneel vakmanschap uit te breiden en uit te breiden voor hedendaags design.
"Er zitten veel inspiraties achter de traditionele ontwerpen, en die principes kunnen ons, ontwerpers, echt inspireren om innovatieve ontwerpen voor de toekomst te maken", zegt hij.