Przyszłość budynków, czyli high-tech w architekturze

utworzone przez | sty 8, 2021 | Entuzjasta Architektury

high-tech[1] to nurt architektoniczny zapoczątkowany w drugiej połowie XX wieku, jako jeden z odłamów postmodernizmu. Cechował się wykorzystaniem technologii, szczególnie zaawansowanej, zarówno w konstrukcji jak i wyposażeniu obiektów.

Obiekty nurtu high-tech eksponują swoją technologiczną zuchwałość, uwydatniając elementy konstrukcyjne i architektoniczne. Dominującymi materiałami stały się stal, beton i szkło. Najlepiej podkreślające futurystyczną formę. Wiek XXII przyniósł ze sobą całkiem nowe możliwości. Prefabrykacja pozwoliła projektantom puścić wodzę fantazji. Rozwinął się nowy nurt – architektura parametryczna. Futurystyczne projekty, wcześniej zbyt drogie w realizacji, mogły stać się faktem, a zaawansowana technologia nieodzownym elementem architektury.

 Chęć zapełniania obiektów nowoczesnymi rozwiązaniami zdominowała środowisko do tego stopnia, że technologia stała się usprawiedliwieniem dla niedociągnięć i błędów projektowych. Można odnieść wrażenie, że skoro istnieją żarówki imitujące światło słoneczne w stopniu zapewniającym komfort wizualny, to pracownicy mogą pracować pod ziemią. A skoro systemy chłodząco-grzewcze w kilka sekund stabilizują temperaturę, to dostęp do okien w celu przewietrzania jest zbędny. Otóż tak dzieje się, gdy projektant, inwestor lub specjalista branżowy myślą wąskotorowo, starając się zaspokoić jeden wskaźnik potrze, pozbawiając go kontekstu. Nadmierne używanie technologii wywołane błędami projektowymi, jest niezgodne z ideą projektowania zrównoważonego. Generuje wysokie koszty energii, nabycia danej technologii oraz jej serwisowania. Ma negatywny wpływ na ekologię i użytkowników.

W skrajnych przypadkach opieranie funkcjonowania obiektu o nowatorskie rozwiązania, niesie za sobą ryzyko sparaliżowania obiektu w wyniku awarii. 

Znaczenie określenia high-tech znacząco ewoluowało, szczególnie w zakresie przemysłu. Zaawansowana technologia, dostęp do informacji i łatwość finansowania, przełożyły się na powstające w zastraszającym tempie produkty technologiczne.

Nawet nazewnictwo w zakresie innowacji stało się problematyczne, ponieważ nierzadko procesy nadawania praw patentowych i definiowania nomenklatury nowych rozwiązań, trwają dłużej, aniżeli generacje niektórych technologii. W przełożeniu na długotrwałe procesy inwestycyjne w budownictwie, rozwiązania mogą się okazać przestarzałe w momencie oddania do użytku. Generuje to również problem wsparcia technicznego i bezpieczeństwa modeli urządzeń, które producenci wycofują ze sprzedaży.

Technologia hi-tech stała się nieodłącznym elementem większości zaawansowanych obiektów. Powstało określenie “budynku inteligentnego”, którego cechą charakterystyczną jest nierozłączność konstrukcji, powłoki i całego wyposażenia technicznego. 

Inteligentne budynki są fundamentem nowej koncepcji w skali urbanistyki, zwanej “smart cities” (inteligentne miasta). Siatka powiązań i korelacji między inteligentnymi budynkami, które swoim zaawansowaniem technologicznym i ilością generowanych danych, otworzyły się na zewnątrz z użyciem IoT (Internet of Things – Internet rzeczy)[2], zmieniając sposób dotychczasowego postrzegania struktur miejskich jako autonomicznych układów urbanistycznych.

Smart Cities można podzielić na 3 generacje, które jako pierwszy wprowadził Boyd Cohen z Universidad del Desarrollo w Santiago de Chile[3]:

  • Smart City 1.0 – firmy technologiczne generują wśród mieszkańców miast popyt, na swoje własne rozwiązania. Niezależnie od tego, czy problemy które rozwiązują faktycznie istnieją i czy dana technologia jest najbardziej efektywna. Przykładem tego typu miast są Masdar w Zjednoczonych Emiratach Arabskich i Songdo w Korei Południowej.
  • Smart City 2.0 – inicjatywa technologiczna leży po stronie władz miasta. Posiadają dane o realnych problemach społeczności i podejmują próby rozwiązań z pomocą odpowiednio dostosowanej technologii. Według Cohena większość miast inteligentnych na świecie należy do tej generacji. Wykorzystuje się zaawansowane technologicznie podzespoły w realnym życiu społeczności. Miastom inteligentnym tej generacji zarzuca się technokratyzm[4].
  • Smart City 3.0 – zwany inteligentnymi miastami obywatelskimi. Charakteryzuje się zaangażowaniem mieszkańców w kreowanie przestrzeni i metod funkcjonowania miasta. Władze przyjmują inną rolę, ich zadaniem jest tworzenie swobodnej przestrzeni, w której mieszkańcy mogą się realizować. Ponadto edukacja w celu zmniejszenia przepaści technologicznej, np. między pokoleniami lub osobami o różnej sytuacji ekonomicznej. Trzecia generacja realizuje zakres technologiczny generacji drugiej, jednak na pierwszym miejscu stawia aspekt społeczny, kulturowy, ekologiczny i równościowy. Przykładem miast, które charakteryzuje ten sposób podejścia, są na przykład Barcelona, Amsterdam, Wiedeń, Seul. W Polsce miastem, które przejawia kierunki rozwoju zgodne z SC3.0, jest Gdańsk, w ramach swojej strategii Gdańsk 2030. Miasta te często określane są mianem “Human Smart Cities” lub “Sharing Smart Cities

Poniżej wyróżnione zostały bieżące trendy technologiczne, mające diametralny wpływ na inteligentne miasta i budynki.

1. Big data

Ogromne zbiory danych, które potencjalnie nie są do przetworzenia przez ludzi. Jednak z pomocą zaawansowanych narzędzi analitycznych, istnieje możliwość pozyskiwania wartościowych informacji, które zmieniają sposób patrzenia na przestrzeń miast. Dzięki danym analitycznym jednostki administracyjne mogą podejmować lepszej jakości decyzje oparte o twarde dane, a nie tylko intuicję lub dane statystyczne pochodzące z ankiet lub obserwacji.

Lepsze zrozumienie sposobu w jaki funkcjonuje społeczność oraz same miasta, prowadzi do usprawnień komfortu życia. Najbardziej podstawowym zastosowaniem, wykorzystywanym od wielu lat, jest projektowanie przepustowości dróg, funkcjonalności i optymalizacji świateł komunikacji drogowej. Z wykorzystaniem analityki predykcyjnej, przewiduje się potencjalne natężenie ruchu w danym miejscu, zapobiegając tym samym zatorom. W podobny sposób oblicza się czas występowania światła zielonego na skrzyżowaniach i przejściach dla pieszych. Następnie podczas użytkowania analizuje się już realne dane natężenia ruchu w danym okresie, dostosowując długość zmian światła do panujących w danym okresie warunków.

Bardziej złożone zastosowanie wykorzystania dużych zbiorów danych w czasie rzeczywistym, wprowadzono w Rio de Janeiro po tragicznym sztormie w 2010 roku. Mianowicie system reagowania kryzysowego na wypadek katastrof pogodowych. Analitycy Centrów Operacyjnych (COR) monitorują poziomy wód, dane pogodowe, natężenie ruchu i inne parametry kluczowe dla zarządzania kryzysowego. Kiedy jakiś wskaźnik znacząco się podnosi, mogą wcześnie zareagować, wydając komunikaty do zespołów ratowniczych, czy jednostek naprawczych. Monitorując skupiska ludzkie, można w skuteczniejszy sposób zarządzać ewakuacją, rozluźniając zatory drogowe i usprawniają przepływ ludzi, jeszcze przed wystąpieniem zagrożenia.

Wewnątrz budynków biurowych, rejestrowanie danych Big Data w czasie rzeczywistym, a następnie ich właściwe zestawienie, pozwala dostrzec zależności, które mogą umknąć nawet najbardziej czujnym obserwatorom. Począwszy od danych o częstotliwości użycia stanowisk pracy i ich reorganizacji, aż po monitorowanie zależności wpływu czynników zewnętrznych, na obłożenie danej przestrzeni. Przykładem może być pomieszczenie, którego wykorzystanie diametralnie zmniejsza się w okresie letnim, bo występuje w nim przegrzewanie i efekt olśnienia. Niewłaściwie zaprojektowana klimatyzacja albo przesłony w oknach, obniżają komfort użytkowników. Proste modyfikacje, dzięki zauważeniu takich korelacji, mogą skutecznie podnieść jakość danej przestrzeni. Pozwalają też podjąć decyzje projektowe w oparciu o inne wskaźniki, np. czy poprawa jakości wpłynie na jej rentowność.

2. Blockchain

Technologia stojąca za cyfrowymi walutami, np. popularnym BitCoin. Założeniem tej technologii są zdecentralizowane ośrodki gromadzenia i przetwarzania danych. Pierwotny protokół komunikacyjny to p2p, czyli peer-to-peer. Dane są rozczłonkowane na wiele elementów, dzięki temu zapewniają najwyższy poziom bezpieczeństwa. Osoba niepożądana nie uzyska dostępu, bez zgody właściciela. Inaczej wygląda to obecnie, w spopularyzowanej architekturze protokołu klient-serwer. Dane są przechowywane w jednym miejscu, co zwiększa podatność na ataki, niepożądany dostęp i sprzedaż informacji zewnętrznym firmom. 

W Unii Europejskiej powstał program Decentralised Citizen Owned Data Ecosystem (DECODE). Ma zaspokoić rosnącą potrzebę prywatności obywateli, związaną z brakiem kontroli nad tym, kto przetwarza prywatne dane, bez zgody. Dzięki DECODE użytkownik zdecyduje jakie dane zostaną udostępnione dla dobra publicznego, a jakie pozostaną utajnione.

Z kolei brytyjski startup ObjectTech podpisał z Dubajem umowę na pierwszą biometryczną granicę. Gdzie zamiast tradycyjnej kontroli paszportowej, dostęp opiera się o dane biometryczne. Wbrew pozorom i obawom społeczeństwa, tego typu forma jest znacznie bezpieczniejsza i skuteczniejsza. Wszystko dzięki technologii blockchain. Obecne standardy protokołów klient-serwer, faktycznie mogłyby doprowadzić do wycieków informacji, jednak w przypadku danych zdecentralizowanych, ryzyko takiego zajścia jest bliskie zeru. 

W skali architektonicznej blockchain jest rzadko wykorzystywany. Może odegrać jednak ogromną rolę w kwestiach rosnących problemów bezpieczeństwa inteligentnych budynków. Obecnie istnieje duże ryzyko przejęcia kontroli nad obiektem inteligentnym i dostępem do baz danych przez hakerów. Równolegle z podnoszącym się poziomem zabezpieczeń, rosną możliwości ich łamania. Dlatego może okazać się, że jedynym rozwiązaniem zapewniającym bezprecedensową ochronę, będzie zmiana protokołów z centralnych na zdecentralizowane. Co oczywiście również niesie za sobą negatywne konsekwencje. Dane obiektów inteligentnych znajdują się albo na serwerach lokalnych, zlokalizowanych w budynku, albo w chmurach, które zapewniają niemal stuprocentową dostępność. Decentralizacja danych może skutkować utrudnieniem dla samych użytkowników.

3. Sztuczna inteligencja (Artificial Intelligence – AI)

Sztuczna inteligencja już teraz posiada bardzo szerokie zastosowanie, zarówno w miastach jak i budynkach. Obecnie największy potencjał jej wykorzystania w sektorze publicznym, zauważa się w administracji i punktach informacyjnych. Zastąpienie człowieka, nawet o wysokim zakresie wiedzy i umiejętności w danej dziedzinie, wydaje się być o wiele bardziej efektywne, dzięki wykluczeniu błędów ludzkich. Potencjalnie miasto oparte informacyjnie o sztuczną inteligencję, pracuje sprawniej, wydajniej i mniej inwazyjnie, a komfort ludzi znacząco się podnosi. Ponieważ im wydajniej struktury funkcjonują, tym większą ilość aspektów mogą usprawniać. 

W skali architektonicznej każdy etap, od projektowania przez użytkowanie, aż po wyburzanie, może zostać usprawniony przez wykorzystanie uczenia maszynowego (machine learning), czyli głównego elementu składowego sztucznej inteligencji. Roboty, które wznoszą budowle z możliwością autokalibracji, samonaprawiająca się konstrukcja czy interfejs rozpoznający twarz osoby wchodzącej do budynku i podejmujący wobec niej zróżnicowane czynności. Sztuczna inteligencja jest obecnie tematem głównie marketingowo-naukowym. Rozwijana w laboratoriach i głośno rozgłaszana przez kampanie reklamowe. Systemy które powstają, w większości nie są jeszcze w pełni inteligentne i długa droga przed programistami, zanim miasta i budynki będą je wykorzystywać na szeroką skalę.

4. Internet of Things (IoT)

Internet rzeczy, czyli sieć przedmiotów połączonych protokołami komunikacyjnymi. wyróżnia się metody łączenia tradycyjną siecią komputerową, jak i przez inteligentną sieć elektryczną KNX[5]. Dzięki możliwościom współdziałania, urządzenia mogą wymieniać się danymi i współdzielić ze sobą funkcje. Zamiennie używa się także określenie Internet of Everything (IoE), co oznacza internet wszechrzeczy. W odróżnieniu od IoT, łączy ze sobą nie tylko przedmioty, ale i ludzi, procesy i dane, które sprzężone razem, tworzą chmury informacyjne. Wykorzystywane do optymalizacji życia ludzi wewnątrz miast, transportu, systemu zdrowia, produktów czy architektury przyjaznej użytkownikom.

Przedmioty podłączone do IoT są narzędziami pomiarowymi, generującymi różnego rodzaju dane. Wszechstronność i obszerność, pozwala z powodzeniem określić je mianem Big Data. W skali miejskiej takie urządzenia wykorzystane mogą być do generowania informacji o ruchu w miejskimi transporcie. Usprawnia to funkcjonowanie sygnalizacji świetlnych oraz może zapobiec groźnym sytuacją wzmożonej aktywności na drogach ewakuacyjnych z obszaru katastrof.

W budynkach, Internet rzeczy jest podstawą tworzenia systemów domów inteligentnych, których założeniem jest łatwość komunikacji z urządzeniami, a także zdalny dostęp. Dzisiejsze domy inteligentne sterowane są z ekranu smartfona, który zastępuje tradycyjne włączniki.

5. Drony

Autonomiczne lub sterowane zdalnie przez człowieka, bezzałogowe statki powietrzne, są bardzo efektywne i stosunkowe tanie. Przejmują stopniowo zadania specjalne i logistyczne realizowane dotychczas drogą wodną, lądowa i powietrzną. Przykładem może być firma Amazon, która jest na etapie wdrażania systemu dostaw małych przesyłek dronami w ciągu 30 minut.

Sektor publiczny najchętniej wykorzystuje drony w policji, straży pożarnej, służbie zdrowia. Budownictwo wciąż szuka szerszego wykorzystania statków bezzałogowych. Obecnie wykorzystuje się do wykonywania pomiarów i rejestrowania postępów prac, w celu sprawniejszego zarządzania przebiegiem budowy. Zastąpienie zwykłej kamery, kamerą termowizyjną, pozwala z kolei wykonać zdjęcia termowizyjne budynków. Podejmuje się również próby zaangażowania dronów w sam proces powstawania budynków, w postaci zautomatyzowanego systemu autonomicznych dronów. Przykładowo pobierają z danej lokacji budulec, sytuują w odpowiednim miejscu, w zaprogramowany sposób. Powtarzają operację, tworząc w ten sposób ścianę. Niestety to rozwiązanie wciąż jest za mało efektywne, by zostało spopularyzowane.

6. Sensory

Sensory to podstawowe narzędzia pomiarowe do zbierania danych. Same czujniki nie są ani nową, ani przełomową technologią. Występują od wielu lat, kiedy tylko ludzkość zaczęła się posługiwać elektronicznymi narzędziami pomiarowymi. Natomiast nowatorska jest dostępność danych pomiarowych w czasie rzeczywistym i możliwość reagowania na rezultaty. Zbierane informacje tworzą ogromne bazy, które były ignorowane przez brak odpowiednich umiejętności i narzędzi do analiz optymalizacyjnych lub naukowych. Wspomniane zbiory kwalifikują się jako Big Data, stały się pożądane przez różne środowiska, które nauczyły się je przetwarzać i analizować. Do tej pory badania prowadzone były bardzo ograniczonymi metodami, obecnie istnieją nieskończone możliwości wykorzystania wielokryteriowych baz i szukania między nimi korelacji.

Można przytoczyć całą masę przykładów, w których sensory odegrały ważną rolę. Choćby poziom wody w rzekach i zbiornikach, a ryzyko powodzi. Właściwie nadal można się spotkać z monitorowaniem stanu wód przez człowieka, który co jakiś czas sprawdza i notuje wyniki. To przykład małej bazy, przetwarzanej ze znacznym opóźnieniem. Dane historyczne z sensorów, umożliwiają prowadzenie analityki predykcyjnej, czyli przewidywania zdarzeń na podstawie analizy analogicznych okresów i zjawisk. Dzięki temu nie tylko można reagować szybciej, ale i zanim coś się wydarzy. Podjąć odpowiednie kroki, jak wzniesienie tymczasowych wałów przeciwpowodziowych, przed przekroczeniem alarmowego stanu wód. Chroniąc tym samym majątek wielu osób. 

7. Virtual Reality (VR)[6] i Augmented Reality (AR)[7] 

Rzeczywistość wirtualna i rozszerzona. Pierwsza jest w pełni wirtualnym zastąpieniem bodźców wizualnych i dźwiękowych, docierających do ludzkich narządów zmysłu. To sposób na przeniesienie się do przestrzeni niedostępnej w obecnym momencie, np. do modelu przestrzennego budynku, który jest na etapie projektu koncepcyjnego. To skuteczne narzędzie marketingowe, które eliminuje konieczność czytania planów i projektów architektonicznych. Co eliminuje bariery dla osób, które nie potrafią czytać rysunków budowlanych. Jednocześnie pozwala zobaczyć o wiele więcej niż statyczne wizualizacje.

Nieco inaczej działa rzeczywistość rozszerzona (AR). Jest uzupełnieniem ludzkiego zmysłu wzroku o dane cyfrowe. W przypadku przebudowy, wykonawca wchodząc na obiekt, może otrzymać instrukcje i wytyczne w postaci “nakładki” na rzeczywisty obraz. Przykładowo ściany wymagające wyburzenia będą pomalowane cyfrowo na czerwono, a w miejscu projektowanych nowych ścian pojawią się ich zwizualizowane modele. Zastosowanie rozszerzonej rzeczywistości jest ogromne. Przeciętny użytkownik olbrzymiego budynku, może otrzymać dokładne instrukcje dojścia do pożądanego pomieszczenia, w postaci spersonalizowanej, nałożonej na widziany obraz drogi, prowadzącej bezpośrednio do celu. To technologia stworzona dla potrzeb militarnych, jednak możliwości zastosowania, prowadzą do jej komercjalizacji. Dobrze wykorzystana podnosi komfort, bezpieczeństwo i usprawnia życie wielu jednostek.

8. Komputer kwantowy

Technologia zapoczątkowana w latach 80-tych poprzedniego stulecia. Opiera się o wykorzystanie algorytmów kwantowych w rozwiązywaniu problemów. W zwykłych komputerach, podstawowa jednostka logiczna, to zero-jedynkowy bit. Komputery kwantowe składają się z bitów kwantowych, tzw. kubitów[8]. Przechowują znacznie więcej informacji aniżeli 0 i 1. Całe działanie opiera się o rachunek prawdopodobieństwa. Oznacza to, że rozwiązanie problemu matematycznego jest podawane metodą uśrednienia wielu wyników. Im bardziej precyzyjne dane i większa ilość wyników pośrednich, tym dokładniejszy jest wynik końcowy. Kwantowe bramki logiczne[9] pozwalają na prowadzenie równolegle wielu obliczeń, gdy zwykłe komputery je kolejkują. Oznacza to, że w momencie wprowadzenia komputerów kwantowych w środowisko projektowania architektonicznego, architekci zyskają ogromna moc obliczeniową do prowadzania skomplikowanych symulacji. Obecnie przeprowadzane wyliczenia bazują na uproszczonych algorytmach. Pomijają wiele czynników i pomimo ogromnej ilości wiedzy jaka płynie z ich stosowania, to należy je traktować w sposób orientacyjny i przybliżony.

Mimo uproszczeń, obliczenia symulacji i renderowanie, prowadzone przez normalne komputery, mogą trwać nawet wiele dni. Z kolei dla komputera kwantowego, takie zadania nie stanowiłyby żadnego wyzwania. Obecnie technologia komputerów kwantowych jest przystosowana do bardzo profesjonalnych zastosowań w kontrolowanym środowisku. Istnieje obawa przed komercjalizacją tych urządzeń, ponieważ metody szyfrowania stosowane w obecnych komputera, mogłyby zostać deszyfrowane z ogromną łatwością na komputerach kwantowych. Oznacza to, że jeden komputer, prawdopodobnie byłby w stanie sparaliżować nawet całe miasto. Pomimo obaw, wprowadzenie komputerów kwantowych na rynek, wydaje się być nieuniknione, ze względu na ich możliwości obliczeniowe. 


[1] https://pl.wikipedia.org/wiki/Architektura_high-tech

[2] IoT – ang. Internet of Things, Internet rzeczy, czyli metoda łączenia ze sobą przedmiotów, systemów i elementów budynku, a następnie komunikowania się z dowolnymi systemami zewnętrznymi, w celu rozwiązywania problemów mieszkańców i poprawiania jakości ich życia.

[3] https://pl.wikipedia.org/wiki/Inteligentne_miasto

[4] Technokratyzm – koncepcja, według której wraz z rozwojem technologicznym powstaje nowa władza ekonomiczna, o decydującym wpływie wysoko wykwalifikowanych specjalistów (socjologów, menadżerów, ekonomistów, techników, itp.)

[5] https://pl.wikipedia.org/wiki/KNX

[6] https://pl.wikipedia.org/wiki/Rzeczywisto%C5%9B%C4%87_wirtualna

[7] https://pl.wikipedia.org/wiki/Rzeczywisto%C5%9B%C4%87_rozszerzona

[8] https://pl.wikipedia.org/wiki/Kubit

[9] Bramki logiczne – wykonują podstawowe obliczenia z użyciem algorytmów kwantowych. Niezależnie od typu są tablicowymi zbiorami kubitów

Tomasz Bijok

architekt, programista, fotograf, przedsiębiorca

Jako architekt komputacyjny skupiam się na poprawie komfortu użytkownika w budynku, przy użyciu nowych technologii. Blog jest miejscem, w którym dzieję się z Tobą tym, co sam odkrywam.

Dla mnie to również nowa droga, przejdźmy ją wspólnie.

Polecane

Dobre praktyki w projektowaniu biur

Dobre praktyki w projektowaniu biur

W przeciągu ostatnich 20 lat, biura diametralnie zmieniły rolę, którą odgrywały. Zmieniający się model pracy, cyfryzacji i rosnący wykładnikowo...