Logo Solgn
عن المؤسسة اتصل بنا
 
 
 
 
 
 
HyperLink يوليو - أغسطس1996 / المجلد 12 HyperLink

  New Page 1

 

الحواسيب والعمارة

تسمح خوارزميات متقدمة لنمذجة وأداء (استعادة) الرسوم للمصمِّمين المعماريين وزبائنهم

 بـ "التجوال" داخل المباني وإعادة تصميمها قبل البدء بتشييدها.

< P .D. گرينبرگ>

 

تبدأ عملية التصميم المعماري بإنجاز رسوم تخطيطية بسيطة (كما يظهر في الأعلى) وتتطور خلال زيادة درجات التفاصيل لتصل إلى الرسومات التنفيذية التي يتم عن طريقها تكوين هيكل البناء (مثل مركز جامعة كورنيل للنظريات). وبوسع برامجيات ومكوِّنات مادية حاسوبية جديدة تيسير خطوات العملية كلها ما عدا الخطوات المبكرة منها.

 

مازال المعماريون عند تصميمهم لمبنى ما وتوزيعهم لفراغاته الداخلية، يعتمدون على رسومات تخطيطية sketches على أي قصاصات يجدونها وإن كانت مناديل ورقية. وهم يقيّمون التصميمات المكتملة مع زبائنهم طبقا لرسومات يدوية أو لنماذج مُصغّرة تصنع يدويا وتتطلب جهدا كبيرا لتنفيذها. إن الكثير مما يسمى أنظمة التصميم المعتمدة على الحاسوب computer aided design systems التي يستخدمها المعماريون، ما هي في الواقع إلا أنظمة حاسوبية مساعدة لرسم المخططات. وتقوم هذه الأنظمة بأتمتة إنتاج الرسومات والمخططات التنفيذية، لكنها لا تعطي مؤشرات الإدراك الحسي ـ مثل تدرج الألوان والظلال والبِنْية الظاهرة texture والحركة الضرورية لتقييم التكوين الفراغي المعماري.

 

إن البرامجيات الجديدة والتقنيات المتقدمة لأداء واستعادة المخططات والرسومات graphics-rendering بدأت بالإسهام في الجانب الإبداعي للعمارة. وتريح هذه البرامج المصمم من الرسومات التي تتطلب جهدا شاقا وتعطي حرية أكثر لتحري أفكار جديدة ذات أبعاد ثلاثة بدلا من بعدين فقط. وهكذا يستطيع المعماريون، تدريجيا، اجتياز عملية التصميم التمهيدية برمتها ـ من تخطيطات أولية وتحرِّي بدائل جمالية وتحسين تصاميمهم وتكوين صور واقعية لتحليلها.

 

إن هذا النوع المتطور من برامج الرسومات، المستخدم حاليا في مختبرات الأبحاث وفي مناهج التصميم المعماري بجامعة كورنيل، يزوِّد المعماريين وزبائنهم بصور أكثر نفعا من النماذج والرسومات المستخدمة حاليا. تلتقط هذه الصور أدق التغيرات في الضوء والظلال، كما يمكن عرضها بتسلسل سريع لتعطي انطباعات بالحركة داخل المبنى ـ كما سيبدو بعد الانتهاء من تشييده، مما يعتبر أمرا حاسما لفهم مدى نجاح التصميم النهائي.

 

ويجب أن تحقق برامجيات الرسم المعماري الخصائص والمميزات الفريدة لعملية التصميم. وأهم ما في الأمر أن التصميم عملية تكرارية، فإذا واجه المعماريون عائقا أثناء العمل لتحسين تصميم ما، وجب عليهم أن يعودوا إلى مرحلة سابقة ويعيدوا النظر في قراراتهم الأولية. وخلال كل مرحلة تتغير وسيلة التعبير تغيرا دقيقا، فتبدأ العملية الأولية برسم غير مركّز على ورقة شفافة، أو حتى على ظهر مغلف بريدي، ثم تضيف المراحل التالية تفاصيل وتعديلات أكثر فأكثر مع تثبيت المساحات والأبعاد. ثم يحل قلم الحبر محل قلم الرصاص وتتم إضافة تفاصيل قياسية مثل النوافذ والأبواب ومقاطع الجدران.

 

 

تتركز المرحلة التمهيدية من التصميم على حجم ومقياس المبنى وعلى علاقاته بالمنشآت الأخرى القريبة منه. وتحدّد الدراسات الشكل والتكوين الأساسيين للمبنى. كما أنها تحقق للمصمم كل المتطلبات، مثل المساحات التي تحتاج إليها الأجزاء المختلفة للمبنى. وتأتي بعد ذلك مرحلة تطوير التصميم، وتشمل تحسين المساقط الأفقية والرأسية والمقاطع وأنماط المرور وأمكنة التجمع في الساحات الخاصة والعامة وتصميمات كل غرفة على حدة. أما مرحلة الرسومات التنفيذية، التي تعتبر حاليا الأكثر تكلفة واستغراقا للوقت، فتنتج مجموعة من الرسومات التفصيلية التي تعطي الأبعاد الحقيقية ومواصفات المواد اللازمة لإنشاء المبنى، كما تضمن التوافق مع الشروط المعيارية ومتطلبات الميزانية للمبنى، وتُسْهم أيضًا في حماية المهندس المعماري من أي سوء فهم للشروط التعاقدية.

 

إن البرامج التجارية المتاحة حاليا، الهادفة إلى إنتاج الرسومات التنفيذية بكفاءة، لا تسمح بأداء التصميم التكراري نظرا لتشددها. فهذه البرامج تتطلب معلومات كثيرة مقدمة بدقة لا تمكّن المصمم من استعمالها في مرحلة الرسم غير الدقيق. إضافة إلى ذلك فإن برامجيات الرسم التمهيدي drafting بصفة عامة ليست مصممة لأداء واستعادة الرسومات المعمارية العالية الجودة والمناسبة لإعطاء الإحساس بالفراغات المعمارية للمبنى.

 

اقتصرت هذه المهمة تاريخيا على نماذج مجسمة مُصغّرة ومرهقة في إنشائها. ومثل هذه النماذج مكلفة ولا يمكن تطويعها ولا تعطي عموما سوى رؤية ضيقة للبناء ولما بداخله. وهي بالتأكيد لا يمكنها أن تعطي المعماري أو الزبون شعورا حقيقيا بالمنظور والألوان والبنية الظاهرة والظلال التي يتوقع أن يلاحظها أي شخص يتجول خلال المبنى المشيّد بشكل نهائي.

 

إن رسومات الحاسوب هي وحدها القادرة على ذلك. فالتطورات غير العادية في المكونات المادية للحواسيب وبرامجياتها التي تمت في العقد الماضي، تجعل في الإمكان توليد صور لمشاهد معقدة بكامل ألوانها وبسرعة تكفي لإعطاء الشعور بالحركة. إن برامج النمذجة modeling هذه يمكنها أن تؤدي رسومات لبيئات معقدة تحتوي على مواد معينة ذات بِنْية ظاهرة خاصة وألوان متميزة مثل الخرسانة والصلب والزجاج والأقمشة. وقد تقدمت خوارزميات تركيب الصورة image-synthesis لدرجة تسمح بنمذجة هذه التغييرات الدقيقة في الضوء والظل. إن محطات العمل workstation القوية التي أدخلت تلك الخوارزميات في برنامج عملها تُمكِّن المهندسين المعماريين من رؤية نتائج ما قرروا من تصميمات ومن تنقيح تصميماتهم بشكل تحاوري.

 

إن عملية إنتاج صورة لمنظر ما تتم في خطوات خمس. أولا، على المعماري أن يحدد محتويات المشاهد وأشكالها ومواضعها واتجاهاتها وخواص موادها وإكمالات (تشطيبات) سطوحها. أما الخطوة الثانية فهي انتقاء نقطة للمشاهدة، وهي عملية مشابهة لتحديد موضع آلة تصوير واختيار بؤرة عدستها. ويقوم الحاسوب بعد ذلك بتحويل بيانات هذه المحتويات لتكوين صورة منظورية.

 

والخطوة الثالثة هي تحديد السطوح المرئية للمشاهدين. ففي العالم الحقيقي تتكفل القوانين الفيزيائية بحل هذه المشكلة، في حين تتطلب المشاهد المولَّدة حاسوبيا حسابات تستغرق زمنا طويلا لحل المشكلة المسماة بالسطوح المخفية hiden-surfaces. ويجب اختبار جميع محتويات المشهد للكشف عن أي تداخل بينها. وفي حالة إثبات التداخل يتم عرض المحتوى الأقرب من المشاهد فقط.

 

أما الخطوة الرابعة فهي محاكاة الإضاءة (الإنارة). ويتكون الضوء الساقط على أي سطح في المشهد من الضوء الوارد مباشرة من المنابع (التي تتحدد مواقعها مع مواقع المحتويات الأخرى في المشهد) والضوء المنعكس من السطوح الأخرى (الإضاءة غير المباشرة). إضافة إلى ذلك، فإن شدة الضوء الواصلة إلى المُشاهد تعتمد على كل من الضوء الوارد وخصائص الانعكاس للسطوح الأخرى. ولتبسيط عملية استعادة المشهد فإن الكثير من المنظومات الحاسوبية تقوم فقط بحساب الإضاءة المباشرة للسطوح.

 

أما الخطوة الأخيرة فهي العرض display. إن برامجيات الأداء والاستعادة للمشهد يجب أن تحدد كمية الضوء الواصلة إلى عين المشاهد من المشهد الحقيقي، وبالتالي تنتج صورة تعطي التأثير البصري نفسه. وقد تختلف الألوان وشدتها التي اختارتها البرامجيات، ويرجع هذا الاختلاف إلى كون الصورة ستُعرض على شاشة أو ستطبع أو ستظهر على شريحة ملونة.

 

وفي محطات العمل الحديثة ذات الأداء العالي للرسومات تقوم مكونات مادية ذات أغراض خاصة بتنفيذ التحويلات المنظورية وتحديد السطوح المرئية وبرامج العرض بشكل مباشر. وهذه المكونات المادية قادرة أيضا على تنفيذ الخوارزميات المطلوبة لنمذجة إضاءة بسيطة ومباشرة. وتقوم محطات العمل بإجراء حسابات الرسومات بسرعة كافية لتمكن المعماريين من نمذجة تصميماتهم وتقييمها بسهولة في مراحل مبكرة.

 

أسلوبان لمحاكاة الضوء والتظليل

إن أسلوب تَتبّع الشعاع، لإنتاج صور حاسوبية، يرسل أشعة ضوئية تخيلية من عين المشاهد إلى المشهد المراد أداؤه (استعادته). وتعتمد شدة الضوء واللون عند كل نقطة في الصور على شدة انعكاسية السطوح التي يواجهها الشعاع أثناء مروره خلال المشهد.

تحسب خوارزمية الإشعاعية شدة الضوء لكل سطح في المشهد باعتبارها دالة لشدة الضوء في السطوح الأخرى جميعها. وبمجرد حل مجموعة المعادلات المتزامنة فإنه يمكن تأدية المشهد الحاسوبي بسرعة من أي زاوية.

وعلى الرغم من ذلك، فإن جودة الصور التي تنتجها معظم محطات العمل محدودة؛ حيث يسهل معرفة أنها صور مولَّدة حاسوبيا، لأنها لا تحتوي على تأثيرات الانعكاس المتبادل بين مكونات المشهد. ونتيجة لذلك فهي مفيدة، في المقام الأول، للنمذجة الأولية. إن عملية تقييم التصميم تتطلب صورا أكثر واقعية، تنتج باستخدام برامجيات متطورة. وفضلا عن ذلك، يجب عرض هذه الصور بتسلسل سريع لتعطي انطباعا بالحركة.

 

وقد كرّس باحثو رسومات الحاسوب جهدا كبيرا لمشكلة الإضاءة. إن تأثيرات الإضاءة والانعكاس في المَشاهد الحقيقية متناهية التعقيد والدقة. فالإضاءة غير المباشرة على الأخص صعبة النمذجة. فمن الممكن كتابة معادلات رياضياتية تحاكي بدقة تلك الإضاءة الكلية ولكن مثل هذه المعادلات تستهلك وقتا طويلا وغير معقول في المعالجة الحاسوبية.

 

وهناك طريقتان مختصرتان صارتا شائعتين لدى الجماعات المعنية برسومات الحاسوب، وهما تتبُّع (تقفِّي) الشعاع ray tracing والإشعاعية radiosity. تمثل هاتان التقنيتان مَنْحَيين شبه متعاكسين لتوليد الصورة. فتقنية تتبع الشعاع تُعنى فقط بالضوء الداخل إلى عين المشاهد وتناسب على الأخص بيئات تحتوي على سطوح عاكسة بدرجة عالية. وعلى العكس من ذلك، فإن الإشعاعية تحدد توزيع الطاقة الضوئية خلال منظر ما وهي مناسبة أكثر للبيئات التي تحتوي على سطوح كامدة matt.

 

يمكن تغيير ألوان وبنية السطوح الظاهرة خلال أداء واستعادة الصور الحاسوبية بسهولة وبسرعة (كما في هذا المتحف الافتراضي للفن الإنشائي الحديث). يستطيع المعماريون وزبائنهم تقييم خيارات مختلفة لمواد الإنشاء ولخطط التلوين بأقل التكاليف.

 

بالرغم من أن تقنية تتبع الشعاع تُنْتِج صورا مدهشة في واقعيتها ويمكن استخدامها بالتأكيد في العروض المعمارية، فإن فائدتها في تقييم التصميمات محدودة. فهذا الأسلوب يعتمد على الرؤية العينية، لذا يجب تكرار الحوسبة برمتها لكل موقع جديد للمشاهدة. وتعمل خوارزميات تتبع الشعاع ببطء شديد لتوليد تتابعات دينامية تبين للمعماري أو للزبون كيف سيبدو المنظر إذا تجول عبر فضاء ما.

 

إن أسلوب الإشعاعية الذي طُوِّر في جامعة كورنيل عام 1984، لا يرتبط بالرؤية العينية: إنه يقوم بالحسابات لمشهد معين مرة واحدة فقط. وبمجرد أن يتم تحديد الإضاءة الشاملة يكون من السهل إنتاج سلسلة متتابعة من الصور من مواقع مختلفة للمشاهدة. وبوسع هذه الخوارزمية أن تولّد بالفعل صورا بسرعة كافية للإيحاء بالحركة.

 

أما أسلوب تتبع الشعاع فيقلب قوانين انتشار الضوء المعتادة. ففي العالم الحقيقي تنتشر أشعة الضوء من كل منبع للضوء في المشهد، كما تنعكس عن سطوح ذلك المشهد، وينتهي الأمر بأن تخترق نسبة صغيرة من مجموع أشعة الضوء عين المشاهد. في حين تَتَبْع خوارزميات تَتَبُّع الشعاع مسارات أشعة الضوء العائدة من العين والمارة عبر المشهد إلى السطوح وإلى منابع الضوء التي أحدثتها.

 

وفي عام 1979، أدخل <T. ويتد>، من مختبرات بِل، الطريقة الأكثر انتشارا لنمذجة الإضاءة الكلية بتتبع مسار شعاع واحد من العين إلى البيئة المحيطة عبر كل نقطة في مسطح الصورة (مثلا، كل عنصورة pixel على شاشة محطة العمل). وكلما ارتطم هذا الشعاع بسطح ما، انبثقت عنه أشعة منعكسة أو منكسرة يمكن اقتفاؤها هي أيضا لإنشاء السطوح المتقاطعة معها. وتُحَدَّد الشدة النهائية لكل عنصورة (پيكسل) عن طريق جمع الضوء الناتج من كل شعاع منبثق.

 

 

يعتمد أسلوب الإشعاعية على نظرية مصونية الطاقة لتعيين شدة الضوء بدقة لكل سطح في مشهد مكوَّن من مُصدرات emitters وعواكس reflectors للأشعة ذات انتشار مثالي. ويمكن كتابة معادلة تحدد إشعاعية كل سطح في مشهد ما ـ أي شدة الضوء الخارج من السطح ـ كدالة لإشعاعية السطوح الأخرى كلها. وتعتمد إشعاعية جسم ما على عاملين: الإصدار (إذا كان هذا الجسم منبعًا ضوئيا) وانعكاس الضوء الوارد. ويعتمد الضوء الوارد بدوره على الإصدار من جميع مصادر الضوء في البيئة والانعكاسات من جميع السطوح الأخرى.

 

بعدها، يُعبَّر عن قيم الإشعاعية لكل السطوح في صورة مصفوفة من المعادلات المتزامنة التي يمكن حلّها لإيجاد قيم للإضاءة الخاصة بأي جزء من المشهد. وحالياً، يمكن الإسهاب في الحوسبة للبيئات الناشرة للضوء فقط. أما الأنماط المعقدة للإصدار والانعكاس فإنها تجعل معادلاتها عصية على الحل السريع.

 

جولة في كنيسة لوكوربوزييه بِرونشان

يعطي النموذج الحاسوبي انطباعا بالتجول داخل فضاء الأبنية. ويمكن لبرامجيات أداء واستعادة الصور image-rendering software المستخدمة في محطات العمل العالية الأداء المعدة للرسومات إنتاجُ مناظر views للمنشآت من أي موضع بمعدل عدة أطر (صور) frames في الثانية. إن مثل هذه الجولات خلال المبنى تفيد في تقييم المنشآت المزمع بناؤها، وفي دراسات للأبنية القائمة. وكمثال على ذلك، لا تكون الشرفة في كنيسة رونشان (في اليسار) عادة متاحة للعامة.

 

ليست الإشعاعية من الأساليب السريعة وحسب (بعد عمل الحسابات الأولية)، بل والدقيقة جدا. كما يمكنها إعادة إنتاج ظواهر مثل "تداخل الألوان" color bleeding، حيث تجعل الانعكاسات من سطح أحمر مثلا سطحا أبيض مجاورا يبدو كأنه وردي، وإظهار تنويعات دقيقة في درجات الألوان ضمن الظلال، وحواف الظل الناتجة من منابع ضوئية ممتدة مثل المَناوِرْ skylights أو الأنابيب الفلورية.

 

وحاليا تستطيع منظومات التصميم المعتمدة على الحاسوب CAD أن تنتج أنواع الصور التي يحتاج إليها المعماريون. وتبقى أهم مسألة يتعين حلها هي البرامجيات التي تيسر لهؤلاء المعماريين عمل نماذجهم. وقد توصل الباحثون الآن إلى نوعيات العمليات المطلوبة لتصميم مبنى ـ مثل إنتاج أشكال وتحديد خصائص السطوح

 

وربط الأشياء بعضها ببعض في مركَّبات غير ملحومة(1) seamless composites. وعلى الرغم من أن الرسومات التخطيطية الأولية لأي تصميم يمكن أن يستمر إنجازها على الورق، فإن العقد المقبل سيشهد برامج سهلة في تعلمها واستخدامها، وتكون إلى جانب ذلك ذات قوية بشكل كاف لعمل تصميمات كاملة للمباني بأدق تفاصيلها، وذات قدرة على إنتاج صور متحركة واقعية.

 


 المؤلف

Donald P. Greenberg

مدير برنامج رسومات الحاسوب computer graphics في جامعة كورنيل، حيث يقوم أيضا بتدريس مادة هندسة العمارة. ويطبق مع زملائه رسومات الحاسوب على مشكلات النمذجة modeling بدءا من تصميم المباني وديكورات المسارح وإضاءتها إلى محاكاة simulating قوانين الفيزياء الأساسية. وقد حصل على الدكتوراه في الهندسة الإنشائية من جامعة كورنيل عام 1968.

 


مراجع للاستزادة 

COMPUTER GRAPHICS IN ARCHITECTURE. Donald P. Greenberg in Scientiftc American, Vol. 230, No. 5, pages 98-106; May 1974.

PRINCIPLES OF INTERACTIVE COMPU'I'ER GRAPHICS. Second edition. William M. Newman and Robert F. Sproull. McGraw-Hill, 1979.

FUNDAMENTALS OF IN'IERACTNE COMPUTER GRAPHICS. James D. Foley and Andries Van Dam. Addison-Wesley, 1982.


(1) أي دون ظهور خط تلاق. (التحرير)

 

HyperLink