MODELLI VIRTUALI PER LA DIDATTICA DELLA
TECNOLOGIA DELL'ARCHITETTURA
Carlo Sanseverino (Dipartimento di Configurazione ed Attuazione
dell'Architettura, Facolta' di Architettura, Universita' di Napoli 'Federico II')
Carlo Sanseverino (1966) architetto, e' dottorando di ricerca in Tecnologia
dell'Architettura presso la facolta' di Architettura di Napoli, con una tesi sulle
tecnologie informatiche per la didattica e la formazione.
E' rintracciabile al Dipartimento di Configurazione ed Attuazione della
Architettura, Via Tarsia, 31, 80135 Napoli, tel. 081-5513535 o via E-mail a
sansever@INACRIAI.CRIAI.IT, per scambio di materiale o esperienze.
- RIASSUNTO:
- Il ricorso a simulacri o a modelli fisici a fini di
ricerca o di didattica e' pratica usuale, anche se tali strumenti sono
afflitti da alcuni difetti intrinseci alla loro natura, come il costo elevato,
la specificita' di alcune lavorazioni (che comportano l'acquisizione di
manodopera specializzata) o la non corrispondenza di alcune leggi
fisiche.
A modificare sostanzialmente il mondo della modellistica , o piu' in
generale quello della simulazione, hanno profondamente contribuito le
tecnologie informatiche che, grazie ad alcuni software specifici,
riescono a ricostruire virtualmente alcune configurazioni spaziali in
varie scale, dotate o meno di componenti dinamiche.
Questi oggetti virtuali possono essere costruiti, modificati ed
analizzati dagli studenti in modo assolutamente nuovo, stimolando la
loro fantasia e migliorando notevolmente la qualita' dell'informazione.
In questa direzione si sta effettuando una esperienza didattica nella
quale alcuni studenti (1) della Facolta' di Architettura di Napoli stanno
realizzando 'virtualmente' alcuni componenti strutturali di opere
architettoniche tecnologicamente interessanti.
- ABSTRACT:
- The advanced information technologies have been
contributing through specific software tools to modifying and improve
the modelling world, by virtually reconstructing on different scales
some space patterns, provided or not with dynamic components.
These virtual objects enable students to make use of new study
methods, by stimulating their own fantasy and improving the
information quality. The following paper shows a didactic experience
on virtual architectural objects held by a group of students of the
Faculty of Architecture, University of Naples.
I modelli fisici
Il modello fisico e' in molti casi uno strumento indispensabile di studio e
sperimentazione che rappresenta, simula, riproduce alcuni comportamenti di
un sistema.
Il modello, in senso piu' generale possibile, e' un '...dispositivo fisico o
simbolico, le cui leggi di funzionamento descrivono la struttura interna di un
sistema da studiare'.[Voce modello Enciclopedia Einaudi]
Se ne preferisce la costruzione per ragioni di economia o di comodita' di
indagine o infine perche' l'oggetto reale non esiste ancora, anzi verra' creato
in forma definitiva in base ai risultati delle prove sul modello ricavato dal
progetto.
In genere i modelli fisici hanno lo scopo di verificare alcuni aspetti del
progetto attraverso la semplice osservazione (modelli fisici statici) o
utilizzando alcuni macchinari per la generazione di particolari condizioni
ambientali (modelli fisici dinamici).
I primi sono quelli che ci vengono in mente quando si parla di modelli, e
vengono utilizzati per scopi promozionali o didattici, e rappresentano, in varie
scale, le piu' svariate realta': si passa infatti dai mezzi di locomozione (treni,
aerei, navi) alle molecole, dalle ricostruzioni di citta' ai simulacri promozionali
delle autovetture
In alcune discipline questo tipo di modelli vengono spesso utilizzati per
valutare alcune soluzioni formali-compositive, come, per esempio, in
architettura o nel design.
I secondi nascono invece con la specifica funzione di essere banco di
prova per nuove soluzioni sperimentabili attraverso l'applicazione di
componenti dinamiche che fanno interagire il modello con l'ambiente nel
quale e' immerso.
In questa categoria ricadono, per esempio, i modelli utilizzati per le prove
nella galleria del vento o i modelli idraulici, questi ultimi utilizzati per studiare e
determinare gli effetti incogniti sulle onde e sulle correnti modificando tratti di
costa o corsi d'acqua.
Limiti di utilizzo dei modelli fisici.
I modelli fisici, per quanto estremamente affascinanti, possiedono alcuni
limiti intrinseci alla loro natura, ed il cui superamento non e' sempre agevole,
o in alcuni casi addirittura impossibile.
Possiamo elencare rapidamente queste limitazioni:
1) La qualita' del modello e' legata alla scala.
Se il rapporto tra dimensione reale e modello fisico e' particolarmente piccolo
alcuni particolari devono ovviamente essere tralasciati. Nel caso in cui si
vogliano rappresentare alcune caratteristiche visibili solo ad una scala
maggiore e' necessario realizzare altri modelli in scale via via crescenti.
2) Il modello fisico ha un ristretto margine di modifica.
I modelli fisici sono solitamente realizzati assemblando, incollando o
chiodando parti e pezzi preventivamente modellati.
Ogni modifica richiede lo smontaggio della parte in questione, la sua modifica
ed infine il rimontaggio, con un notevole onere di lavoro manuale.
3) I modelli fisici dinamici non si comportano quasi mai in modo coerente con
il progetto che rappresentano.
I modelli dinamici, per quanto realizzati con precisione, risentono fortemente
di una serie di approssimazioni che non possono essere trascurate.
Una di queste e', per esempio, l'attrito:se volessimo provare effettivamente la
resistenza aereodinamica assoluta di un modello in scala 1/10 utilizzando una
galleria del vento dovremmo aumentare proporzionalmente la densita' dell'aria
in modo da recuperare la differenza di attrito tra il modello in scala e l'oggetto
reale.
4) La realizzazione di alcuni modelli fisici richiede una notevole capacita'
manuale ed un laboratorio particolarmente attrezzato.
La qualita' di realizzazione del modello e' strettamente legata alle capacita'
manuali del realizzatore ed agli strumenti che egli ha a disposizione.
Tale binomio non si realizza molto spesso, se non in quelle strutture
(industrie o enti di ricerca) che hanno uno specifico laboratorio in cui lavora
un numeroso staff di operatori con competenze piu' diverse (falegnami,
pittori, grafici, fotografi, meccanici...).
Utilizzo dei modelli in architettura
In architettura il modello ha sempre avuto un ruolo particolarmente
importante, fornendo al progettista preziose informazioni durante le fasi di
studio e progetto dell'opera.
Notevole, quindi, l'attenzione che sin dal passato molti architetti hanno
rivolto a tale strumento.
Scriveva L.B.Alberti in De Re Aedificatoria che e' necessario che '...si
facciano altresi' dei modelli in scala dell'opera, sulla base dei quali e'
consigliabile riesaminare ogni parte dell'edificio da costruirsi due, tre,
quattro, sette, dieci volte, riprendendo l'esame a volta a volta dopo
intervalli di tempo, finche' l'intera opera, dalla zona piu' bassa alla piu'
alta tegola, non rimanga particolar, riposto o scoperto, grande o
piccolo, che non sia stato da noi lungamente ed intensamente soppesato
e stabilito, e non sia stato deciso, con quali caratteristiche, in quale
posizione, e in che ordine sia decoroso disporlo[...]Per mezzo dei
modelli, dunque, si dovranno progettare gli edifici' [L.B.Alberti, De Re
Aedificatoria, libro IX, cap. VIII].
Ma non e' solo alla pratica della architettura che il modello viene in aiuto.
Infatti il modello e' indispensabile anche per la didattica dell'architettura,
poiche' consente allo studente di osservare, in un quadro di insieme
difficilmente ottenibile attraverso supporti di tipo grafico (disegni o
fotografie), l'oggetto di studio.
Purtroppo l'utilizzo dei modelli (sempre intesi come plastici o simulacri)
come strumenti didattici e' poco diffuso nelle strutture preposte alla
formazione, a causa di una serie di problemi legati alla natura stessa del
modello fisico.
Infatti, come accennato nelle pagine precedenti, i problemi che affliggono i
modelli fisici sono numerosi.
A questi si aggiungono due ulteriori aspetti che ne limitano ulteriormente le
possibilita' di utilizzo come strumenti didattici.
Il primo aspetto riguarda il numero di modelli necessari a ciascuna
disciplina. Esami come storia dell'architettura richiedono, in genere, lo studio
di numerose opere di architetti piu' o meno noti; questa condizione porterebbe
a privilegiare alcune opere rispetto ad altre, perche', ovviamente, non tutte
potrebbero essere realizzate come modello in scala.
Il secondo aspetto e' legato alla difficolta' di conservare, trasportare e
manutenere un 'parco modelli' particolarmente vasto.
In altre parole grandi spazi per l'immagazinamento e personale aggiuntivo
per la gestione e la manutenzione, a parte la scarsa flessibilita' di una siffatta
struttura.
Il grande cambiamento: le tecnologie informatiche
Abbiamo cercato di esporre nelle pagine precedenti alcune riflessioni
riguardanti la necessita' di costruire modelli fisici, consapevoli della loro utilita'
sia per la ricerca scientifica che per la didattica.
Tuttavia i numerosi problemi legati all'uso dei modelli fisici ne hanno
sempre limitato notevolmente il campo di applicazione, ad eccezione di quesi
casi che, per assoluta necessita' o particolari situazioni favorevoli, sono stati
invece realizzati.
Da qualche decennio, pero', si sono diffuse alcune piu' velocemente
alcune tecnologie che hanno modificato profondamente il quadro di
riferimento generale nel quale sia la ricerca scientifica che la didattica si sono
finora mosse.
Nello specifico le tecnologie informatiche hanno cambiato notevolmente il
modo di lavorare e fare ricerca in quelle discipline in cui le parole come
rappresentazione, modello e simulazione sono particolarmente frequenti.
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I modelli virtuali per la didattica
Anche l'architettura (sia la ricerca che la didattica) non e' rimasta immune
da questi cambiamenti, con esperienze e ricerche di varia natura.
Particolare attenzione e' stata prestata nel settore della rappresentazione,
con la nascita e lo sviluppo di specifici software per il disegno architettonico.
A tali programmi si sono via via affiancati alcuni moduli sempre piu'
sofisticati che consentono la realizzazione di immagini fotorealistiche e la
produzione di oggetti particolarmente complessi.
Questi programmi sono solitamente chiamati 'modellatori solidi' e
rappresentano in modo estremamente evidente il processo di trasformazione
che ha subito il software negli ultimi anni.
Infatti attraverso interfacce grafiche user-friendly e strumenti di controllo
semplici ma molto potenti (estrusione, operatori booleani, curve di Bezier) e'
possibile realizzare oggetti tridimensionali complessi ed curati fin nei minimi
particolari e collocati in uno spazio virtuale che puo' essere esplorato con
tecnologie immersive o non.
Ma tralasciando il fascino che questa tecnologia suscita in chiunque la
osserva dall'esterno, e' indubbia la grande utilita' che possiedono i software
dedicati alla modellazione solida di oggetti virtuali.
Infatti piu' dei software indirizzati al disegno architettonico assistito, che
consentono la costruzione di elaborati grafici partendo da una libreria di
simboli e oggetti di arredo, i programmi per la modellazione solida consentono
agli studenti di realizzare un gran numero di oggetti controllando in modo
pressocche' totale, a tutte le fasi di 'creazione' e 'manipolazione' dell'oggetto
virtuale.
L'idea che sta alla base di un siffatto sistema e' quella di costruire un
ambiente di lavoro in cui sono presenti diversi utensili ed attrezzi che,
opportunamente utilizzati, consentono di tagliare, fresare, tornire o estrudere
figure ed oggetti elementari.
Ma, come in piu' di una occasione e' stato dimostrato, il mondo del virtuale
non si ferma nella semplice riproduzione della realta', ma, quasi sempre, la
supera in possibilita' operative.
E cosi' in questi laboratori di costruzione virtuali possono essere effettuate
operazioni che non hanno nulla a che vedere con i vincoli e le leggi dettate
dalla materia.
Gli oggetti possono essere allungati, piegati, tagliati, svuotati con modalita'
assolutamente arbitrarie e che, con le reali prassi lavorative, non hanno
assolutamente niente a che vedere.
Ma quali vantaggi si possono ottenere sotto al profilo didattico utilizzando
questo ambiente di costruzione virtuale?
L'innovazione di questo approccio risiede nel fatto che quando decidiamo
di costruire, attraverso lo strumento informatico, un oggetto, un edificio o una
scena urbana, siamo obbligati a farlo non piu' disegnandolo geometricamente,
ma costruendolo effettivamente in un ambiente virtuale.
Questo significa che non basta piu' disegnare le viste caratteristiche di un
oggetto, (pianta, prospetto, sezioni), ma e' necessario costruirlo
tridimensionalmente, consapevoli dei volumi e delle forme caratteristiche
dell'oggetto studiato.
L'oggetto, quindi, viene costruito per aggiunte o sottrazioni successive di
altri oggetti realizzati attraverso strumenti i cui parametri di controllo non
hanno analoghi nella realta' (aumento o riduzione in scala di una figura
estrusa lungo una curva, spostamento dei vertici di una figura durante la
rivoluzione sul proprio asse, ecc..)
I numerosi tools messi a disposizione dell'utente consentono inoltre di
raggiungere le stesse forme seguendo percorsi alternativi, lasciando quindi
allo studente una grande autonomia di scelta per la realizzazione del risultato
voluto.
Il disegno su una piattaforma informatica non diventa piu' una
ricostruzione grafica bidimensionale che cerca, attraverso l'illusione della
prospettiva, la profondita' della terza dimensione. Il risultato e' un oggetto
tridimensionale, scolpito, estruso e modellato come se fosse di polistirolo o di
legno, ma senza la minima preoccupazione per lo studente di rovinare il
proprio lavoro con una mossa maldestra o possedere capacita' manuali a
livello artigianale.
Inoltre l'ambiente di lavoro virtuale libera definitivamente da tutti i
problemi relativi alla scala della rappresentazione ed alla conseguente perdita
di particolari nel caso di diminuzione del rapporto di rappresentazione
dell'oggetto.
Il virtuale non possiede una dimensione: tutto puo' essere esplorato alla
piccola o alla grande scala, senza perdere in dettagli o particolari. L'oggetto
rappresentato viene realizzato secondo la scala dimensionale piu' opportuna: il
componente architettonico, per esempio, puo' essere 'costruito' senza
tralasciare i piu' piccoli particolari (la filettatura di un bullone o un cuscinetto
a sfera) senza la necessita' di produrre, ove necessario, tavole o disegni che
evidenziano, nella scala opportuna, alcuni aspetti progettuali o dettagli
tecnologici.
Per costruire oggetti virtuali e' quindi necessario possedere un laboratorio
virtuale che, al contrario del suo analogo reale, e' piu' economico, piu' sicuro,
piu' pratico, piu' flessibile, meno ingombrante e la cui efficacia, almeno sotto
l'aspetto della comunicazione e', se non superiore, almeno equivalente.
Inoltre, aspetto assolutamente innovativo, gli oggetti realizzati possono
essere esportati verso i piu' vari programmi di simulazione (calcolo strutturale,
calcolo termico, illuminotecnica,...) grazie ai quali le limitazioni di scala e le
approssimazioni nel comportamento dei materiali che affliggevano i modelli
fisici sono definitivamente risolti.
Le gallerie del vento, per esempio, possono essere sostituite da programmi
per il calcolo fluidodinamico, o le prove di rottura di provini possono essere
effettuate visualizzando anche gli stati tensionali ad esse associate.
Infine il risparmio di spazio (proprio in senso fisico) e la possibilita' di
condividere i modelli realizzati con altre strutture per la formazione
semplicemente copiandoli su supporto ottico, rendono il modello virtuale
sicuramente uno tra i veicoli didattici piu' potenti di questi anni.
Le esperienze
La sperimentazione sul campo di questa nuova tecnologia a fine didattico
e' stata una esperienza effettuata presso il Laboratorio di Configurazione ed
Attuazione dell'Architettura dell'Universita' di Napoli 'Federico II'.
L'oggetto della ricostruzione e' stato il Crystal Palace, progettato da
J.Paxton nel 1851 per l'Esposizione Universale di Londra.
Questo edificio rappresenta il primo esempio di costruzione totalmente
realizzata con componenti prefabbricati e, per l'epoca, utilizzava tecnologie di
assemblaggio e una organizzazione del cantiere all'avanguardia.
L'opera e' andata completamente distrutta in un incendio e pertanto
restano soltanto fotografie dell'epoca e disegni originali.
L'intero edificio era basato su un modulo di 42 x 42 piedi, composto da
travi nella maggior parte dei casi in ghisa, da colonne in ghisa e da un nodo
strutturale anch'esso in ghisa che connetteva le travi alle colonne.
Ciascuno di questi elementi possiede uno specifico profilo geometrico con
una serie di piccoli incastri, sporgenze e rientranze necessarie per incastrare
l'uno nell'altro i diversi elementi.
Inoltre tutti i pezzi sono a spessore ed a geometria variabile.
Dovendo trasmettere agli studenti queste informazioni, abbiamo deciso di
cominciare a 'costruire' con un software per la modellazione solida gli
elementi che componevano il modulo, coinvolgendo gli studenti in questa
operazione.
Partendo dai disegni, dalle fotografie e da stampe gli studenti si sono
cimentati in una opera di ricostruzione nella quale hanno dimostrato di
possedere un notevole feeling con gli strumenti messi a disposizione dal
programma di modellazione solida.
L'aspetto piu' importante ed evidente di tutta l'esperienza e' stato il fatto
che attraverso la costruzione di modelli virtuali gli studenti sono obbligati ad
interpretare il materiale iconografico messo a loro disposizione in modo
approfondito. Infatti se avessero dovuto presentare alcune tavole sul modulo
del Crystal Palace si sarebbero limitati semplicemente a ricopiare
pedissequamente i disegni dell'epoca in loro possesso, senza porsi i quesiti
relativi a forma, dimensioni e tecniche di montaggio che invece un modello
tridimensionale impone.
Tale materiale, inoltre, potrebbe essere utilizzato non soltanto per la
produzione di un filmato di sintesi che mostri le fasi della costruzione, ma
attraverso una piattaforma di Realta' Virtuale, importato in un ambiente
esplorabile attraverso tecnologie immersive.
Foto 1 - Il nodo di connessione tra trave e pilastro del Crystal
Palace (1851).
I risultati, per il momento, sono stati piu' che soddisfacenti ed hanno
dimostrato che attraverso queste tecnologie e' possibile stimolare fortemente
le capacita' creative e di apprendimento degli studenti (vedi foto 1,2,3,).
Foto 2 - La connessione tra nodo strutturale e trave nella parte
inferiore, realizzato incastrando alcuni blocchetti di legno di quercia
o di ghisa in appositi incastri.
Il virtuale, dunque, si propone sempre piu' come strumento indispensabile
per una didattica moderna e proiettata verso il futuro, ma soprattutto come un
potente strumento per la condivisione e la trasmissione del sapere.
(1) Gli studenti che hanno partecipato attivamente e con costanza a
questo lavoro sono Rino Macolino, Vincenzo Ferrara e Giuseppe Pascarella.
Foto 3 - La connessione della trave al nodo nella parte superiore.
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