معماری رایانه‌ای

هنوز بسیاری از معماران برای طراحی ساختمان و فضای داخلی آن کار را با ترسیم پیش طرح‌هایی بر پشت خرده کاغذها آغاز می‌کنند. ایشان و کارفرمایان، طراحی‌های تکمیل شده را بر اساس نقشه‌های دستی یا مدل‌های پرزحمت مینیاتوری ارزیابی می‌کنند. بسیاری از سیستم‌های طراحی کامپیوتری (CAD) مورد استفاده‌ی معماران، درواقع صرفاً تسهیلاتی کامپیوتری برای کار طراحی دستی به شمار می‌روند. با این سیستم‌ها، تولید نقشه‌های اجرایی جنبه‌ی خودکار می‌یابد، اما آثار مشهودی مانند رنگ یا هاشور، سایه، بافت، و حرکت که برای ارزیابی یک فضای معماری لازم‌اند، فراهم نمی‌شود.
اما تکنیک‌های گرافیکی پیش‌رفته و نرم‌افزارهای جدید رفته رفته به بخش خلاقه‌ی معماری نیز راه می‌گشایند. این برنامه‌ها طراح را از نقشه‌کشی کارفرسا آزاد می‌کنند و به او امکان می‌دهند که در آزمودن اندیشه‌های جدید به پویش‌های تازه‌ای آن هم نه در دو بعد که در سه بعد بپردازد. معماران می‌توانند تمامی فرایند مقدماتی طراحی، مانند تهیه‌ی پیش طرح و جستجوی جای‌گزینی‌های زیبایی شناختی تا پالایش طراحی‌ها و ایجاد تصورات واقعی به منظور تجزیه و تحلیل را با فراغت خاطر طی کنند.
این‌گونه برنامه‌های پیچیده‌ی گرافیکی اینک در آزمایشگاه‌های پژوهشی و در فرایند طراحی معماری به کار می‌روند. کار طراحی جنبه‌ی تکراری دارد. معماران در حین حک و اصلاح طراحی‌ها اگر به مانعی برخورند مجبورند به مرحله‌‌ی پیشین برگردند و درباره‌ی تصمیم‌های آغازین بازاندیشی کنند. در هر مرحله‌ای، شیوه‌ی ارتباط فرق‌های ظریفی پیدا می‌کند. فرایند اولیه با خط خطی کردن بر کاغذ شفاف یا ترسیم پیش طرح‌هایی مثلاً بر پشت پاکت آغاز می‌شود. در مرحله‌های بعدی، جزئیات و حک و اصلاحات بیش‌تری وارد می‌شود و محدوده‌ها و ابعاد مشخص می‌شوند. مداد جای خود را به قلم می‌دهد. جزئیات استانداردی چون پنجره‌ها، درها، و مقاطع دیوارها در نقشه‌ها گنجانده می‌شوند.
در مرحله‌ی مقدماتی طراحی، تأکید اصلی بر اندازه و مقیاس ساختمان و رابطه‌ی آن با ساخته‌های مجاور است و برای تعیین شکل کلی و کمپوزیسیون یا ترکیب ساخته‌ها، و تأمین نیازهای برنامه‌ریزی شده، مانند سطح زیربنای بخش‌های مختلف ساختمان، مطالعاتی انجام می‌گیرد. مرحله‌ی بعد، یعنی مرحله‌ی بسط طراحی، شامل حک و اصلاح نقشه‌ها، نماها، و مقطع‌ها، الگوهای رفت و آمد، مشخص شدن فضاهای خصوصی و عمومی، و آرایه‌ی اتاق‌هاست. در مرحله‌ی نقشه‌کشی اجرایی (که در حال حاضر پرخرج‌ترین و وقت‌گیرترین مرحله است) یک سلسله نقشه‌های تفصیلی تهیه می‌شود که در آن‌ها ابعاد دقیق و مشخصات مادی آمده است و به کمک آن‌ها می‌توان ساختمان را ساخت. این نقشه‌ها با مقتضیات مالی و نظام‌نامه‌های ساختمانی سازگارند و معماران در صورت بروز اختلاف در تعبیر و تفسیر قراردادها به آن‌ها استناد می‌کنند.
برنامه‌های موجود که هدف آن‌ها تهیه‌ی نقشه‌های اجرایی است هنوز در حدی نیستند که تکرار طراحی را منتفی کنند. در این برنامه‌ها برای رسامی، به اطلاعات بسیار و دقت‌های عدیده نیاز است. وانگهی، نرم‌افزار نقشه‌کشی مقدماتی معمولاً برای تولید مرغوبی که مناسب انتقال احساس در مورد فضاهای ساختمان باشد طراحی نمی‌شود. از گذشته تاکنون این کار به کمک مدل‌های کوچکی انجام می‌شده که ساخت آن‌ها بسیار پرزحمت است. این مدل‌ها گران تمام می‌شوند و بلاتغییرند و معمولاً فقط از چشم یک پرنده می‌توان به ساختمان یا فضای داخلی آن‌ها نگاه کرد. مدل‌ها مسلماً به معمار یا کارفرما حس واقعی درباره‌ی پرسپکتیو، رنگ‌ها، بافت‌ها، و سایه‌ها نمی‌دهند. حس واقعی هنگامی حاصل می‌شود که کسی در داخل ساختمان نهایی راه برود.
اما این کار فقط با گرافیک کامپیوتری شدنی است. پیش‌رفت‌های خارق‌العاده‌ی دهه‌های اخیر در زمینه‌ی نرم‌افزار و سخت‌افزار این امکان را پدید آورده است که بتوان تصویرهایی تمام رنگی از صحنه‌های پیچیده تولید کرد آن هم با چنان سرعتی که حرکت را بتوان مجسم نمود. این‌گونه نرم‌افزار مدل‌سازی می‌تواند محیط‌های پیچیده‌ای را که در آن‌ها مصالح خاصی با رنگ‌ها و بافت‌های خاص به کار رفته است (مانند سیمان، فولاد، شیشه، و پارچه) به صورت واقعی به تصویر درآورد. الگوریتم‌های تصویرسازی اینک در حدی از پیشرفت‌اند که حتی تصورات ظریف سایه و روشن را نیز مدل‌سازی می‌کنند. وجود کارگاه‌های مجهز به این الگوریتم‌ها به معماران امکان می‌دهد که نتیجه‌ی تصمیم‌هایشان در طراحی را بلافاصله به چشم ببینند و به نحو مؤثری در طراحی‌هایشان بازبینی کنند.
فرایند ایجاد تصویر از صحنه‌ها پنج مرحله دارد. ابتدا معمار باید اشیای درون صحنه، شکل آن‌ها، جای آن‌ها، جهت استقرار آن‌ها، و جنس و پرداخت‌های سطح آن‌ها را مشخص کند. مرحله‌ی دوم عبارت است از انتخاب نقطه‌ی دید، که این شبیه استقرار دوربین و انتخاب و نصب عدسی‌هاست. کامپیوتر این داده‌ها را می‌گیرد و تصویری پرسپکتیوی خلق می‌کند.
مرحله‌ی سوم تعیین سطوحی است که ناظر قادر به دیدن آن‌هاست. در جهان واقع، قوانین فیزیکی همه‌ چیز را تعیین می‌کنند، اما در صحنه‌های کامپیوتری باید محاسبه‌های وقت‌گیری برای حل مسأله‌ی «سطوح نهفته» انجام گیرد. همه‌ی اشیای درون صحنه را باید بازبینی کرد تا دید که آیا روی هم افتادگی دارند یا نه. در صورتی که روی هم افتادگی داشته باشند فقط شیئی را که به ناظر نزدیک‌تر است باید نمایش داد.
مرحله‌ی چهارم شبیه‌ سازی روشنایی است. نور وارده بر هر سطحی (نور برخوردی) در صحنه، درواقع ترکیبی است از نوری که مستقیماً از سرچشمه‌ها می‌آید (که موقعیت آن‌ها همراه با موقعیت سایر اشیای درون صحته تعیین شده است) و نوری که از سایر سطوح منعکس می‌شود (نور غیرمستقیم). ضمناً، شدت نوری که به ناظر می‌رسد، هم به نور وارده (برخوردی) بستگی دارد و هم به کیفیت بازتابی تک تک سطوح. برای ساده‌ سازیِ فرایند ارائه‌ی تصویر، در بسیاری از سیستم‌ها فقط نوردهی یا نورانی بودن مستقیم سطوح را محاسبه می‌کنند.
آخرین مرحله، نمایش است. در نرم‌ افزار ارائه‌ی تصویر، باید مقدار نوری که از صحنه‌ی واقعی به چشم ناظر می‌رسد محاسبه شود و تصویری پدید آید که همان اثر بصری را بگذارد. رنگ‌ها و شدت‌هایی که در نرم‌افزار انتخاب می‌شوند ممکن است بسته به این که تصویر بر پرده نمایش داده شود یا روی کاغذ چاپ شود یا به صورت اسلاید رنگی درآید متفاوت باشند.
در کارگاه‌های مدرن و کارامد گرافیک، سخت افزار مخصوص مستقیماً تبدیلات پرسپکتیوی، تعیین سطوح مرئی، و «روتین»های نمایش را به اجرا در می‌آورد. این سخت افزار می‌تواند الگوریتم‌های مورد نیاز برای مدل سازی نورانی بودن ساده‌ی مستقیم را نیز به اجرا درآورد. در این کارگاه‌ها محاسبه‌های گرافیک با سرعت کافی انجام می‌گیرد و معماران می‌توانند طراحی‌های خود را مدل سازی و در مراحل اولیه به راحتی ارزیابی کنند.
با این حال، کیفیت تصاویر بیش‌تر کارگاه‌ها ضعیف است. هر کس که این تصاویر را ببیند فوراً تشخیص می‌دهد که کامپیوتری‌اند زیرا فاقد آثار انعکاس متقابل اشیا هستند. در نتیجه، این تصاویر در درجه‌ی اول به کار مدل سازی اولیه می‌آیند. برای ارزیابی طراحی، به تصاویری به مراتب واقعی‌تر نیاز است که توسط نرم‌افزار پیچیده‌تری تولید شود. وانگهی، این تصاویر باید با توالی سریعی به نمایش درآیند تا تصور حرکت به وجود آید.
پژوهشگران گرافیک کامپیوتری در زمینه‌ی مسأله‌ی روشنایی تلاش فراوان کرده‌اند. آثار روشنایی و بازتاب در صحنه‌های واقعی بسیار پیچیده و ظریف است. مدل سازی روشنایی غیر مستقیم به خصوص بسیار دشوار است. می‌توان معادله‌هایی نوشت که با دقت این نورانی بودن را شبیه سازی کنند، اما این کار مستلزم صرف وقت بسیار است.
دو روش کوتاه‌تر در گرافیک کامپیوتری رواج یافته که یکی ردگیری نوری و دیگری رادیوسیته است. این تکنیک‌ها نشان دهنده‌ی دو طرز برخورد تقریباً متضاد با مسأله‌ی ایجاد تصویرند. روش ردگیری نوری فقط با نوری که به چشم ناظر می‌رسد سروکار دارد و برای محیط‌هایی که سطوح عمدتاً بازتابی دارند مناسب است. روش رادیوسیته در مقابل، توزیع انرژی نوری را در سراسر صحنه تعیین می‌کند و برای محیط‌هایی که عمدتاً شامل سطوح مات هستند مناسب است.
در ردگیری نوری، تصاویر بسیار واقعی ایجاد می‌شود و از آن می‌توان در نمایش‌های معمارانه استفاده کرد، اما ارزش آن برای ارزیابی طراحی محدود است. این روش وابسته به دید است و از این رو، سراسر محاسبه را برای هر منظر جدیدی باید تکرار کرد. الگوریتم‌های ردگیری نوری آهسته عمل می‌کنند و نمی‌توانند توالی دینامیکی به بار آورند که به معمار یا کارفرما نشان دهد که عبور کردن از فضای مورد نظر به چه گونه‌ای خواهد بود.
روش رادیوسیته که در سال 1984 میلادی در دانشگاه کورنل ابداع شد مستقل از دید است و محاسبه‌های آن برای هر صحنه فقط یک بار انجام می‌شود. وقتی نوردهی یا نورانی بودن کلی تعیین شد به راحتی می‌توان یک سلسله تصاویر از منظره‌های مختلف پدید آورد. درواقع، الگوریتم می‌تواند تصاویری ایجاد کند که برای پیدایش تصور حرکت، سرعت کافی دارند.
ردگیری نوری، قوانین انتشار نور را معکوس می‌کند. در جهان واقع، پرتوهای نور در هر صحنه‌ای از سرچشمه‌ی نور به اطراف منتشر می‌شوند و از سطوح درون صحنه بازتاب می‌یابند: نهایتاً بخش کوچکی از همه‌ی پرتوهای نور به چشم ناظر می‌رسد. الگوریتم‌های ردگیری نوری، برعکس، مسیر پرتوهای نور را از مقصد یعنی از چشم ناظر تا صحنه و سطوح و سرچشمه‌های نور دنبال می‌کنند.
رایج‌ترین روش برای مدل سازی نوردهی کلی، با استفاده از ردگیری نوری توسط ترنر و یتد از آزمایشگاه‌های بل در سال 1979 ابداع شد. در این روش، مسیر یک پرتو واحد از چشم تا به هر نقطه‌ای در صفحه‌ی تصویر (مثلاً هر نقطه‌ی مفروضی بر پرده‌ی کارگاه) و تا محیط کلی ردگیری می‌شود. هرگاه پرتو به سطحی برخورد کند، پرتوهای بازتابی یا شکسته پدید می‌آید که این‌ها نیز به نوبه‌ی خود ردیابی می‌شوند تا سطوحی که با آن‌ها تقاطع می‌یابد معلوم گردد. شدت نهایی هر نقطه‌ی مفروض، از جمع نورهای متشکل از پرتوهای بازتابی یا شکسته به دست می‌آید.
در رادیوسیته، به منظور تعیین دقیق شدت نور برای هر سطحی در صحنه (که از گسیلنده‌ها و بازتابنده‌های ایده‌آل تشکیل می‌شود) از بقای انرژی استفاده می‌شود. می‌توان معادله‌ای نوشت که رادیوسیته‌ی هر سطحی را در صحنه معین کند (یعنی شدت نور خارج شونده از سطح را تعیین کند) که این تابعی از رادیوسیته‌ی تمام سطوح دیگر است. رادیوسیته‌ی هر شیئ به دو عامل بستگی دارد: گسیل (چنان که شیئ یک سرچشمه‌ی نور به شمار آید) و بازتاب نور برخوردی. این نور برخوردی خود به گسیل همه‌ی سرچشمه های نور در محیط و بازتاب‌های همه‌ی سطوح دیگر بستگی دارد.
مقادیر رادیوسیته‌ی همه‌ی سطوح در این حالت به صورت ماتریسی از معادله‌های هم‌زمان بیان می‌شود که با حل آن‌ها مقادیر نوردهی هر قسمتی از صحنه به دست می‌آید. در حال حاضر، محاسبه فقط برای محیط‌های پخش، قابل تعقیب است. الگوهای بغرنج گسیل یا بازتاب، حل سریع معادله‌ها را بسیار مشکل می‌کند. رادیوسیته نه فقط سریع است (بعد از انجام محاسبه‌های اولیه)، بلکه بسیار دقیق نیز هست. با آن می‌توان پدیده‌هایی چون «آغشتگی رنگ» را باز نمود. در این پدیده، مثلاً بازتاب های یک سطح قرمز ممکن است یک سطح سفید را در مجاورت خود صورتی بنمایاند. پدیده‌های دیگری چون تغییرات سایه‌ها در قسمتهای تیره، و ایجاد لبه‌های سایه دار در اثر بسط سرچشمه‌های نور، مانند روشنایی آسمان یا اشیای ثابت فلوئورسان، نیز در رادیوسیته امکان پذیر است.
سیستم‌های طراحی کامپیوتری (CAD) اینک انواع تصاویر مورد نیاز معماران را تولید می‌کنند. مهم‌ترین مسأله‌ای که باید حل کرد، مسأله‌ی نرم‌افزاری است که مدل‌سازی را برای معماران تسهیل می‌کند. پژوهشگران اینک سرگرم انواع عملیات مورد نیاز برای طراحی یک ساختمان‌اند – مانند ایجاد شکل کلی، مشخص کردن جنس سطوح، و متصل کردن اشیا به صورت مواد مرکب بدون درز. البته پیش طرح‌های اولیه برای طراحی را همواره می‌توان روی کاغذ کشید، اما در آینده شاهد برنامه‌هایی خواهیم بود که هم یادگیری‌شان ساده باشد و هم کاربردشان، و هم آن‌چنان قدرتمند باشند که با آن‌ها بتوان ساختمان‌ها را با کوچک‌ترین جزئیاتشان طراحی کرد و نیز تصاویر جان‌دار و واقعی پدید آورد. با این ترتیب، معماران و کارفرمایان با استفاده از الکوریتم‌ها و مدل سازی پیش‌رفته، می‌توانند قبل از بنا شدن ساختمان، در آن راه بروند.