การลอกเลียนแบบธรรมชาติเพื่อสร้างสถาปัตยกรรมยั่งยืน

การลอกเลียนแบบธรรมชาติเพื่อสร้างสถาปัตยกรรมยั่งยืน
Biomimetics for Sustainable Architecture

อย่างที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่า Biomimetics (หรือ Biomimicry) คือ “การลอกเลียนแบบธรรมชาติ” ไม่ว่าจะเป็นลักษณะทางกายภาพหรือรูปแบบ (models) ระบบ (systems) หรือองค์ประกอบ (elements) ที่สามารถประยุกต์ใช้ได้ทุกแขนงของสาขาวิชาการออกแบบ ไม่ว่าจะเป็น การออกแบบอุตสาหกรรม การออกแบบภายใน การออกแบบสถาปัตยกรรม ตลอดจนการสร้างสภาพแวดล้อมในรูปแบบเมือง มาผนวกเข้ากับวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ทำให้มนุษย์สามารถสร้างสรรค์นวัตกรรมใหม่ ๆ มากมายเกิดขึ้นบนโลกใบนี้

ลอกเลียนแบบอวัยวะของสิ่งมีชีวิตมาผสมผสานกับเทคโนโลยี

เรื่องดังกล่าวไม่ใช่เรื่องใหม่ มีการใช้กระบวนการดังกล่าวในการออกแบบผลิตภัณฑ์ต่าง ๆ เป็นเวลาช้านานตั้งแต่อดีต วันนี้จึงจะขอพูดถึงการลอกเลียนแบบธรรมชาติในประเด็นของการสร้างสถาปัตยกรรมในลักษณะต่าง ๆ ตั้งแต่งานออกแบบภายใน งานสถาปัตยกรรม และการออกแบบสภาพแวดล้อม ภายใต้แนวคิดการพัฒนาแบบยั่งยืน (sustainable development) ที่เน้นเกี่ยวกับการศึกษาทั้ง ‘ระบบ’ ที่ธรรมชาติสร้างสรรค์ขึ้นมาประยุกต์ลงในกระบวนการออกแบบที่น่าสนใจมาให้ฟังกัน

ปีกของเครื่องร่อนยุคแรก

ก่อนอื่นต้องขอย้อนไปถึงต้นกำเนิดของผลงานออกแบบลอกเลียนธรรมชาติในอดีตชิ้นสำคัญ ที่ผสานองค์ความรู้ด้านวิทยาศาสตร์และวิศวกรรม นั่นคือ ปีกของเครื่องร่อนยุคแรก ๆ ที่ได้แนวคิดจากศึกษาโครงสร้างข้อต่อของอวัยวะส่วนปีกค้างคาวและพฤติกรรมการบินของสัตว์ชนิดดังกล่าว โดย Leonardo da Vinci ที่คิดค้นในสมัยศตวรรษที่ 15 ซึ่งเป็นแนวคิดที่เป็นแรงบันดาลใจให้นักคิดและนักออกแบบรุ่นหลังได้ทดลอง ลองผิดลองถูก และพัฒนาต่อเรื่อยมาเกือบ 400 ปี จนในศตวรรษที่ 19 สองพี่น้องตระกูลไรท์ได้สร้างเครื่องบินลำแรกของโลกสำเร็จ และได้ถูกพัฒนาต่อเนื่องจนเป็นเทคโนโลยีอากาศยานในปัจจุบัน

Getty Wood Factory โดย Pier Luigi Nervi

ผลงานออกแบบสถาปัตยกรรมภายในยุคแรก ๆ ที่เป็นการการลอกเลียนแบบอวัยวะของสิ่งมีชีวิตมาผสมผสานกับเทคโนโลยีการก่อสร้างในยุคต้นศตวรรษที่ 20 ซึ่งเป็นการก่อสร้างในระบบคอนกรีตเสริมเหล็ก ระบบพื้นซีเมนต์เสริมแรง ก็คือโครงการ Getty Wood Factory เมือง Rome ประเทศอิตาลี เมื่อปี 1951 โดย Pier Luigi Nervi โดยได้แรงบัลดาลใจมาจากโครงสร้างกระดูกในร่างกายของมนุษย์ มาประยุกต์ลงในระบบเสาและคานรับน้ำหนักที่ไม่เพียงแต่มีความสวยงามเท่านั้น แต่ยังได้ใช้องค์ความรู้ด้านคณิตศาสตร์และวิศวกรรมมาคำนวนโครงสร้างที่สามารถกระจายน้ำหนักได้เป็นอย่างดี อีกทั้งโครงการ Palazzo del Lavoro ในปี 1961 เมือง Torino ซึ่งออกแบบโดย Nervi เช่นกัน เป็นอาคารนิทรรศการขนาด 85,000 ตารางเมตร ซึ่งได้แรงบัลดาลใจในการออกแบบโครงสร้างสถาปัตยกรรมจากลำต้นและกิ่งก้านสาขาของต้นไม้ที่นำมาลดทอนองค์ประกอบ ผนวกกับการออกแบบเพื่อซ่อนงานระบบวิศวกรรม ทำให้ได้พื้นที่เปิดโล่งที่มีรายละเอียดของโครงสร้างฝ้าเพดานที่มีความสวยงาม ประกอบกับมีระยะห่างระหว่าง span เสาที่มากกว่าปรกติ สามารถปรับเปลี่ยนการใช้งานของพื้นที่ได้อย่างหลากหลาย

Johnson Wax Headquarters โดย Frank Lloyd Wright

ในช่วงยุค mid century ยังมีสถาปนิกระดับตำนานได้ใช้แนวคิด biomimetics สร้างสรรค์ผลงานผลงานที่มีความสวยงามระดับ masterpiece และยังได้รับการกล่าวขานกันทั่วโลก อย่างเช่น ผลงานออกแบบภายในอาคารอำนวยการ Johnson Wax Headquarters รัฐ Wisconsin โดย Frank Lloyd Wright เมื่อปี 1939 ซึ่งการตกแต่ง column ทั้งหมดได้แรงบัลดาลใจจากลักษณะทางกายภาพของเห็ดนำมาลดทอนรูปทรง ซึ่งเป็นองค์ประกอบทางสถาปัตยกรรมภายในที่ซ่อนงานระบบและเล่นกับการออกแบบแสงสว่างของพื้นที่ภายในได้อย่างลงตัว รวมถึงผลงาน Guggenheim Museum เมือง New York ที่ Wright ออกแบบเมื่อปี 1959 ที่นำเอา elements ของรูปทรงก้นหอยมาสร้างสรรค์พื้นที่ภายในให้เกิดการรับรู้เชิงพื้นที่ที่มีลักษณะเป็นเกลียวหมุนที่มีความสวยงามอย่างน่าทึ่ง

The National Stadium โดย Herzog & de Meuron

จากผลงานออกแบบสถาปัตยกรรมภายในมาสู่ผลงานสถาปัตยกรรมกันบ้าง แนวคิดการออกเลียนแบบธรรมชาติที่พบเห็นในงานสถาปัตยกรรมที่เด่นชัดที่สุดในศตวรรษที่ 20 อาจจะกล่าวได้ว่าคือผลงานออกแบบ The National Stadium กรุง Beijing หรือ Bird’s Nest ที่ออกแบบโดย Herzog & de Meuron เมื่อปี 2008 โดยเป็นการออกแบบสถาปัตยกรรมที่ลอกเลียนแบบลักษณะทางกายภาพของรังนก ผสานกับเทคโนโลยีการก่อสร้างสมัยใหม่ ซึ่งผลงานนี้ ไม่เพียงแค่ใช้โครงสร้างเหล็กขนาดยักษ์มาถักทอหุ้มสนามกีฬาเอาไว้คล้ายกับรังนกที่สวยงามเท่านั้น แต่ยังมีการศึกษาถึงการใช้ประโยชน์แรงลม และการออกแบบให้เกิด natural ventilation เพื่อลดผลกระทบจากสภาพอากาศภายนอก อีกทั้งยังช่วยเพิ่มความชื้นภายในอาคารตามปรากฏการณ์ที่เกิดขึ้นในรังนกตามธรรมชาติ รวมถึงการออกแบบโครงสร้างหลังคาให้เปิดปิดได้ เพื่อกรองแสง daylight ทำให้บริเวณอัฒจรรย์เกิดภาวะน่าสบายต่อผู้เข้าชมการแข่งขัน สิ่งดังกล่าวสามารถลดการใช้พลังงานโดยรวมของสนามกีฬาแห่งนี้ตามแนวคิดการออกแบบที่ยั่งยืนได้อย่างดี

The Gherkin Tower โดย Norman Foster

โครงการ The Gherkin Tower กรุง London ประเทศอังกฤษ โดยสถาปนิก Norman Foster เมื่อปี 2003 เป็นอาคารพาณิชย์ที่ได้ลอกเลียนแบบรูปร่างและโครงสร้าง lattice structure ของฟองน้ำสายพันธุ์ Venus flower basket ซึ่งได้ศึกษาถึง รูปร่างทรงกลมรีที่ช่วยกระจายแรงจากกระแสน้ำ และโครงสร้างแบบกลวงและมีรูพรุนที่สามารถให้กระแสน้ำไหลผ่านเพื่อกรองสารอาหารได้ สิ่งเหล่านี้ได้มาถ่ายทอดลงในผลงานสถาปัตยกรรมที่มีเปลือกอาคารเป็นลักษณะโครงตาข่ายที่มีเหล็กค้ำยัน ทำให้ไม่ต้องมีเสารับน้ำหนัก พื้นที่ภายในจึงเป็นแบบเปิดโล่งและยังสามารถรับแสงธรรมชาติเข้ามาได้จำนวนมาก เปลือกอาคารที่ลักกษณะกลมรีมีช่องเปิดจำนวนมากที่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของระบบระบายอากาศตามธรรมชาติ อากาศจึงสามารถไหลเวียนเข้าสู่พื้นที่ภายในอาคารได้อย่างดี และยังสามารถควบคุมภาวะน่าสบายในโครงการได้แตกต่างกันตามแต่ฤดูกาล ซึ่งเป็นแนวคิดการออกแบบ passive design ที่เลียนแบบการไหลของน้ำและสารอาหารผ่านฟองน้ำชนิดดังกล่าวได้อย่างลงตัว

อย่างไรก็ตาม ในปัจจุบันเทรนด์การออกแบบได้พัฒนาไปสู่แนวคิดการออกแบบยั่งยืนมากขึ้น การลอกเลียนแบบธรรมชาติอาจจะไม่ใช่แค่เฉพาะการออกแบบลักษณะทางกายภาพ (form) ที่มีรูปร่างและรูปทรงอันน่าทึ่งเท่านั้น แต่อาจจะเป็นการศึกษาถึงกระบวนการแก้ไขปัญหาของระบบนิเวศ พฤติกรรมการของสิ่งมีชีวิตบางชนิด รวมถึงการตั้งคำถามต่อสถานการณ์ในธรรมชาติว่าสามารถแก้ไขปัญหาเหล่านี้ได้อย่างไร บรรดาสถาปนิกยุคใหม่ได้ศึกษาถึงสิ่งที่เกิดขึ้นและได้สกัดออกเป็นแนวคิดในการสร้างสรรค์แนวคิดการออกแบบที่พยายามจะบรรลุถึงความยั่งยืนที่ได้จากการลอกเลียนแบบ ระบบจากธรรมชาติ ผนวกกับองค์ความรู้ทางวิทยาศาสตร์

ศูนย์การค้าและสำนักงาน East Gate Harare, Zimbabwe โดย Mick Pace

โครงการออกแบบศูนย์การค้าและสำนักงาน East Gate เมือง Harare  ประเทศ Zimbabwe โดยสถาปนิก Mick Pace เมื่อปี 1996 เป็นการนำแนวคิด biomimetics จากรังของจอมปลวก มาใช้ในการออกแบบสถาปัตยกรรม ที่ไม่ได้นำเพียงเฉพาะลักษณะทางกายภาพอย่างรูปร่างและรูปทรงมาใช้มาใช้ แต่ได้ศึกษาถึงระบบนิเวศภายในจอมปลวกที่เป็นโครงสร้างสถาปัตยกรรมจากธรรมชาติ ที่มีมีระบบระบายความร้อนเป็นปล่องเชื่อมต่อกันบริเวณโพรงภายในเพื่อแลกเปลี่ยนก๊าซ ทำให้อากาศร้อนลอยตัวสูงขึ้นและเกิด natural ventilation ซึ่ง Mick Pace ได้นำสิ่งที่เขาศึกษาจากพฤติกรรมของการสร้างรังของแมลงดังกล่าวมาประยุกต์ลงในกระบวนการออกแบบ

ซึ่ง Mick Pace ได้ใช้เทคนิคจากระบบนิเวศในรังของจอมปลวก โดยออกแบบให้มีพื้นที่ภายในอาคารเปิดโล่งขนาดใหญ่เพื่อให้มีการถ่ายเทอากาศได้ดี ล้อมรอบด้วยเปลือกอาคารที่ออกแบบให้มีรูพรุนเช่นเดียวกับโครงสร้างจอมปลวกเพื่อใหสามารถระบายความร้อนในอาคารได้อย่างมีประสิทธิภาพ ประกอบกับการออกแบบช่องพัดลมดูดลมเย็นทางฐานของอาคาร และปล่อง chimney เพื่อให้อากาศเย็นเข้ามาแทนที่ และดันอากาศร้อนให้ลอยออกสู่ปล่องด้านบนอาคารตามแนวคิดแบบ Negative  Ventilation

รายละเอียดของการออกแบบเปลือกอาคารอีกอย่างที่ mike pace นำมาใช้คือ การลอกเลียนแบบธรรมชาติของต้นกระบองเพชร ซึ่งเป็นพืชพื้นเมืองของ Zimbabwe ที่มีพื้นผิวไม่เรียบ ทำให้พืชดังกล่าวมีความสามารถในการสะท้อนความร้อนจากพื้นผิวได้ในเวลากลางวันได้ เรียกว่าเทคนิค fractal cooling ซึ่งนำมาประยุกต์ใช้ในการออกแบบเปลือกอาคารที่มีพื้นผิวไม่เรียบ รวมถึงการใช้ vertical green wall เพื่อลดการแผ่ความร้อนจากภายนอกเข้าสู่ภายในอาคาร

“การศึกษารังของจอมปลวกทำให้เรารู้ว่าพวกมันฉลาดกว่าที่เราคิดไว้มาก มันสามารถจัดการสภาพแวดล้อมทางธรรมชาติได้อย่างดี ซึ่งไม่เพียงแค่ให้รังของมันเป็นเหมือนกับปราสาทขนาดใหญ่ แต่จริงๆแล้วแล้วมันมีการทำงานเหมือนอวัยวะประเภทปอด ที่สามารถแลกเปลี่ยนก๊าซและอากาศต่อสิ่งแวดล้อมภายนอกได้ ” – Mick Pace กล่าวทิ้งท้าย

Bosco Verticale โดย Stefano Boeri

โครงการ Bosco Verticale เมือง Milan ประเทศ Italy โดยสถาปนิก Stefano Boeri เมื่อปี 2014 เป็นโครงการที่พักอาศัยในเมืองสูง 27 ชั้น ที่ได้รับการออกแบบภายใต้แนวคิด biomimetics ที่ต้องการให้โครงการนี้เปรียบเสมือนปอดสีเขียวเพื่อเพิ่มอากาศบริสุทธิ์และลดมลพิษให้กับเมือง โดยเป็นการลอกเลียนแบบปรากฏการณ์ทางธรรมชาติจากระบบนิเวศจำพวกพืช ที่มีการแลกเปลี่ยนก๊าซ กระบวนการสังเคราะห์แสง การรดน้ำต้นไม้และการคายน้ำ

โครงการนี้จึงมีพื้นที่ปลูกต้นไม้มากกว่า 900 ต้นกระจายอยู่ทั่วเปลือกอาคารประหนึ่งงานสถาปัตยกรรมชิ้นนี้คือต้นไม้ขนาดใหญ่ ที่โครงสร้างอาคารเป็นเหมือนแกนกลางลำต้น มีพื้นที่สีเขียวแนวตั้งที่สามารถซับดูดก๊าซ CO2 และ เพิ่มปริมาณ O2 ให้กับเมืองและอาณาเขตโดยรอบ รวมถึงอาศัยการคายน้ำจากต้นไม้ทั้งหมดในโครงการเพื่อเพิ่มความชื้นสัมพัทธ์กับพื้นที่ภายในและโดยรอบ ทำให้อาณาเขตดังกล่าวมีภาวะน่าสบาย สามารถลดอุณหภูมิจากสภาพแวดล้อมภายนอกได้เกือบ 10 องศาเซลเซียส รวมถึงพื้นที่สีเขียวแนวตั้งทั้งหมดยังทำหน้าที่เป็นที่กรองมลภาวะทางเสียงและฝุ่นควันจากภายนอกได้ โดยภายในโครงการ ยังมีการออกแบบระบบน้ำที่ใช้เพื่อการเจริญเติบโตต้นไม้ไว้อย่างดี ซึ่งเป็นการใช้น้ำรีไซเคิลที่ได้จากน้ำทิ้งของอาคารตามแนวทางการออกแบบยั่งยืน

จากตัวอย่างที่นำมาพูดคุยกันในวันนี้ อาจสรุปได้ว่ากระบวนการลอกเลียนแบบจากธรรมชาติที่สถาปนิกนิยมประยุกต์ลงในแนวคิดการออกแบบ อาจแบ่งได้เป็น 3 ระดับ คือ

1) การลอกเลียนแบบลักษณะทางกายภาพของธรรมชาติ ไม่ว่าจะเป็นองค์ประกอบหรืออวัยวะต่าง ๆ ของสิ่งมีชีวิต
2) การลอกเลียนแบบพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิต 
3) การลอกเลียนแบบปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นในระบบนิเวศ

ซึ่งทั้งหมดนี้อาจเป็นเพราะว่าปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่เกิดขึ้นทั้งสิ่งมีชีวิตและสิ่งไม่มีชีวิตสามารถแก้ไขปัญหาต่าง ๆ ได้อย่างชาญฉลาดและยั่งยืนอย่างที่เราไม่เคยนึกถึงมาก่อน และมนุษย์สามารถเรียนรู้จากสิ่งเหล่านี้เพื่อมาสร้างนวัตกรรมใหม่ ๆ ได้

Writer
Torpong Limlunjakorn

Torpong Limlunjakorn

ฟันเฟืองเล็กๆ ในระบบการศึกษาด้านสถาปัตยกรรมและการออกแบบ ที่พยายามสื่อสารแนวคิดผ่านตัวหนังสือ วันว่างมักจะหนีไปหายใจที่ใต้ทะเล เงียบๆ คนเดียว