The psychology of Cities without Walls

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La psychologie des Villes sans murs

An interactive model demonstrates how a computer simulation framework, developed by Frank Li at Rensselaer Polytechnic Institute, can be used for city planning. Credit: Credit: Fengqi Li/ORNL, U.S. Dept. of Energy.

Bien qu’il ait construit sa carrière autour des bâtiments, Fengqi « Frank » Li aime abattre les murs.

Li a une formation d'architecte, mais il ne s'enferme pas dans cette situation. Il travaille actuellement comme développeur informatique au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie. Mais Li se considère comme un designer. Pour lui, c'est moins une boîte qu'un avion : un paysage parsemé d'idées, comme des destinations sur une carte qui peuvent être reliées de différentes manières.

Ces itinéraires peuvent passer par l’architecture, l’intelligence artificielle, les mathématiques, la sociologie, l’ingénierie du bâtiment, les technologies d’énergie propre et bien plus encore. Il ne sait pas encore quoi d'autre, car Li ne croit pas aux limites académiques.

"J'essaie de devenir un pollinisateur croisé", a déclaré Li, chercheur postdoctoral au sein du groupe Grid Interactive Controls du laboratoire. "J'aimerais essayer de faire toutes sortes de choses, tout en ne faisant qu'une seule chose : j'essaie de comprendre la question de la manière dont les villes interagissent avec l'environnement et les gens qui y vivent."

La recherche de nouveaux points de vue sur ces questions a conduit Li à occuper son poste au sein de la Direction des sciences et technologies énergétiques de l'ORNL, ou ESTD. Il a appris la gestion de projet tout en développant des logiciels et en gérant des ensembles de données pour une initiative majeure de modélisation énergétique de l'ORNL : le logiciel de modélisation automatique de l'énergie des bâtiments, ou AutoBEM, qui simule la consommation d'énergie de presque tous les bâtiments aux États-Unis.

Plusieurs mois après avoir rejoint ORNL, Li a pris en charge simultanément un autre rôle vacant, fournissant un support informatique à AutoBEM. Li remercie son superviseur, Joshua New, de l'avoir aidé à apprendre rapidement à intégrer l'intelligence artificielle et les paramètres du monde réel, tels que la protection de la vie privée, dans le flux de travail.

À son tour, New a été impressionné par la polyvalence de Li. "C'est un apprenant enthousiaste dont les capacités croissantes ont permis à l'équipe de fournir de manière transparente des résultats aux sponsors du DOE et aux partenaires industriels", a déclaré New. Des entreprises d'envergure internationale, telles que Google et le cabinet d'architectes SmithGroup, ont collaboré avec ORNL pour appliquer AutoBEM à des projets qui réduisent l'empreinte carbone des bâtiments en améliorant les matériaux, la conception, l'infrastructure et la planification.

Originaire de la ville chinoise de Shangrao, Li a obtenu un diplôme de premier cycle en architecture de l'Université Jiaotong de Chine orientale. Mais sa curiosité pour les nouvelles perspectives du design l'a poussé à étudier à l'étranger, d'abord à l'Université de Syracuse, dans le nord de l'État de New York.

"À Syracuse, j'ai vraiment commencé à comprendre que l'architecture n'est pas seulement une question de construction, de représentation ou de transformation géométrique de l'espace", a déclaré Li. «C'est aussi une question de culture, d'histoire et d'économie.»

« L'architecture comme dispositif social »

Mais son expérience la plus formatrice était encore à venir. À la Cooper Union, une université privée de New York, Li a appris à voir la ville comme un système et l’architecture comme un dispositif social. Son objectif est passé de la résolution de problèmes isolés à une réflexion globale. Dans une étude, il a examiné comment les itinéraires décentralisés choisis par les chauffeurs Uber et Lyft modifiaient les modèles de transport urbain et comment ces changements modifiaient les activités des gens dans différents quartiers.

Li a appliqué la forme et le design aux problèmes de diverses manières, allant des tissus « intelligents » sensibles à la chaleur à l’établissement de cadres logiciels basés sur l’IA. Il se concentre souvent sur la façon dont les gens interagissent avec les machines et les formes ou éléments architecturaux. Par exemple, il a conçu une prothèse d’un membre inférieur qui « collaborerait » avec un athlète vieillissant, tel qu’un lutteur de sumo à la retraite, en modélisant l’appareil et ses fonctions en fonction de sa morphologie, de ses mouvements et de sa routine quotidienne.

Des expositions internationales de design en Italie, en Chine et en Estonie ont présenté le travail de Li sous diverses formes physiques et numériques. Par exemple, une projection animée et interactive sur table a démontré les possibilités d’échange d’énergie local. Les représentations urbaines de Li peuvent ressembler à des dessins de paysages lunaires futuristes, à des mailles se pliant en formes courbes ou à des pointes 3D colorées projetées à partir d'une grille monochrome.

Une installation intitulée « Dialogue avec un mur artificiellement intelligent » a posé des questions sur la manière dont les gens communiqueront avec les bâtiments à l'avenir. Li a construit un mur lambrissé équipé d'un micro-ordinateur capable de détecter les impulsions électriques qui coïncident avec les mouvements humains. Un spectateur faisant un geste vers le mur pouvait susciter des réponses de la part des panneaux, qui étaient fixés à des joints à rotule qui leur permettaient de faire un geste en arrière avec des plis et des battements.

Flux d’énergie à travers la ville

Au cours de ses recherches doctorales, Li a créé un cadre de planification urbaine intégrant les infrastructures énergétiques pour maximiser la capacité d’une ville à absorber, stocker et partager localement l’énergie renouvelable. S'appuyant sur une étude de cas supposant que les bâtiments de Manhattan avaient été mis en réseau, le cadre comprenait trois modèles informatiques pour optimiser le flux, l'offre et la demande d'énergie. Une représentation physique interactive des bâtiments de la ville, éclairés de l’intérieur, utilisait des modèles de couleurs changeantes pour afficher des données sur les types d’utilisation des sols, le modèle de flux d’énergie et l’intensité de la consommation d’énergie.

Les utilisateurs pourraient modifier les variables des modèles informatiques pour évaluer l'impact de différentes options, telles que la création de sous-centres énergétiques de quartier pour accroître la fiabilité électrique. Le cadre est suffisamment flexible pour être appliqué aux « territoires d’extraction » tels que les puits de pétrole abandonnés. Dans ce contexte, les modèles pourraient constituer un outil pour concevoir de nouvelles villes offrant un accès équitable aux énergies renouvelables.

"Le cadre a ouvert une nouvelle voie pour considérer la dynamique urbaine et l'architecture comme un scénario cohérent", a déclaré Li. « J’essaie d’utiliser des approches d’ingénierie système pour résoudre les problèmes d’architecture et d’infrastructure énergétique. »

Au moment où il a terminé son doctorat en sciences architecturales et en écologie bâtie au Centre pour les sciences et l'écologie de l'architecture, ou CASE, de l'Institut polytechnique de Rensselaer, Li savait qu'il ne voulait pas rejoindre un cabinet d'architecture une fois qu'il avait commencé à voir les bâtiments comme des fragments. du système d’une ville.

Au lieu de cela, il a été attiré par l’ORNL par la perspective de poursuivre ses intérêts de recherche aux côtés de scientifiques d’autres domaines, luttant ensemble pour lutter contre le changement climatique et les défis urbains. Li explore déjà d’autres directions de recherche, comme la collaboration avec des biologistes pour résoudre les problèmes d’eaux usées des villes.

« La collaboration interdisciplinaire favorise le changement et la créativité », a déclaré Li.

UT-Battelle gère ORNL pour l’Office of Science du ministère de l’Énergie, le plus grand partisan de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis. Le Bureau des sciences s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque.
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24/05/24-English

The psychology of Cities without Walls

An interactive model demonstrates how a computer simulation framework, developed by Frank Li at Rensselaer Polytechnic Institute, can be used for city planning. Credit: Credit: Fengqi Li/ORNL, U.S. Dept. of Energy.

Although he built his career around buildings, Fengqi “Frank” Li likes to break down walls.

Li was trained as an architect, but he doesn’t box himself in. Currently he is working as a computational developer at the Department of Energy’s Oak Ridge National Laboratory. But Li considers himself a designer. To him, that’s less a box than a plane – a landscape scattered with ideas, like destinations on a map that can be connected in different ways.

Those routes can travel through architecture, artificial intelligence, math, sociology, building engineering, clean energy technologies and more. He’s not sure what else yet, because Li doesn’t believe in academic boundaries.

“I’m trying to become a cross-pollinator,” said Li, a postdoctoral researcher in the lab’s Grid Interactive Controls group. “I would like to try to do all kinds of things, yet still be doing just one thing: I’m trying to understand the issue of how cities interact with the environment and the people living there.”

Looking for fresh viewpoints on these questions led Li to his job in ORNL’s Energy Science and Technology Directorate, or ESTD. He learned project management while also developing software and managing datasets for a major ORNL energy modeling initiative: Automatic Building Energy Modeling software, or AutoBEM, which simulates the energy use of almost every building in the United States.

Several months after joining ORNL, Li stepped up to simultaneously handle another vacated role, providing computational support to AutoBEM. Li credits his supervisor, Joshua New, with helping him rapidly learn how to integrate artificial intelligence and real-world parameters, such as privacy protections, into the workflow.

In turn, New has been impressed with Li’s versatility. “He is an enthusiastic learner whose expanding abilities enabled the team to seamlessly deliver results to DOE sponsors and industry partners,” New said. Companies with international reach, such as Google and architectural firm SmithGroup, have collaborated with ORNL to apply AutoBEM to projects that reduce the carbon footprint of buildings by improving materials, design, infrastructure and planning.

A native of the Chinese city of Shangrao, Li earned an undergraduate degree in architecture from East China Jiaotong University. But curiosity about new design perspectives drew him to study abroad, initially at Syracuse University in upstate New York.

“At Syracuse, I really started to understand architecture is not only about building, representation or the geometric transformation of space,” Li said. “It’s also about culture, history and economics.”

‘Architecture as a social device’

But his most formative experience was still to come. At the Cooper Union, a private college in New York City, Li learned to see the city as a system and architecture as a social device. His focus changed from resolving single issues to thinking holistically. In one study, he examined how the decentralized routes chosen by Uber and Lyft drivers altered city transportation patterns, and how those shifts changed people’s activities in different neighbourhoods.

Li has applied form and design to problems in diverse ways, ranging from “smart” heat-sensitive fabrics to establishing AI-based software frameworks. He often focuses on how people interact with machines and architectural forms or elements. For example, he designed a lower-limb prosthesis that would “collaborate” with an aging athlete, such as a retired sumo wrestler, by modelling the device and its functions based on body type, movements and daily routine.

International design exhibitions in Italy, China and Estonia included Li’s work in an array of physical and digital forms. For example, an animated, interactive tabletop projection demonstrated the possibilities of local energy exchange. Li’s urban representations may resemble futuristic moonscape drawings, mesh flexing into curving forms, or colourful 3D spikes projecting from a monochrome grid.

An installation called “Dialogue with an artificially intelligent wall” posed questions about how people will communicate with buildings in the future. Li constructed a panelled wall equipped with a microcomputer that could sense the electrical pulses that coincide with human movements. A viewer gesturing to the wall could elicit responses from the panels, which were attached to ball-and-socket joints that allowed them to gesture back with folds and flutters.

Energy flow through the city

During his doctoral research, Li created an urban planning framework incorporating energy infrastructure to maximize a city’s ability to absorb, store and locally share renewable energy. Using a case study that assumed Manhattan buildings had been networked together, the framework included three computational models to optimize energy flow, supply and demand. An interactive physical representation of the city’s buildings, illuminated from the inside, used changing color patterns to show data about types of land use, the pattern of energy flow and the intensity of energy use.

Users could change variables in the computer models to evaluate the impact of different options, such as creating neighbourhood energy subcentres to increase electric reliability. The framework is flexible enough to be applied to “territories of extraction” such as abandoned oil wells. In that context, the models could be a tool for designing new cities with equitable access to renewable energy.

“The framework established a new avenue for looking at urban dynamics and architecture as a coherent scenario,” Li said. “I’m trying to use system engineering approaches to resolve architecture and energy infrastructure issues.”

By the time he finished his doctorate in architectural science and built ecology at the Center for Architecture Science and Ecology, or CASE, at Rensselaer Polytechnic Institute, Li knew he didn’t want to join an architecture firm once he began to see buildings as fragments of a city’s system.

Instead, he was attracted to ORNL by the prospect of pursuing his research interests alongside scientists from other fields, striving together to address climate change and urban challenges. Li is already exploring additional research directions, such as working with biologists to tackle city wastewater problems.

“Interdisciplinary collaboration pushes change and creativity,” Li said.

UT-Battelle manages ORNL for the Department of Energy’s Office of Science, the single largest supporter of basic research in the physical sciences in the United States. The Office of Science is working to address some of the most pressing challenges of our time.
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24/05/24-NL

De psychologie van steden zonder muren

An interactive model demonstrates how a computer simulation framework, developed by Frank Li at Rensselaer Polytechnic Institute, can be used for city planning. Credit: Credit: Fengqi Li/ORNL, U.S. Dept. of Energy.

Hoewel hij zijn carrière rond gebouwen heeft opgebouwd, houdt Fengqi ‘Frank’ Li ervan muren af ​​te breken.

Li is opgeleid als architect, maar hij sluit zichzelf niet in. Momenteel werkt hij als computationeel ontwikkelaar bij het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy. Maar Li beschouwt zichzelf als een ontwerper. Voor hem is dat niet zozeer een doos als wel een vliegtuig: een landschap bezaaid met ideeën, zoals bestemmingen op een kaart die op verschillende manieren met elkaar verbonden kunnen worden.

Die routes kunnen reizen door architectuur, kunstmatige intelligentie, wiskunde, sociologie, bouwtechniek, schone energietechnologieën en meer. Wat nog meer weet hij niet, want Li gelooft niet in academische grenzen.

“Ik probeer een kruisbestuiver te worden”, zegt Li, een postdoctoraal onderzoeker in de Grid Interactive Controls-groep van het laboratorium. “Ik zou graag allerlei dingen willen proberen, maar toch maar één ding doen: ik probeer de kwestie te begrijpen van hoe steden omgaan met het milieu en de mensen die er wonen.”

Op zoek naar nieuwe inzichten over deze vragen leidde Li naar zijn baan bij het Energy Science and Technology Directoraat van ORNL, oftewel ESTD. Hij leerde projectmanagement terwijl hij ook software ontwikkelde en datasets beheerde voor een groot ORNL-initiatief voor energiemodellering: Automatic Building Energy Modeling-software, of AutoBEM, die het energieverbruik van bijna elk gebouw in de Verenigde Staten simuleert.

Enkele maanden nadat hij bij ORNL kwam werken, trad Li op om tegelijkertijd een andere vacante functie op zich te nemen, waarbij hij computerondersteuning bood aan AutoBEM. Li dankt zijn supervisor, Joshua New, dat hij hem heeft geholpen snel te leren hoe hij kunstmatige intelligentie en praktijkparameters, zoals privacybescherming, in de workflow kan integreren.

New is op zijn beurt onder de indruk van Li's veelzijdigheid. “Hij is een enthousiaste leerling wiens groeiende capaciteiten het team in staat stelde naadloos resultaten te leveren aan DOE-sponsors en industriële partners”, aldus New. Bedrijven met internationaal bereik, zoals Google en architectenbureau SmithGroup, hebben samengewerkt met ORNL om AutoBEM toe te passen op projecten die de ecologische voetafdruk van gebouwen verkleinen door materialen, ontwerp, infrastructuur en planning te verbeteren.

Li, geboren in de Chinese stad Shangrao, behaalde een bachelordiploma in architectuur aan de Oost-Chinese Jiaotong Universiteit. Maar nieuwsgierigheid naar nieuwe ontwerpperspectieven bracht hem ertoe om in het buitenland te studeren, aanvankelijk aan de Syracuse University in de staat New York.

"Bij Syracuse begon ik echt te begrijpen dat architectuur niet alleen gaat over bouwen, representatie of de geometrische transformatie van de ruimte", zei Li. “Het gaat ook over cultuur, geschiedenis en economie.”

‘Architectuur als sociaal apparaat’

Maar zijn meest vormende ervaring moest nog komen. Op de Cooper Union, een particuliere universiteit in New York City, leerde Li de stad als een systeem en architectuur als een sociaal apparaat zien. Zijn focus veranderde van het oplossen van afzonderlijke problemen naar holistisch denken. In één onderzoek onderzocht hij hoe de gedecentraliseerde routes gekozen door Uber- en Lyft-chauffeurs de stadsvervoerpatronen veranderden, en hoe die verschuivingen de activiteiten van mensen in verschillende buurten veranderden.

Li heeft vorm en ontwerp op verschillende manieren toegepast op problemen, variërend van 'slimme' hittegevoelige stoffen tot het opzetten van op AI gebaseerde softwareframeworks. Hij richt zich vaak op de manier waarop mensen omgaan met machines en architecturale vormen of elementen. Hij ontwierp bijvoorbeeld een prothese voor de onderste ledematen die zou ‘samenwerken’ met een ouder wordende atleet, zoals een gepensioneerde sumoworstelaar, door het apparaat en de functies ervan te modelleren op basis van lichaamstype, bewegingen en dagelijkse routine.

Internationale designtentoonstellingen in Italië, China en Estland toonden Li's werk in een reeks fysieke en digitale vormen. Zo demonstreerde een geanimeerde, interactieve tafelprojectie de mogelijkheden van lokale energie-uitwisseling. Li's stedelijke representaties kunnen lijken op futuristische maanlandschaptekeningen, gaas dat buigt in gebogen vormen, of kleurrijke 3D-pieken die uit een monochroom raster steken.

Een installatie genaamd ‘Dialoog met een kunstmatig intelligente muur’ stelde vragen over hoe mensen in de toekomst met gebouwen zullen communiceren. Li construeerde een wand met panelen, uitgerust met een microcomputer die de elektrische pulsen kon waarnemen die samenvallen met menselijke bewegingen. Een kijker die naar de muur gebaart, kan reacties uitlokken van de panelen, die aan kogelgewrichten zijn bevestigd, waardoor ze met plooien en fladderingen terug kunnen gebaren.

Energiestroom door de stad

Tijdens zijn promotieonderzoek creëerde Li een raamwerk voor stadsplanning waarin energie-infrastructuur is geïntegreerd om het vermogen van een stad om hernieuwbare energie te absorberen, op te slaan en lokaal te delen te maximaliseren. Aan de hand van een casestudy waarin werd aangenomen dat gebouwen in Manhattan met elkaar waren verbonden, omvatte het raamwerk drie computermodellen om de energiestroom, het aanbod en de vraag te optimaliseren. Een interactieve fysieke representatie van de gebouwen van de stad, van binnenuit verlicht, gebruikte veranderende kleurpatronen om gegevens weer te geven over soorten landgebruik, het patroon van de energiestroom en de intensiteit van het energieverbruik.

Gebruikers kunnen variabelen in de computermodellen wijzigen om de impact van verschillende opties te evalueren, zoals het creëren van energiesubcentra in de buurt om de elektrische betrouwbaarheid te vergroten. Het raamwerk is flexibel genoeg om te worden toegepast op ‘extractiegebieden’, zoals verlaten oliebronnen. In die context zouden de modellen een instrument kunnen zijn voor het ontwerpen van nieuwe steden met gelijke toegang tot hernieuwbare energie.

"Het raamwerk creëerde een nieuwe weg om stedelijke dynamiek en architectuur als een samenhangend scenario te beschouwen," zei Li. "Ik probeer systeemtechnische benaderingen te gebruiken om architectuur- en energie-infrastructuurproblemen op te lossen."

Tegen de tijd dat hij zijn doctoraat in de architectuurwetenschappen afrondde en ecologie bouwde aan het Centrum voor Architectuurwetenschappen en Ecologie, of CASE, aan het Rensselaer Polytechnic Institute, wist Li dat hij niet bij een architectenbureau wilde gaan werken zodra hij gebouwen als fragmenten begon te zien. van het systeem van een stad.

In plaats daarvan voelde hij zich aangetrokken tot ORNL door het vooruitzicht om zijn onderzoeksinteresses samen met wetenschappers uit andere vakgebieden na te streven en samen te streven naar de aanpak van klimaatverandering en stedelijke uitdagingen. Li onderzoekt al aanvullende onderzoeksrichtingen, zoals het samenwerken met biologen om de afvalwaterproblemen in de stad aan te pakken.

“Interdisciplinaire samenwerking stimuleert verandering en creativiteit”, zegt Li.

UT-Battelle beheert ORNL voor het Office of Science van het Department of Energy, de grootste voorstander van fundamenteel onderzoek in de natuurwetenschappen in de Verenigde Staten. Het Office of Science werkt aan het aanpakken van enkele van de meest urgente uitdagingen van onze tijd.
NJC.© Info Oak Ridge National Laboratory

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