Pavilionul de cercetare ICD/ITKE 2013-14 | ICD/ITKE Research Pavilion 2013-14

Metodele de fabricație și de construcție din zilele noastre permit o viziune radical diferită asupra proiectării, comparativ cu metodele convenționale. Automatizarea și precizia crescândă a anumitor tehnologii de fabricație, precum roboții industriali sau procedurile CNC, au permis producerea unor sisteme cu un grad ridicat de performanță. Pe de altă parte, schimbările suferite de metodele de producție impun și regândirea metodelor și a paradigmelor de proiectare. În domeniul producției, performanța poate fi atinsă numai dacă metodele, constrângerile și potențialul sunt articulate cu claritate încă din etapa de proiectare și sunt incluse în aceasta, nu după ce proiectarea s-a încheiat.

În mod tradițional, proiectarea arhitecturală urmează un parcurs descendent, în care considerațiile materiale și de producție sunt subordonate, în general, unei soluții geometrice predefinite în mod independent. Prin dezvoltarea unor strategii de proiectare ascendente, bazate pe diverși parametri, atât dezvoltarea proiectării, cât și procesul de materializare pot fi integrate ca factori cu valoare egală.

Utilizarea metodelor generative algoritmice și a sistemelor open design care pot relaționa cu parametrii externi și pot reacționa la aceștia permite dezvoltarea unor sisteme performante care încorporează în mod direct și beneficiază de potențialul metodelor de fabricație digitală.

Pavilionul de cercetare ICD/ITKE 2013-14 face parte dintr-o serie remarcabilă de pavilioane de cercetare dezvoltată la Universitatea din Stuttgart, care ilustrează potențialul noilor procese de proiectare, simulare și fabricație în arhitectură. Proiectul a fost planificat și construit, în decurs de un an și jumătate, de mai mulți studenți și cercetători care au colaborat cu o echipă multidisciplinară alcătuită din biologi, paleontologi, arhitecți și ingineri.

Pavilionul prezintă o abordare bazată pe multiple investigații ascendente (bottom-up) derulate în paralel, exemplificând modul în care cercetarea concomitentă a principiilor biomimetice și a metodelor de fabricație inovatoare conduce la un proces de proiectare integrativ, care reunește parametri precum principiile biologice, proprietățile materialelor, performanța structurală și constrângerile de fabricație în cadrul unui mediu de proiectare computerizat.

Prin urmare, principiile funcționale ale structurilor din fibre naturale au fost analizate și extrase, iar prin dezvoltarea unei metode personalizate de fabricație robotizată au fost translatate sub forma unui prototip de pavilion modular.

Cercetarea biomimetică

Prin intermediul unei colaborări interdisciplinare între arhitecții și inginerii din cadrul Universității din Stuttgart și biologii de la Universitatea Tübingen au fost investigate diverse structuri naturale ușoare, în încercarea de a identifica o serie de principii care pot fi extrase și aplicate intervențiilor arhitecturale. Carapacea care protejează elitrele și abdomenul coleopterelor s-a dovedit a avea excelente proprietăți structurale și un grad ridicat de eficiență materială. Performanța sa se bazează, în principal, pe morfologia sistemului în două straturi și pe caracteristicile anizotropice ale materialului fibros care permite existența proprietăților structurale diferențiate local.

În colaborare cu Centrul de radiație sincrotronă ANKA și cu Institutul pentru Știința Fotonilor și Radiația Sincrotronă, din cadrul Institutului de Tehnologie din Karlsruhe (KIT), s-a efectuat o analiză extrem de detaliată a morfologiei elitrelor unor diverse specii de coleoptere, cu ajutorul imaginilor generate de microcomputerul tomograf. Imaginile obținute de microscoapele electronice cu scanare (SEM) de la Tübingen au furnizat informații detaliate cu privire la dispunerea fibrelor la nivel microscopic. Morfologia elitrelor constă într-o structură în două straturi care sunt conectate între ele de o serie de elemente de sprijin dublu curbate, cu aspect de coloană, trabecul. Trabeculii unesc segmentul superior al aripilor de cel inferior și sunt alcătuiți din fibre dispuse în mod continuu. Diferențierea morfologică și structurală identificată apare în modul global de aranjare a trabeculilor în sistemul general și în poziția locală, în densitatea și în orientarea fibrelor chitinoase. Prin traducerea acestor principii în reguli geometrice, aceste caracteristici morfologice esențiale ale elitrelor coleopterelor ar putea fi integrate în instrumentele de proiectare computerizată și ar putea constitui baza morfologică a geometriei pavilionului.

Logica materială și structurală

În paralel cu cercetarea biomimetică s-au efectuat cercetări amănunțite cu privire la un posibil sistem de materiale și tehnici de fabricație, în cadrul unui al doilea proces ascendent. Aici, materialul nu este doar aplicat pur și simplu unei forme predefinite; el doar definește limitele geometrice și caracteristicile determinate de acestea, oferind o soluție spațială și stabilind constrângeri și parametri de lucru pentru procesul de proiectare. Aceasta conduce la un rezultat geometric global care este o consecință a proprietăților materialelor și a metodei de fabricație dezvoltate.

Polimerii armați cu fibre de sticlă și de carbon au fost identificați ca fiind un material cu un potențial deosebit, în primul rând datorită rezistenței lor ridicate în raport cu greutatea, care are ca efect construcții cu o masă extrem de mică, precum și datorită potențialului lor semnificativ de a genera diferențiere prin dispunerea personalizată a fibrelor. La aceste caracteristici se adaugă și capacitatea lor nelimitată de modelare, ceea ce face din polimerii armați cu fibre cel mai potrivit material pentru producerea de geometrii complexe și de materiale anizotropice individuale pentru implementarea principiilor geometrice abstracte. Tehnicile standard de fabricație se bazează în majoritatea cazurilor pe aplicarea manuală a fibrelor pe matrițe complexe prefabricate, o metodă costisitoare, de durată și ineficientă în cazul proiectelor arhitecturale individuale.

Ca o consecință a acestui fapt, s-a dezvoltat o metodă de răsucire coreless robotizată care reduce cofrajul necesar la un cadru reutilizabil și permite producerea de module geometrice complexe cu curbură anticlastică. Pentru a putea transpune morfologia trabeculilor coleopterelor într-o componentă geometrică, fibrele sunt înfășurate elicoidal în jurul celor două cadre ale componentei. Geometria dublu curbată care rezultă este doar consecința proprietăților materialului, a interacțiunii dintre fibre. În urma înfășurării continue între cele două cadre, fibrele liniare primesc tensiune de la fibrele răsucite anterior și de la cele care le urmează, obligând materialul să negocieze în permanență o stare de echilibru pe tot parcursul procesului de fabricație. Aceasta are ca rezultat o geometrie care este consecința pură a interacțiunii dintre materiale și care nu a fost predefinită ca întreg, ci ca un set de parametri de construcție.

În același timp, dezvoltarea unei metode automate de răsucire cu ajutorul roboților permite diferențierea extrem de eficientă a modului de dispunere a fibrelor în interiorul unei componente sau între componente diferite.

Pentru fabricarea celor 36 de elemente individuale, era obligatoriu să se definească o sintaxă parametrică de răsucire, care să poată fi aplicată automat marginilor fiecărei componente. În acest scop, s-a dezvoltat un set de reguli care au fost testate pe baza unor parametri precum topologia și dimensiunile componentelor, unghiurile dintre margini, distanța dintre stratul interior și cel exterior, gradul maxim de non-planeitate și gradele de deschidere ale componentelor. După numeroase testări manuale de răsucire, simulări digitale și experimente de răsucire robotizată, s-a dezvoltat o logică adaptată secvenței de fibre care a fost ulterior rafinată pe parcursul întregului proces de cercetare. Fiecare element a presupus răsucirea a trei straturi diferite: stratul de fibre de sticlă, mai întâi, pentru generarea formei, stratul din fibre de carbon generic din alcătuirea marginilor și stratul din fibre de carbon pentru ranforsare structurală specific fiecărei componente. În timpul răsucirii tuturor straturilor trebuia să se asigure în mod constant o legătură corespunzătoare între fibre, pentru ca geometria rezultată să fie activă din punct de vedere structural. Primul strat din fibre de carbon permite, în plus, diferențierea fibrelor aplicate după adâncime și intensitate, în funcție de forțele locale rezultate în zona marginilor componentelor. O simulare FE asigură informațiile necesare pentru diferențierea densității fibrelor, precum și o diagramă tehnologică a forțelor globale care influențează în mod individual al doilea strat din fibre de carbon care ranforsează legătura dintre cele două straturi ale învelișului, conform fluxului de forțe furnizat.

Fabricație robotizată

Pentru fabricarea componentelor dublu curbate, cu formă geometrică unică, s-a pus la punct o metodă de răsucire robotizată specială, care presupune utilizarea a doi roboți industriali cu 6 axe pentru răsucirea fibrelor între două cadre din oțel realizate la comandă, susținute de roboți. Etapa de fabricație devine ea însăși parte integrantă din procesul de proiectare și de materializare, de vreme ce ea trebuie să furnizeze setul de parametri și limitările necesare în etapa de proiectare. Obiectivul a fost acela de a crea un mediu care să asigure cât mai multă libertate geometrică cu putință pentru producerea de geometrii compozite din fibre, concomitent cu reducerea la minimum a complexității și a cantității de materiale utilizate. Efectorii, care definesc porțiunea din marginea componentelor pe care sunt răsucite fibrele, au fost construiți din profile telescopice dreptunghiulare din oțel și au putut fi adaptați și reutilizați la fiecare componentă.

Pe tot parcursul procesului de răsucire, fibrele impregnate cu rășină au fost răsucite în jurul celor două cadre prin mișcarea sincronă a celor doi roboți și a cadrelor din margine. Utilizarea celor doi roboți a permis răsucirea elementelor fără nicio structură interstițială, asigurând stabilitatea și precizia ambelor cadre și menținând, în același timp, complexitatea strategiei de controlare a roboților la un nivel scăzut, deoarece ambii roboți executau mișcări paralele.

Datorită posibilității de reutilizare a cadrelor efectorilor, precum și reducerii cofrajului necesar, tehnica de răsucire coreless a permis o maximă economisire a materialelor și resurselor și a produs, totodată, componente diferențiate și de o mare complexitate geometrică.

Prototipul biomimetic

În total au fost fabricate 36 de elemente individuale, a căror geometrie a avut la bază principiile structurale extrase din elitrele coleopterelor. Fiecare componentă are o structură fibroasă specifică, având ca efect un sistem portant eficient. Cel mai mare element are un diametru de 2,6 metri și o greutate de numai 24,1 kg. Pavilionul de cercetare se întinde pe o suprafață totală de 50 m² și are un volum de 122 m³ și o greutate de 593 kg.

Geometria de ansamblu reacționează la condițiile specifice spațiului public din jurul clădirii universității, aflată în proximitatea parcului. În același timp, aceasta demonstrează adaptabilitatea morfologică a sistemului prin generarea unor aranjamente spațiale mai complexe decât cele existente la o simplă structură de tip înveliș. Pavilionul demonstrează, practic, cum sinteza computerizată a principiilor biologice structurale și a relațiilor reciproce complexe dintre material, formă și fabricația robotizată poate conduce la metode de construcție inovatoare care folosesc materiale compozite din fibre. În același timp, abordarea multidisciplinară nu conduce doar la construcții cu masă redusă, performante și eficiente din punctul de vedere al materialelor, ci și explorează calități spațiale noi și extinde posibilitățile tectonice ale arhitecturii.

Today’s fabrication and construction methods enable a radically different view on design then conventional design methods. Through the automation and increased precision of fabrication technologies such as the use of industrial robots or CNC procedures, building systems with a highly increased performance are now enabled to be produced. The shift in the production methods though requires a parallel rethinking of design methodologies and paradigms. Performance on a manufacturing level can only be achieved if the methods, constraints and potentials are clearly articulated in the design process and are informing it during the planning and not after the design phase has been completed.

Traditionally architectural design has followed top down design processes in which material and fabrication considerations are usually subordinated to an independently predefined geometric solution. Through the development of bottom-up design strategies, which can build upon various parameters, both the design development and the materialisation process can be integrated as equal drivers.

The use of algorithmic generative methods and open design systems that are able to relate and react to external parameters enable the development of performative systems that directly embed and benefit from the potentials of digital fabrication methods.

The ICD/ITKE Research Pavilion 2013-14 is part of a successful series of research pavilions developed at the University of Stuttgart which showcase the potential of novel design, simulation and fabrication processes in architecture. The project was planned and constructed within one and a half years by students and researchers within a multidisciplinary team of biologists, palaeontologists, architects and engineers.

The pavilion presents a design approach based on multiple parallel bottom-up investigations, exemplifying how concurrent research on biomimetic principles and innovative fabrication methods lead to an integrative design process that brings together parameters such as biological principles, material properties, structural performance and fabrication constraints in a computational design setup.

Therefore functional principles of natural fibre-based structures were analysed, abstracted and through the development of a custom robotic fabrication method, translated into a modular prototype pavilion.

Biomimetic Investigation

Through an interdisciplinary collaboration between architects and engineers from Stuttgart University and biologists from Tübingen University  various natural lightweight structures were investigated in an attempt to find principles that are abstractable and applicable to architectural implementations. The beetles Elytron, the protective shell of the beetle’s wings and abdomen, proved to have excellent structural properties and a high material efficiency. Their performance rely strongly on the morphology of a double-layered system and the anisotropic characteristics of the fibre bades material which allows for locally differentiated material properties.

In cooperation with the ANKA Synchrotron radiation Facility and the Institute for Photon Science and Synchrotron Radiation at the Karlsruhe Institute of Technology (KIT), a highly detailed analysis of various Beetles Elytra morphology was achieved through micro computed tomography images. SEM scans from Tübingen provided detailed information on the fibre arrangements on a microscopic level. The Elytra morphology is based on a double layered structure which is connected by column-like doubly curved support elements, the trabeculae. . The fiber layout within a trabecula merges the upper and lower shell segments with continuous fibers. The hereby identified structural morphological differentiation appears on the global arrangement of trabeculae in the overall system and the local position, density and orientation of the chitin fibres. Through the translation of these principles in geometric rules these underlying specificities of the beetles Elytra morphologies could be integrated into the computational design tool and define the morphological foundation for the pavilions geometry.

Material and Structural Logic

Parallel to the biomimetic investigation, extensive research on a possible material system and fabrication techniques was conducted in a second bottom-up process. Hereby, the material is not simply applied to a predefined shape, it is solely defining the geometric range and characteristics defined by it, providing a solution space and setting constraints and working parameters for the design process. This leads to a global geometric outcome that is a consequence and not a … of the material properties and the developed fabrication method.

Glass and carbon fibre reinforced polymers have been identified as a material with great potential, on the one hand for their high weight to strength ratio, which leads to extremely lightweight constructions, and on the other hand their high potential for generating differentiation through custom fibre laying. Together with their unrestrained mouldability these characteristics make fibre reinforced polymers highly suitable for the manufacturing of complex geometries and individual anisotropic material definition needed for the implementation of the abstracted geometric principles. Standard fabrication techniques rely on the, in many cases, manual application of fibres to a prefabricated complex mould, a method that proves to be time and cost intensive and inefficient for individual architectural tasks.

As a consequence a core-less robotic winding method was developed, which minimises the necessary formwork to a reusable frame and enables geometrically complex modules with anticlastic curvature to be produced. For the translation of the beetle trabeculae morphology into a component geometry, fibres are helicoidally wound around the component’s two frames. The resulting doubly curved geometry is purely the result of the materials properties, the fibre fibre interaction. Through the continuous subsequent winding between the two frames, the linear fibres get tensioned by the previously layed fibres and by the ones that follow, requiring the material to constantly negotiate a state of equilibrium throughout the fabrication process. This results in a geometry that is the pure consequence of the material interaction and has not been predefined as a whole, but as a set of frame parameters.

At the same time the development of an automatic robotic winding method enables an efficient was of highly differentiating the fibre layout throughout one component or between different ones.

For the fabrication of 36 individual elements the definition of a parametric winding syntax, which can be automatically applied to each component’s boundary definition, was mandatory. For this purpose, a set of rules was developed and tested based on parameters such as topology and component dimensions, angles between edges, distance between inner and outer layer, maximum degree of non-planarity and opening degrees of the components. Through numerous hand-winding tests, digital simulation and robotic winding experiments, an appropriate logic for the fibre layout sequence was developed and refined throughout the whole research process. Each element required three different layers of winding, a form giving first glass- fibre layer, a generic carbon fibre edge reinforcement layer and a component specific structural reinforcement carbon fibre layer. Throughout the winding of all layers, a proper fibre to fibre bond needs to be constantly ensured, in order for the resulting geometry to be structurally active. The first carbon fibre layer additionally allows a differentiation of the depth and density of the applied fibres depending on the resulting local forces around the components edges. An FE simulation provides the necessary information for the differentiation of the fibre density, as well as a global force flow diagram that individually informs the second carbon fibre layer which reinforces the connection between the two layers of the shell according to the provided force flow.

Robotic Fabrication

For the fabrication of the geometrically unique , double curved components, an individual robotic winding method was developed, which uses two collaborating 6-axis industrial robots to wind fibres between two custom made steel frames held by the robots. The fabrication setup itself becomes an integral part of the design and materialisation process, since it needs to inform the design with its range of parameters and limitations. The goal was to develop a setup that provides as much geometric freedom as possible for the production of distinct fibre composite geometries while minimising its complexity and material usage. The effectors, which define the components boundary on which the fibres are wound, were built from telescopic rectangular steel profiles and could be adapted and reused for every component.

Throughout the winding process, the resin impregnated fibre is being wound around the two frames through the synchronous movement of the two robots and thus boundary frames. The use of two robots allowed the winding of the elements without any interstitial structure, ensuring stability and precision of both frames, while keeping the robotic control strategy’s complexity low, as both robots perform parallel movements.

The reusability of the effector frames as well as the reduction of the necessary formwork make the core-less winding technique a very material efficient and resource saving technique at the same time producing components with great geometric complexity and material differentiation.

Biomimetic Prototype

In total 36 individual elements were fabricated, whose geometries are based on structural principles abstracted from the beetle elytra. Each of them has an individual fiber layout which results in a material efficient load-bearing system. The biggest element has a 2.6 m diameter with a weight of only 24.1 kg. The research pavilion covers a total area of 50 m² and a volume of 122 m³ with a weight of 593 kg.

The overall geometry reacts to site-specific conditions of the public space around the university building in close proximity to the park. At the same time it demonstrates the morphologic adaptability of the system, by generating more complex spatial arrangements than a simple shell structure. Altogether the research pavilion shows how the computational synthesis of biological structural principles and the complex reciprocities between material, form and robotic fabrication can lead to the generation of innovative fiber composite construction methods. At the same time the multidisciplinary research approach does not only lead to performative and material efficient lightweight constructions, it also explores novel spatial qualities and expands the tectonic possibilities of architecture.