Irregular structural grid systems: the design of non-standard architectural forms with structural complexity

Abstract

This Ph.D. Thesis proposes a new approach to architectural design, by revisiting the concept of structural complexity and the way it is creatively embedded in the design process, and defines as well as adapts the form-finding process of complex architectural forms. Under this scope, the thesis is observing how the architect’s role is being transformed, defying the existing one, that up to now was to design a form in a deterministic way, and define the ways of its materialization. In this context, the architect acquires a collaborative role and becomes part of an interdisciplinary group, able to exploit and appreciate the symbiotic relationship between the domains of structural engineering, material sciences, computation and biology. Moreover, the Ph.D. Thesis examines the role that computation plays in the relationship between form and structure, by defining the concept of ‘non-standard’ forms in digitally generated architectural design. The bifurcation occurs when structure becomes a form-finding parameter with the capacity to transform and adapt Irregular structural forms by highlighting the concept of structural complexity. The methodology is based on a particular category of non-standard forms, which is effectively its case study. In particular, it focuses on the Irregular Structural Grids, as a representative example, whose unique structural behaviour and advanced structural complexity account for the emergence of the final form. Therefore, a number of featured digital experiments conducted and researched seek to study, define and develop techniques in order to obtain and generate novel and optimum morphological design proposals. More specifically, the methodology was conducted as followed: A pilot study is initially displayed that serves as preliminary feedback to the followed computational method. The core experiments are then described; in particular, these investigations are assessed under different geometrical, load-bearing scenarios and materiality criteria and are divided into three main experimental groups: 1. Self-organised grids via genetic algorithms on a NURBS surface. 2. Self-organised grid morphologies via genetic algorithms on a high-rise volume and, 3. Material-based, self-organised Grid Morphologies via Genetic Algorithms. Finally, problems involved and issues aroused during the research undertaken are overviewed and critically discussed. More specifically, further suggestions and future developments are included that were beyond the scope of this Ph.D. thesis, but can be a fertile ground for new research avenues. Lastly, the concluding remarks that regard the overall research and specifically the evaluation results obtained by the digital investigations are presented as well.

Η διδακτορική διατριβή πραγματεύεται μία νέα προσέγγιση στον αρχιτεκτονικό σχεδιασμό, επιχειρώντας να επαναπροσδιορίσει την έννοια της πολυπλοκότητας της δομής μια μορφής και τον τρόπο που αυτή ενσωματώνεται, ορίζει, επηρεάζει καθώς και προσαρμόζει τη μορφογενετική διαδικασία. Μέσα από αυτή τη νέα προσέγγιση η διατριβή παρακολουθεί πώς ο ρόλος του αρχιτέκτονα μετασχηματίζεται πέρα από τον μέχρι πρότινος ρόλο που καθόριζε τη μορφή και όριζε τους τρόπους υλοποίησής της. Εν αντιθέσει, λαμβάνει αυτόν του συνεργάτη και του μέλους μιας διεπιστημονικής ομάδας που οφείλει να αντιλαμβάνεται τη συμβιωτική του σχέση αλληλεπίδρασης με τα πεδία της δομικής μηχανικής, του προγραμματισμού, της επιστήμης των υλικών, της προσομοίωσης και της βιολογίας . Επιπροσθέτως, ερευνά τον ρόλο που παίζει η χρήση των υπολογιστών και ο προγραμματισμός εν γένει, στον καθορισμό της σχέσης μεταξύ δομής και μορφής στην αρχιτεκτονική, μέσα από την ερμηνεία και καθορισμό των “μη κανονικών” (‘non-Standard’) μορφών στην ψηφιακή αρχιτεκτονική. Το κομβικό σημείο εντοπίζεται στο πώς η έννοια του φορέα μπορεί να αποτελέσει μορφογενετικό παράγοντα που διαμορφώνει και μετασχηματίζει τις μη-κανονικές μορφές δίνοντας ιδιαίτερη έμφαση στην έννοια της πολυπλοκότητας και ειδικότερα της δομικής πολυπλοκότητας ή της πολυπλοκότητας του φορέα. Η μεθοδολογία βασίστηκε σε μία συγκεκριμένη κατηγορία μη κανονικών μορφών, την οποία και θέτει ως πεδίο έρευνας (Case Study). Πιο συγκεκριμένα, εστίασε στις Ακανόνιστες δικτυωτές κατασκευές (Irregular Structural Grids), σαν αντιπροσωπευτικό παράδειγμα μη-κανονικών αρχιτεκτονικών μορφών, - η πολυπλοκότητα στη δομή των οποίων αποτελεί τον παράγοντα από τον οποίο θα αναδυθεί η εν δυνάμει μορφή. Έτσι, στο πλαίσιο της μεθοδολογίας, πραγματοποιούνται και ερευνώνται μία σειρά από ψηφιακούς πειραματισμούς που επιχειρούν να μελετήσουν, καθορίσουν αλλά και να αναπτύξουν μεθοδολογίες και τεχνικές προκειμένου οι δυναμικοί παράγοντες (φορτίων) να καθορίσουν την ανάδυση καινοτόμων μορφολογικών σχεδιαστικών προτάσεων. Πιο συγκεκριμένα, η μεθοδολογία πραγματοποιήθηκε ως εξής: Αρχικά αναλύεται η πιλοτική μελέτη, που λειτουργεί προπαρασκευαστικά ώστε να οριστεί ο τρόπος και η πορεία της ερευνητικής μεθόδου. Εν συνεχεία, περιγράφονται αναλυτικά τα 4 βασικά πειράματα σε σχέση με τα δεδομένα, τη διαδικασία καθώς και τον τρόπο που αξιολογούνται. Ο τρόπος αξιολόγησης εφαρμόζεται σε σχέση με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά, τις διαφορετικές περιπτώσεις φορτίσεων, την υλικότητα και συνεπώς ορίζονται τρεις βασικές πειραματικές ομάδες: 1. Αυτο-οργανωμένα ακανόνιστα δικτυώματα μέσω γενετικών αλγορίθμων σε μία καμπυλόμορφη επιφάνεια (NURBS Surface). 2. Αυτο-οργανωμένα ακανόνιστα δικτυώματα μέσω γενετικών αλγορίθμων σε επιμήκη καθ’ ύψος εφαρμογή. 3. Αυτο-οργανωμένα ακανόνιστα δικτυώματα μέσω γενετικών αλγορίθμων βασισμένα σε χαρακτηριστικά και συμπεριφορά υλικού. Στο τέλος περιλαμβάνονται τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την ερευνά, τα ζητήματα που εμφανίστηκαν κατά την διάρκειά της, καθώς και προτείνονται πιθανές βελτιώσεις που θα μπορούσαν να γίνουν σε συνέχεια της έρευνας στο μέλλον.