Ice Formwork : The Rationale and Potential of Ice-Based Moulding Systems  for the Production of Complex-Geometry  Precast Concrete

• This doctoral thesis analyses and makes proposals about adapting the poten-tial of digital means of production to the needs of the concrete industry. More precisely, it aims at fostering the development of sustainable material cycles and the innovation in manufacturing methods in the field of architectural and structural design of ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC). The first part of the thesis approaches this intertwined technical problem of digital innovation in the production of concrete with an analysis of the current state of affairs in the concrete industry. As such, this analysis spans from the material science of concrete to life-cycle assessment to archi-tectural and structural design development discourse and computer-aided manufacturing. These analytical cogitations in turn lead to the experimental programme of the second part of the thesis. In the course of these research activities, a non-conventional material system based on robotically-processed ice moulds for non-standard cast concrete parts was found to support a highly economical, sustainable and automated production process, as well as to promote the advancement of concrete design in architecture and structural engineering.The Ice Formwork system is a digital fabrication method proposed, stud-ied and tested in the course of this doctoral research. The method enables production of bespoke design geometry using artificially frozen water as the moulding material in lieu of the petrochemical or engineered wood prod-ucts conventionally used for the moulding. Water replaces the conventional non-recyclable moulding materials and can be continuously reused, forming an optimal closed-loop material flow in the production process.It has been identified that the Ice Formwork method can significantly reduce the embodied energy and carbon footprint of the derivative concrete products and allows reduced cement consumption as it is compatible with UHPC, and that it fully supports the production of complex and mass-op-timized concrete structures. In addition, a unique practical advantage of Ice Formwork is the rapid and autonomous demoulding process facilitated by simple melting of the ice moulds. The method thus allows the robotic fab-rication of design geometry that would be unfeasible with other production methods.The research work has resulted in a fundamental study of the new mate-rial configuration of ice-based concrete production. The technological system has been examined in three scientific areas: the material science of concrete, the robotic mechanical processing of ice with consideration of the challenges posed by architectural design geometry, and the environmental assessment of the proposed system. These disciplinary studies have been published through peer-reviewed sources and are appended to this thesis.

• Denna doktorsavhandling analyserar och föreslår hur potentialen i digitala produktionsmedel kan anpassas för betongindustrins behov. Mer exakt syftar avhandlingen till att främja utvecklingen av hållbara materialcykler samt innovativa tillverkningsmetoder inom arkitektonisk och strukturell design med ultra-high performance fibre-reinforced concrete (UHPFRC). Den första delen i avhandlingen tar sig an förutsättningarna för de integrerade tekniska problemen med digital innovation vid betongproduktion och analyserar det aktuella läget i betongindustrin. På detta sätt inbegriper analysen allt från materialvetenskap om betong till livscykelbedömning och diskurser inom arkitektur och konstruktion, samt datorstödd tillverkning. Dessa analytiska reflektioner ledde i sin tur fram till det experimentella programmet som utgör den andra delen i avhandlingen. Experimenten visade på att ett icke-konventionellt materielsystem baserat på robotbearbetade gjutformar i is för icke-standardiserade gjutna betongdelar kan understödja en mycket ekonomisk, hållbar och automatiserad produktionsprocess samt kan gynna utvecklingen i arkitektur och konstruktionsteknik inom betongdesign.Det föreslagna Ice Formwork-systemet är en digital tillverkningsmetod som har utvecklats, och utvärderats under doktorandstudierna. Metoden möjliggör produktion av skräddarsydd designgeometri genom att använda nedfryst vatten som formgjutningsmaterial i stället för petrokemiska ämnen eller träprodukter som är de konventionella metoderna vid betonggjutning. Vatten ersätter alltså vedertagna icke-återvinningsbara formgjutningsmaterial och kan därmed återanvändas om och om igen och bidrar till ett optimalt materialflöde i en cirkulär produktionsprocess.Ice Formwork har identifierats som en metod som avsevärt kommer att minska den integrerade energianvändningen och koldioxidavtrycket av de resulterande betongprodukterna och möjliggör minskad cementförbrukning eftersom den är kompatibel med UHPC samt att den fullt ut understödjer produktionen av komplexa och massoptimerade betongkonstruktioner. Dessutom finns det en unik och praktisk fördel med Ice Formwork genom den snabba och autonoma avformningsprocessen genom att helt enkelt smälta isformarna. Metoden möjliggör således robotiserad tillverkning av designgeometri som inte är lämpliga att framställa med andra produktionsmetoder.Forskningsarbetet har resulterat i en grundläggande studie av den nya materialkonfigurationen för isbaserad betongproduktion. Det tekniska systemet har undersökts inom tre vetenskapliga områden: betongens materialvetenskap, robotiserad mekanisk bearbetning av is med hänsyn till de utmaningar som arkitektonisk designgeometri medför samt utvärdering av miljöpåverkan hos det föreslagna systemet. Dessa disciplinära studier har publicerats med vetenskaplig granskning och bifogas denna avhandling.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Arkitekturteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Architectural Engineering (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Samhällsbyggnadsteknik -- Husbyggnad (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Civil Engineering -- Building Technologies (hsv//eng)

Nyckelord

Ice Formwork

High-Performance Concrete

Digital Fabrication

Refrigeration

Embodied Energy

Grey energy

Carbon Footprint.

Architectural Technology

Arkitekturteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)