CONCRETE FORM[ing]WORK : Design, Fabrication, Simulation and Correlation of Parametrically Patterned Flexible Formwork and Concrete

• Concrete is one of the most commonly used construction materials, yet industrial fabrication continues to default to established standards of planar formwork and uniform cross-sections for the sake of simplicity and predictability. The research conducted within Concrete Form[ing]work explored alternative methods of producing concrete formwork with a simple, technical re-imagination of material: exchanging the familiar, i.e., rigid wood, for flexible fabric. A survey of state-of-the-art research in the field of flexible formwork identified extant challenges hindering a more widespread industrial adoption of this concrete forming method. The research presented in this thesis identified two fundamental challenges: the complex tailoring required to produce non-standard forms and the lack of accurate simulation tools to visualize and communicate the fabrication process. This researchs employed a recursive, process-based workflow to construct design research experiments that addressed both of these shortcomings. The experiments were conducted within the fields of smocking, flexible formwork, computational patterning, simulation and correlation, and involved various levels of artifact development (probe, prototype and demonstrator). A review of relevant research revealed three significant characteristics of craft-based experiments: procedural workflows, evaluation criteria and the externalization of tacit material knowledge. These qualities served as a foundation for Concrete Form[ing]work’s research methodology and how experiments were constructed. A circular workflow of simulation, fabrication and calibration was employed to negotiate the complex relationship between parametrically tailored fabric and concrete materiality. Experiments were conducted using various ‘wandering’ approaches (serial, expansive, probing) based on the presence or absence of a preconceived hypothesis; these various approaches allowed for valuable knowledge production while retaining notions of craft. This research includes a comprehensive investigation of the potential of smocking as a means of tailoring complex formwork. Smocking is a centuries-old patterning technique of gathering and pinching fabric; its distinct feature is the ability to transform a flat sheet of gridded material into a complex surface without the extensive tailoring of custom pieces. By cataloging the related research fields of mesh unrolling, origami, kirigami origami, auxetic materials and conformal mapping in great depth, the research presented in this thesis has viii developed a digital tool, OriNuno, that deconstructs double-curved geometries into smocking patterns. OriNuno exemplifies the ability to program both local and global geometrical articulation with parametric smocking, allowing for the sustainable fabrication of complex forms from a single sheet of material. Secondly, this research systematized tacit material knowledge in the field of flexible formwork and concrete through communication and externalization. This was achieved by highlighting not just the result but the process of experimentation and developing accurate simulation tools that correlated with the final fabricated counterparts. The simulation tool utilizes open-source plugins to construct particle-spring models, which negotiate the complex interconnections between concrete rheology, hydrostatic forces and textile elasticity. The digital tool was refined through an iterative feedback loop between simulation, computation, physical experiments and assembly to ensure high correlation with cast counterparts. The contribution of the research conducted in this thesis can be viewed in terms of two aspects: the textile patterning of complex forms without an overabundance of unique elements and the expansion of accessible design and accurate simulation tools for flexible formwork. Addressing existing knowledge gaps and formalizing implicit knowledge improves the accessibility, utility and repeatability of flexible formwork fabrication methods for industry and designers with no previous tacit experience. This thesis takes significant steps to repair the once-fractured relationship between designer and fabricator through iterative material and digital experiments. In doing so, the research conducted within Concrete Form[ing]work has the potential to fundamentally change and streamline how the field of computational patterning and flexible formwork is approached and integrated within architectural design.

• Betong är ett de flitigast använda byggmaterialen i världen, men trots detta begränsar sig de etablerade standarder som styr den industriella tillverkningen av betong för enkelhetens och förutsägbarhetens skull till rak formgivning och enhetliga tvärsnitt. Inom ramen för Concrete Form[ing]work utforskades alternativ till befintliga formsättningsmetoder genom en enkel teknisk omdaning av själva materialet: det välkända, rigida träet byttes ut mot flexibelt tyg.I en översikt av det aktuella forskningsläget inom flexibel formsättning och gjutning av betong identifierades ett antal utmaningar som i dagsläget förhindrar införandet av flexibla formsättningssystem på bred front inom industrin. Den forskning som läggs fram i avhandlingen identifierade och sökte lösningar till två grundläggande utmaningar: a) den komplexa sömnad som krävs för att tillverka icke-standardiserade former och b) avsaknaden av konstruktions- och simuleringssverktyg som möjliggör visualisering och kommunikation av tillverkningsprocessen. Ett rekursivt, processbaserat arbetsflöde användes för att utforma forskningsexperimenten, vilka undersökte och sökte finna lösningar till ovan nämnda utmaningar.Experimenten inriktade sig mot olika stadier av produktutvecklingsprocessen (probe, prototype och demonstrator) och genomfördes inom områdena smockning, flexibel formgivning, datorstödd mönsterkonstruktion, simulering och korrelation. En översikt av tidigare forskning rörande hantverksbaserade experiment påvisade att dessa har tre viktiga kännetecken: procedurellt arbetsflöde, utvärderingskriterier and externalisering av tyst materialkunskap. Dessa kännetecken utgjorde grunden för den forskningsmetodik på vilken forskningen inom Concrete Form[ing]work vilade och vilken var avgörande för experimentens utformning. Ett cirkulärt arbetsflöde bestående av simulering, tillverkning och kalibrering tillämpades för att hantera det komplexa förhållandet mellan det parametriskt skräddarsydda tyget och betongens materialitet. Beroende på om en hypotes förelåg eller inte genomfördes experimenten med olika typer av ”vandrande” tillvägagångssätt (seriellt, expansivt, undersökande) – detta arbetssätt möjliggjorde värdefull kunskapsproduktion samtidigt som forskningens hantverksmässiga aspekter bibehölls.Forskningsansatsen första bidrag till forskningsfältet var utförandet av en omfattande undersökning av smockningens potential som tillverkningsmetod för skräddarsydda, komplexa formsättningar. Smockning är en månghundraårig xii mönstringsteknik i vilken tyget dras samman och fästs så att rynkor uppstår. Tekniken utmärks främst av att den gör det möjligt att förvandla en plan, rutnätsmönstrad yta till en komplext krökt yta utan att behöva klippa till och sy ihop en mängd unika delar. Genom en systematisk genomgång av relaterade forskningsfält såsom utrullning av nätmönster, kirigami, origami, auxetiska material och konform projektion utvecklades inom ramen för denna forskningsansats ett digitalt mönsterkonstruktionsverktyg som dekonstruerar dubbelkrökta geometriska former och omskapar dem till smockmönster. Detta verktyg påvisade såväl möjligheten att programmera både lokal och global geometrisk artikulation i parametrisk smockning som möjligheten att på ett hållbart sätt tillverka komplexa former utifrån ett enda plant ark.Studiens andra bidrag bestod i att tyst materialkunskap inom området flexibel formsättning och betonggjutning systematiserades genom att kommuniceras och externaliseras. Detta åstadkoms genom att inte enbart belysa resultatet utan även experimenteringsprocessen som helhet och utvecklingsprocessen av det simuleringsverktyg som möjliggjorde korrelation mellan simulering och fysisk slutprodukt. Det utvecklade digitala verktyget använder plugins med öppen källkod för att konstruera fjädrande partikelmodeller som kan hantera det komplexa förhållandet mellan betongens reologiska egenskaper, hydrostatiska krafter och textilens elasticitet. Det digitala verktyget vidareutvecklades genom en iterativ feedback-loop (simulering, beräkning, fysiska experiment och montering) för att säkerställa högsta möjliga korrelation mellan simulation och gjuten slutprodukt.Sammantaget kan dessa båda bidrag till designforskningen anses utgöra två delar av en helhet: dels skapades möjligheten att konstruera textila mönster för komplexa former utan att detta innebär att en stor mängd unika delar måste klippas till och sys ihop, dels utökades antalet tillgängliga och tillförlitliga digitala verktyg för design och simulering av flexibla formsättningsystem. Genom att söka fylla i befintliga kunskapsluckor och formalisera underförstådd kunskap sökte denna studie öka tillgängligheten, användbarheten och repeterbarheten för de tillverkningsmetoder som används vid tillverkning av flexibla formsättningssystem både inom industrin och av designers som ännu inte besitter den tysta kunskap som krävs.Genom de iterativa experiment med fysiska material och digitala simuleringar som genomförts inom ramen för Concrete Form[ing]work har betydande steg tagits för att återställa den splittrade relationen mellan designer och tillverkare. xiii Den forskning som presenteras i denna avhandling har potentialen att i grunden förändra och förenkla det sätt på vilket man närmar sig och integrerar områdena datorstödd mönsterkonstruktion och flexibla formsättningssystem inom arkitekturens gestaltning.

Ämnesord

HUMANIORA  -- Konst -- Arkitektur (hsv//swe)

HUMANITIES  -- Arts -- Architecture (hsv//eng)

Nyckelord

concrete

flexible formwork

geometry

parametric patterning

craft

smocking

simulation

correlation

betong

flexibel formsättning

geometri

parametrisk mönsterkonstruktion

hantverk

smockning

simulering

korrelation

Architectural Technology

Arkitekturteknik

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)