Перевод №

Источник http://www.archdaily.com/200685/icditke-research-pavilion-icd-itke-university-of-stuttgart

From the architect. In summer 2011 the Institute for Computational Design (ICD) and the Institute of Building Structures and Structural Design (ITKE), together with students at the University of Stuttgart have realized a temporary, bionic research pavilion made of wood at the intersection of teaching and research. The project explores the architectural transfer of biological principles of the sea urchin’s plate skeleton morphology by means of novel computer-based design and simulation methods, along with computer-controlled manufacturing methods for its building implementation. A particular innovation consists in the possibility of effectively extending the recognized bionic principles and related performance to a range of different geometries through computational processes, which is demonstrated by the fact that the complex morphology of the pavilion could be built exclusively with extremely thin sheets of plywood (6.5 mm).

От архитектора. Летом 2011 года Институт Вычислительного проектирования (ICD) и Институт строительной конструкции и конструктивного проектирования (ITKE) совместно со студентами Штутгартского университета, реализовали временный, бионический экспериментальный деревянный павильон. Проект направлен на изучение архитектурных связей с биологическими принципами строения скелета морского ежа - с помощью новых компьютерных методов проектирования и моделирования, а также управляемых компьютером методов производства для его реализации. Особенная новизна проекта состоит в возможности фактического расширения понятий об известных бионических принципах и связанных с ними представлений в виде различных геометрических форм посредством компьютерных вычислений, которые продемонстрировали тот факт, что сложная морфология павильона может быть реализована только с крайне тонкими листами фанеры (6.5 мм).

BIOLOGICAL SYSTEM

БИОЛОГИЧЕСКАЯ СИСТЕМА

The project aims at integrating the performative capacity of biological structures into architectural design and at testing the resulting spatial and structural material-systems in full scale. The focus was set on the development of a modular system which allows a high degree of adaptability and performance due to the geometric differentiation of its plate components and robotically fabricated finger joints. During the analysis of different biological structures, the plate skeleton morphology of the sand dollar, a sub-species of the sea urchin (Echinoidea), became of particular interest and subsequently provided the basic principles of the bionic structure that was realized. The skeletal shell of the sand dollar is a modular system of polygonal plates, which are linked together at the edges by finger-like calcite protrusions. High load bearing capacity is achieved by the particular geometric arrangement of the plates and their joining system. Therefore, the sand dollar serves as a most fitting model for shells made of prefabricated elements. Similarly, the traditional finger-joints typically used in carpentry as connection elements, can be seen as the technical equivalent of the sand dollar’s calcite protrusions.

Цель проекта - внедрить перформативную способность биологической структуры в процесс архитектурного проектирования и протестировать полученные пространственные структуры материальных систем в их натуральном масштабе. Основное внимание было уделено разработке модульной системы, которая обеспечивает высокую степень адаптивности и производительности благодаря геометрической дифференциации его пластинчатых компонентов и выполненных роботами соединений. В ходе анализа различных биологических структур особенный интерес вызвала морфология пластинчатого скелета морского ежа, подвида морского ежа (Echinoidea), что впоследствии и помогло сформулировать основные конструктивные принципы реализованной бионической структуры. Скелетная оболочка морского ежа представляет собой модульную систему из многоугольных пластин, соединенных между собой кальцитовыми «пальчиками». Высокая несущая способность достигается за счет определенного  геометрического расположения пластин и их соединений. Поэтому морской еж оказался наиболее подходящим прототипом для сборного каркаса. Аналогичным образом традиционные гребенчатые соединения, обычно используемые в столярных изделиях в качестве соединительных узлов, можно рассматривать как технический эквивалент кальцитовых  соединений у ежа.

MORPHOLOGY TRANSFER

ПЕРЕДАЧА МОРФОЛОГИИ

Following the analysis of the sand dollar, the morphology of its plate structure was integrated in the design of a pavilion. Three plate edges always meet together at just one point, a principle which enables the transmission of normal and shear forces but no bending moments between the joints, thus resulting in a bending bearing but yet deformable structure. Unlike traditional lightweight construction, which can only be applied to load optimized shapes, this new design principle can be applied to a wide range of custom geometry. The high lightweight potential of this approach is evident as the pavilion that could be built out of 6.5 mm thin sheets of plywood only, despite its considerable size. Therefore it even needed anchoring to the ground to resist wind suction loads.

В результате анализа строения скелета морского ежа морфология его пластинчатой структуры была использована в дизайне павильона. Три стороны полигона соединяются с другими элементами только в одной точке,  что обеспечивает передачу нормальных и поперечных сил без изгибающего момента в местах соединений - это приводит к устойчивой, но в то же время деформируемой структуре. В отличие от традиционной облегченной конструкции, которую можно применять только для создания  оптимизированных форм, этот новый принцип проектирования может быть применен в решении самых разных геометрических задач. Потенциал такого подхода очевиден в силу того самого факта. что павильон, несмотря на свои значительные размеры, построен из фанерных листов толщиной всего лишь 6,5 мм. Из-за ветра его даже пришлось привязать к земле.

Besides these constructional and organizational principles, other fundamental properties of biological structures are applied in the computational design process of the project:

Помимо описанных конструктивных и организационных принципов в процессе вычислительного проектирования применялись и другие фундаментальные свойства биологических структур:

- Heterogeneity: The cell sizes are not constant, but adapt to local curvature and discontinuities. In the areas of small curvature the central cells are more than two meters tall, while at the edge they only reach half a meter.

- Неоднородность: Размеры ячеек не постоянны, они адаптированы к локальной кривизне и разрыву. В местах небольшой кривизны центральные ячейки имеют высоту более двух метров, а на краю их размеры достигают всего полметра.

- Hierarchy: The pavilion is organized as a two-level hierarchical structure. On the first level, the finger joints of the plywood sheets are glued together to form a cell. On the second hierarchical level, a simple screw connection joins the cells together, allowing the assembling and disassembling of the pavilion. Within each hierarchical level only three plates - respectively three edges – meet exclusively at one point, therefore assuring bendable edges for both levels.

- Иерархия: Павильон организован как двухуровневая иерархическая структура. На первом уровне гребенчатые фанерные соединения образуют ячейку. На втором иерархическом уровне простое винтовое соединение позволяет собирать и разбирать павильон. Внутри каждого уровня только три пластины - соответственно три ребра - и все они соединяются исключительно в одной точке, что позволяет загибать края пластин на обоих уровнях.

COMPUTATIONAL DESIGN AND ROBOTIC PRODUCTION

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ И МАШИННОЕ ПРОИЗВОДСТВО

A requirement for the design, development and realization of the complex morphology of the pavilion is a closed, digital information loop between the project’s model, finite element simulations and computer numeric machine control. Form finding and structural design are closely interlinked. An optimized data exchange scheme made it possible to repeatedly read the complex geometry into a finite element program to analyze and modify the critical points of the model. In parallel, the glued and bolted joints were tested experimentally and the results included in the structural calculations.

Все требования к проектированию, разработке и реализации сложной морфологии павильона диктуются замкнутым информационным циклом между прототипом, имитацией и компьютерным управлением. Формообразование и структурное проектирование тесно взаимосвязаны. Оптимизированная схема обмена данными позволила неоднократно считывать сложную геометрию в программу для построения конечных элементов - чтобы проанализировать и определить критические точки  модели. Параллельно для клееных и болтовых соединений были проведены испытания, результаты которых были включены в строительные расчеты.

The plates and finger joints of each cell were produced with the university's robotic fabrication system. Employing custom programmed routines the computational model provided the basis for the automatic generation of the machine code (NC-Code) for the control of an industrial seven-axis robot. This enabled the economical production of more than 850 geometrically different components, as well as more than 100,000 finger joints freely arranged in space. Following the robotic production, the plywood panels were joined together to form the cells. The assembly of the prefabricated modules was carried out at the city campus of the University of Stuttgart. All design, research, fabrication and construction work were carried out jointly by students and faculty researchers.

Пластины и гребенчатые соединения каждой ячейки были реализованы при помощи университетских роботов. Используя запрограммированные шаблоны, вычислительная модель обеспечила основу для автоматической генерации машинного кода (NC-Code) для управления промышленным семиосным роботом. Это позволило изготовить более 850 геометрически различных компонентов, а также более 100 000 “гребенок”, свободно расположенных в пространстве. После машинного производственного процесса фанерные панели соединили вместе, образуя ячейки. Сборка модулей была проведена в городском кампусе Штутгартского университета. Все проекты, исследования, процесс изготовления деталей и строительные работы проводились студентами и преподавателями факультетов.

The research pavilion offered the opportunity to investigate methods of modular bionic construction using freeform surfaces representing different geometric characteristics while developing two distinct spatial entities: one large interior space with a porous inner layer and a big opening, facing the public square between the University’s buildings, and a smaller interstitial space enveloped between the two layers that exhibits the constructive logic of the double layer shell.

Данный эксперимент позволил исследовать методы создания модульной бионической конструкции с использованием поверхностей произвольной формы, представляющей собой два различных пространственных объекта с уникальными характеристиками: одно большое внутреннее пространство с пористым внутренним слоем и большим отверстием посередине, обращенным к общественной площади между корпусами  университета, и меньшее промежуточное пространство между двумя слоями, показывающее конструктивную логику двухслойной оболочки.