N-Gon Superframe: Panelling freeform architectural surfaces through the planarization of n-gon meshes and the exploitation of the Superframe construction system

Large-scale freeform shapes have become very popular in contemporary architecture. Although parametric computer software eases the digital modelling of these geometries, the fabrication of such structures is still today particularly challenging. A key problem of a complex architectural surface is its discretization into a planar mesh that allow its panelling with a known technology at a reasonable cost while guaranteeing smoothness to the surface and respecting the design intent. The panelling of the skins is particularly complex as it is highly controlled by aesthetic, mathematical, economical and fabrication issues. Furthermore, the type and disposition of panels on an architectural freeform significantly affect the design of the underlying supporting structure, which will inevitably be based on the polygonal mesh discretizing the surface. Over the last few years, Politecnico di Milano (Indexlab) has conducted multiple types of research for the design of a 3D-printed construction system to panel curved surfaces. With the introduction of the “Superframe”, a three-dimensional frame manufactured using recycled plastics and robotic additive moulding technologies to fix planar triangular panels to any interior or exterior surfaces with high geometric complexities, it is now possible to provide cladding to doubly curved surfaces. In this research, a versatile parametric algorithm able to discretise doubly curved skins into polygonal meshes is developed. Based on the hexagonal discretization of a complex freeform shape provided by the algorithm, the Superframe construction system is adapted to hexagonally shaped planar panels. The designed supporting structure and panels are then fabricated with 3D-printed plastics and aluminium respectively. The research provides insight into the possibility of implementing the Superframe construction system in buildings and for the support of panels with innovative shapes.

Le forme libere su larga scala connotano l'architettura contemporanea. Nonostante i software parametrici facilitino la modellazione digitale di queste geometrie, la fabbricazione di tali strutture è ancora oggi particolarmente difficoltosa. Un problema fondamentale di una superficie architettonica complessa è la sua discretizzazione in una mesh planare che ne consenta la pannellatura con una tecnologia nota ad un costo ragionevole garantendo allo stesso tempo la fluidità della superficie e rispettando l'intento progettuale. Rivestire un involucro edilizio con pannelli planari può essere particolarmente complesso in quanto bisogna bilanciare fattori estetici, matematici, economici e di fabbricazione. Inoltre, la tipologia e la disposizione dei pannelli su una forma architettonica libera influiscono significativamente sulla progettazione della struttura portante sottostante, che inevitabilmente sarà basata sulla mesh poligonale risultante dalla discretizzazione della superficie. Negli ultimi anni il Politecnico di Milano (Indexlab) ha condotto molteplici tipologie di ricerca per la progettazione di un sistema costruttivo stampato in 3D per rivestire superfici curve. Con l'introduzione del "Superframe", un telaio tridimensionale realizzato con plastica riciclata e tecnologie robotiche di stampaggio additivo per fissare pannelli triangolari planari a qualsiasi superficie interna o esterna con elevate complessità geometriche, è ora possibile rivestire superfici a doppia curvatura. In questa ricerca viene sviluppato un algoritmo parametrico versatile in grado di discretizzare involucri edilizi a doppia curvatura in mesh poligonali. Dalla discretizzazione esagonale di una forma libera complessa risultante dall'algoritmo, il sistema costruttivo Superframe è adattato a pannelli planari di forma esagonale. I pannelli e il telaio vengono poi fabbricati rispettivamente con plastica stampata e alluminio. La ricerca permette di approfondire le possibilità di implementare il sistema costruttivo Superframe negli edifici e per il supporto di pannelli dalle forme innovative.