Use of data in design and construction : transformable architecture and deployable structures

With the innovation happening in today’s world the dynamic of things is significantly increasing: the speed and the changeability in the areas such as communication and transportation impact the lives of all the people. The same trend is entering and changing other fields as well. Considering the construction industry, the ability to react to changes and adapt is becoming highly important. The most important areas requiring deployable temporary structures are emergency shelters for natural disasters, exhibition and recreational structures, temporary buildings in remote construction sites etc. The architectural structures that have the ability to change their shape or position in space are called adaptive or transformable structures. Their special case, with only a single degree of freedom and therefore two possible configurations, are the deployable structures. The two configurations are defined earlier and the structure does not have the ability to be responsive or adaptable. These structures have a history of development starting from the middle of the previous century. During this period, different classifications and theoretical bases have been developed. However, with the relatively recent development of a data-driven approach in the construction industry, a new opportunity emerged for their development and better utilization. Computer systems in the architecture and construction industry also have similar period of use. Their application, which also started around the middle of the past century, brought numerous new possibilities to the field. Other than speeding up the drawing, the more intelligent design systems allowed better control over the design process, by including more data and providing a better prediction. Considering the complexity of the deployable and transformable structures, the ability to include and control multiple design variables is of essential value. This thesis is dedicated to the development of the data-driven processes of the early-stage design for deployable and transformable structures. It focuses on novel ways to utilize algorithms and introduce the data into the design process, allowing the designer to have instant feedback and an understanding of how the structure behaves. The field of deployable/transformable structures offers many opportunities for the use of data for optimization: structural behavior, material use, weight, the shape of the elements, deployment complexity, etc. The processes are developed through virtual and experimental pilot projects, with different levels of data involvement in the process and also different sources of data. The initial pilot projects rely on the data obtained and utilized virtually, while the final part of the thesis includes experimentally obtained data, through design optimization in a Wind tunnel. This step of connection with the experimental approach was important because the final pilot project was focused on large structure and their behavior under the wind load, the area which is underdefined in the European Standards today. By creating this connection, the opportunities for obtaining and using data are expanded and also become a field of research.

Con l’innovazione nel mondo di oggi, la dinamica della vitta sta aumentando in modo significativo: la velocità e la fluidità in settori come la comunicazione e i trasporti influiscono sulla vita di tutte le persone. La stessa tendenza sta entrando e modificando anche altri campi. Considerando il settore delle costruzioni, la capacità di reagire ai cambiamenti e di adattarsi sta diventando molto importante. Le aree più importanti che richiedono strutture temporanee mobili sono i rifugi di emergenza per catastrofi naturali, strutture espositive e ricreative, edifici temporanei in cantieri remoti, ecc. Le strutture architettoniche che hanno la capacità di cambiare forma o posizione nello spazio sono chiamate strutture adattative o trasformabili. Il loro caso speciale, con un solo grado di libertà e quindi due possibili configurazioni, sono le strutture dispiegabili. Le due configurazioni sono definite in precedenza e la struttura non ha la capacità di essere reattiva o adattabile. Queste strutture hanno una storia di sviluppo a partire dalla metà del secolo precedente. Durante questo periodo sono state sviluppate diverse classificazioni e basi teoriche. Tuttavia, con lo sviluppo relativamente recente di un approccio basato sui dati nel settore edile, è emersa una nuova opportunità per il loro sviluppo e un migliore utilizzo. Anche i sistemi informatici nel settore dell’architettura e dell’edilizia hanno un periodo di utilizzo simile. La loro applicazione, iniziata anche lei intorno alla metà del secolo scorso, ha portato sul campo numerose nuove possibilità. Oltre a velocizzare il disegno, i sistemi di progettazione più intelligenti consentivano un migliore controllo sul processo di progettazione, includendo più dati e fornendo una previsione migliore. Considerando la complessità delle strutture dispiegabili e trasformabili, la capacità di includere e controllare molteplici variabili di progettazione è di valore essenziale. Questa tesi è dedicata allo sviluppo dei processi basati sui dati della progettazione in fase iniziale per strutture dispiegabili e trasformabili. Si concentra su nuovi modi di utilizzare gli algoritmi e introdurre i dati nel processo di progettazione, consentendo al progettista di avere un feedback immediato e di comprendere come si comporta la struttura. Il campo delle strutture dispiegabili/trasformabili offre molte opportunità per l'utilizzo dei dati per l'ottimizzazione: comportamento strutturale, utilizzo dei materiali, peso, forma degli elementi, complessità di dispiegamento, ecc. I processi sono sviluppati attraverso progetti pilota virtuali e sperimentali, con diversi livelli di coinvolgimento dei dati nel processo e anche diverse fonti di dati. I progetti pilota iniziali si basano sui dati ottenuti e utilizzati virtualmente, mentre la parte finale della tesi include dati ottenuti sperimentalmente, attraverso l'ottimizzazione del progetto in una galleria del vento. Questo passaggio di collegamento con l'approccio sperimentale è stato importante perché il progetto pilota finale era focalizzato sulle grandi strutture e sul loro comportamento sotto il carico del vento, l'area che oggi è sottodefinita nelle norme europee. Creando questa connessione, le opportunità di ottenere e utilizzare i dati vengono ampliate e diventano anche un campo di ricerca.