Bio-based material in free-form architecture: free-form shell pavilion with rice husk and clay composite material

Bio-based materials are attracting growing interest—not only for their potential to reduce carbon emissions and support local renewable resources, but also for their perceived innovative aesthetics in architecure. However, most bio-based architecture tend to be conventional form,— architecture limited to vertical and horizontal planes with less curvature. This study addresses research gap identified by the combined literature on "Bio-based AND Material AND Free-form AND Architecture". These paper aims to explore design methods of free forms geometry with the use of bio based material. For this, (a) the performance of bio based materials is defined and categorized, (b)Design of free form geometries is defined and categorized (c) Built case studies of free-form buildings and bio based materials were studied. (d) A final bio-based material, a composite of rice husk was selected and optimized freeform geometries were created using form-finding tools (e) An architectural design was created using this technique, adapted from the studies. This thesis integrates bio-based materials into free-form architectural structures, synthesizing in the design of a free-form shell pavilion in Giulio Natta Innovation Center in Certosa di Pavia, Italy. After studying bio-based materials, a potential load-bearing bio-based material, Rice husk composite with clay, was chosen because it was locally available, agricultural byproduct in the Pavia region. The Province of Pavia,— Italy's largest rice-producing area —has approximately 84,000 hectares dedicated to rice cultivation, making rice husk an abundant and contextually appropriate resource. ("Pavese Rice," n.d.). And as per case studies, one hectare of cultivated rice can yield enough husk to construct approximately 100 square meters of built area. However, as demonstrated on the case studies, the primary limitation of rice husk-clay composites lies in their relatively low mechanical strength. To address this challenge, the project focused on strength through geometry rather than material performance. Form formfinding process to develop compression-only funicular geometries were used to optimize forms. Computational tools such as RhinoVAULT, Grasshopper, and Kangaroo were employed alongside physical hanging model experiments inspired by Heinz Isler's techniques. The final pavilion design synthesizes these methods to create architecture that showcases the potential of bio-based materials in free-form architecture.

I materiali biobased stanno suscitando un crescente interesse, non solo per il loro potenziale di riduzione delle emissioni di carbonio e di sostegno alle risorse rinnovabili locali, ma anche per l’estetica innovativa che restituiscono in architettura. Tuttavia, la maggior parte dell’architettura biobased tende ad avere una forma convenzionale, limitata a piani verticali e orizzontali con una curvatura limitata. Questo studio affronta la lacuna nella ricerca identificata dalla letteratura combinata su “Biobased AND Material AND Free-form AND Architecture”. Il presente lavoro si propone di esplorare i metodi di progettazione della geometria delle forme libere con l’uso di materiali bio-based. A tal fine, (a) vengono definite e classificate le prestazioni dei materiali a base biologica, (b) viene definita e classificata la progettazione di geometrie a forma libera (c) vengono studiati casi di costruzione di edifici a forma libera e materiali a base biologica. (d) È stato selezionato un materiale finale a base biologica, un composito di lolla di riso, e sono state create geometrie a forma libera ottimizzate utilizzando strumenti di ricerca della forma (e) È stato creato un progetto architettonico utilizzando questa tecnica, adattata dagli studi. Questa tesi integra materiali biobased in strutture architettoniche a forma libera, sintetizzandosi nella progettazione di un padiglione a forma libera nel Centro di Innovazione Giulio Natta a Certosa di Pavia, Italia. Dopo aver studiato i materiali biobased, è stato scelto un materiale biobased portante, il composito di lolla di riso e argilla, perché si tratta di un sottoprodotto agricolo disponibile localmente nella regione di Pavia. La Provincia di Pavia, la più grande area di produzione di riso in Italia, ha circa 84.000 ettari dedicati alla coltivazione del riso, il che rende la lolla di riso una risorsa abbondante e contestualmente appropriata.(“Riso Pavese”, n.d.). E, come si evince dai casi di studio, un ettaro di riso coltivato può produrre una quantità di lolla sufficiente per costruire circa 100 metri quadrati di area edificata. Tuttavia, come dimostrato dai casi di studio, il limite principale dei compositi lolla di riso-argilla risiede nella loro resistenza meccanica relativamente bassa. Per affrontare questa sfida, il progetto si è concentrato sulla resistenza data dalla geometria piuttosto che sulle prestazioni del materiale. Per ottimizzare le forme è stato utilizzato un processo di ricerca della forma per sviluppare geometrie funicolari a sola compressione. Sono stati impiegati strumenti di calcolo come RhinoVAULT, Grasshopper e Kangaroo, oltre a esperimenti fisici su modelli sospesi ispirati alle tecniche di Heinz Isler. Il progetto finale del padiglione sintetizza questi metodi per creare un’architettura che mostri il potenziale dei materiali a base biologica nell’architettura a forma libera.