Digital construction design and robotic fabrication. Innovative computational design strategies and robotic fabrication techniques for novel tectonics in building engineering architecture

With the emergence of a new materialism in architecture and as a result of the ongoing advancements in digital technologies, robotic fabrication is rapidly gaining popularity within the building construction industry. Robots and algorithmic programming allow us to create new construction systems and innovative designs that otherwise might not be possible. This thesis proposes adaptive and flexible systems that facilitate the design and the production processes of mass-customized building components through robotic fabrication and assembly. The aspiration is to achieve morphological complexity and performance in material constituents; an engineering computational design process that envisions a sustainable built environment, with higher-level functionality and higher-level integration between material system and environment. The original contribution of this thesis consists of the invention of two construction systems – through the application of robotics to discrete spatial structures - and the optimization of two digital design and fabrication techniques – through the application of digital technologies to responsive façade and reciprocal frame structures. The work is organized around four chapters, specifically: 1. Robotic assembly system for free-form structures and cladding; 2. Robotic manufacturing system for mass-customized insulated wall panels; 3. Responsive façade optimization for double curved surfaces; 4. Reciprocal frame optimization for spatial structures. Several models and prototypes have been built in order to validate the assumptions. The experiments draws attention to how digital technologies generate the efficiencies for mass customization of real world building systems. This thesis demonstrates how digital fabrication can establish a loop between physical performance aspects and the development of a custom design system. By integrating digital fabrication technologies into the design and production process, novel forms of architectural materialization can be explored.

Con l’emergere di un nuovo approccio ai materiali dell’architettura e come risultato dei continui progressi nelle tecnologie digitali, la fabbricazione robotica sta rapidamente guadagnando popolarità nel settore dell’industria delle costruzioni. I robot e la programmazione attraverso algoritmi ci permettono di creare nuovi sistemi costruttivi e forme innovative, che altrimenti non sarebbe probabilmente possibile realizzare. Questa tesi propone sistemi adattabili e flessibili che facilitano la progettazione e il processo di produzione di componenti per la costruzione di edifici, che siano al contempo prodotti in serie e personalizzati; ciò attraverso l’utilizzo di robot per la lavorazione e l’assemblaggio. L’obiettivo è quello di raggiungere complessità morfologica e performance nei differenti componenti e materiali; un processo ingegneristico che utilizza la progettazione computazionale e che prefigura un ambiente costruito sostenibile, con un maggior grado di funzionalità e più integrazione tra il complesso dei materiali e l’ambiente. Il contributo originale di questa tesi consiste nell’invenzione di due sistemi costruttivi – attraverso l’applicazione della tecnologia robotica a strutture spaziali discrete – e l’innovazione di due tecniche di progettazione e fabbricazione digitale – attraverso l’applicazione di tecnologie digitali a facciate responsive e strutture reciproche. Il lavoro è organizzato in quattro capitoli, nello specifico: 1. Sistema di assemblaggio robotico per strutture e rivestimenti a forma libera; 2. Sistema di produzione robotica per pannelli isolanti da parete, al contempo prodotti in serie e personalizzati; 3. Ottimizzazione di facciate responsive sulla base di superfici a doppia curvatura; 4. Ottimizzazione di strutture spaziali reciproche. Le ipotesi di partenza sono state verificate attraverso la realizzazione di più modelli e prototipi. Gli esperimenti evidenziano come le tecnologie digitali generino le efficienze necessarie per la personalizzazione di massa dei sistemi costruttivi. Questa tesi mostra come la fabbricazione digitale può stabilire una relazione di interdipendenza tra gli aspetti legati alla performance di materiali e strutture, e lo sviluppo di processi di progettazione produzione personalizzati. L’integrazione delle tecnologie di fabbricazione digitale nei processi di progettazione e produzione permette l’esplorazione di nuovi modi di ideare e realizzare l’architettura.