Structural explorations of fabrication-aware design spaces for non-standard architecture
Explorations structurales de domaines de formes constructibles pour l'architecture non-standard
Résumé
The last decades have seen the emergence of non-standard architectural shapes. Designers find often themselves helpless with the geometrical complexity of these objects. Furthermore, the available tools dissociate shape and structural behaviour, which adds another complication. This dissertation takes the point of view based on invariance under geometrical transformations, and studies several strategies for fabrication-aware shape modelling. Three technological constraints have been identified and correspond to three independent contributions of this thesis.
The repetition of nodes is studied via transformations by parallelism. They are used to generalise surfaces of revolution. A special parametrisation of moulding surfaces is found with this method. The resulting structure has a high node congruence.
Cyclidic nets are then used to model shapes parametrised by their lines of curvature. This guarantees meshing by planar panels and torsion-free beam layout. The contribution of this dissertation is the implementation of several improvements, like doubly-curved creases, a hole-filling strategy that allows the extension of cyclidic nets to complex topologies, and the generation of a generalisation of canal surfaces from two rail curves and one profile curves.
Finally, an innovative method inspired by descriptive geometry is proposed to generate doubly-curved shapes covered with planar facets. The method, called marionette technique, reduces the problem to a linear problem, which can be solved in real-time. A comparative study shows that this technique can be used to parametrise shape optimisation of shell structures without loss of performance compared to usual modelling technique. The handling of fabrication constraints in shape optimisation opens new possibilities for its practical application, like gridshells or plated shell structures. The relevance of those solutions is demonstrated through multiple case-studies.
Les dernières décennies ont vu l’émergence de formes architecturales non standard. Les concepteurs se retrouvent généralement démunis face à la complexité géométrique de ces objets, dont la fabrication rime souvent avec complication. De plus, les outils utilisés dissocient forme et fonctionnement structurel, ce qui complexifie le processus de décision pour ingénieurs et architectes. Ce mémoire prend un point de vue fondé sur la notion d’invariance par transformation géométrique et étudie plusieurs stratégies de génération de formes satisfaisant des contraintes constructives usuelles pour remédier à ces manques. Trois contraintes constructives ont été identifiées et correspondent à trois contributions indépendantes de cette thèse.
La répétition des noeuds d’assemblage est étudiée via les transformations par maillages parallèles. Ces dernières sont utilisées pour créer une généralisation des surfaces de révolution. On retrouve par là un paramétrage particulier des surfaces moulures de Monge avec une grande répétition d’éléments, et notamment de noeuds d’assemblage.
Les réseaux de cyclides sont ensuite utilisés pour dessiner des formes parametrées par leurs lignes de courbures. Cela permet la couverture par panneaux plans ainsi que l’offset des éléments structurels sans excentricité. L’apport de cette thèse est l’implémentation de plusieurs améliorations, notamment l’introduction de plis à double courbure, un algorithme permettant de généraliser les réseaux de cyclides à des topologies quelconques, et la génération de surfaces généralisant les surfaces canal à partir de deux courbes rail et une courbe profil.
Finalement, une méthode innovante inspirée de la géométrie descriptive permettant la génération de formes courbes couvertes par des quadrangles plans est proposée. La méthode, baptisée méthode marionnette, réduit ce problème à un système linéaire, ce qui permet une manipulation de ces formes constructibles en temps réel. Une étude comparative montre que cette technique peut être utilisée pour paramétrer des problèmes d’optimisation de forme de coques sans perte de performance par rapport aux paramétrages utilisés de façon classique. L’intégration des contraintes de fabrication dans le processus d’optimisation structurelle ouvre de nouvelles possibilités d’applications, comme des coques réticulées et des coques discrètes. La pertinence de ces nouvelles solutions est démontrée par de multiples études de cas.
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