پارامتریک سازی یک پاویون با فرم ارگانیک برای ساخت با متریال GRP

پارامتریک

پارامتریک سازی راهکاری مهندسی بود که طراحان پس از بررسی چالش های مختلف این پروژه ارائه کرده اند. زیرا فرم های ارگانیک در معماری چالشهای فراوانی به خصوص در تولید و ساخت دارند. در واقع هدف تبدیل ایده اولیه یا فرم اولیه پاویون به یک سازه ساخت پذیر (براساس محدودیت ها و مشخصات متریال و ابزار در دسترس) و اقتصادی می باشد.

در این مقاله نشان داده می شود چه تغییراتی روی فرم اولیه باید اعمال شود تا پاویون از یک فرم کاملا آزاد و غیر اقتصادی به فرمی هوشمندانه و ایده آل برای ساخت تبدیل شود.

این غرفه با شکل ارگانیک و فرم آزاد با مدول های GRP (پلاستیک تقویت شده با الیاف شیشه ای) ساخته شده است.

سالهای ۱۹۶۰ الی ۱۹۷۲ زمان اوج ساخت و ساز به کمک GRP بود. ساخت و ساز به روش مدولار با GRP در گذشته در گنبدهای ژئودزیک و سازه های ورق تا شده (اوریگامی) به کار می رفت. اخیراً، این متریال به دلایلی مجددا مورد اقبال معماران قرار گرفته است.

پارامتریک

 

پارامتریک

وقتی طراحی به کمک کامپیوتر صورت بگیرد، امکان تولید فرم های جدید وجود دارد. در سالهای گذشته اغلب پوسته های با فرم آزاد با سطوح منحنی نامنظم، یکپارچه ساخته می شدند و همینطور ابعاد نسبتا کوچکتری داشتند زیرا روش مدولار به کار نمیرفت؛ مانند پروژه “Chanel mobile art pavilion”  از استودیوی معماران زاها حدید که تصویر آن را مشاهده می کنید.

پارامتریک

الهام از دیاتوم ها

از الزامات طراحی این غرفه، ایجاد یک فرم ارگانیک الهام گرفته از ساختار منافذ دیاتوم های دریایی بود. در ابتدای امر امکان تولید چنین فرمی با GRP ممکن نبود، در واقع معماری پارامتریک این امکان را فراهم نمود که بتوان فرم بهینه شده را انتخاب و تولید کرد. روش مدولار به کار رفته نیز باعث می شود ساخت پروژه مقرون به صرفه باشد.

دیاتوم ها جلبک‌های تک ‌سلولی ریزی هستند که در آب‌ های شیرین و شور و بعضی از آن‌ها نیز در خاک زندگی می‌کنند. این نوع از آغازیان دارای دو پوسته ی کوچک و بزرگ اند که یکی از دیگری شعاع بیشتری دارد و پوسته ی کوچک ‌تر در داخل پوسته ی بزرگ ‌تر قرار می‌گیرد. همچنین پوسته خارجی دیاتوم در زیر میکروسکوپ دارای نقوش ظریف و زیباست. این پاویون می بایست ویژگی های مثبت دیاتوم ها را دارا می بود.

پارامتریک

 

پارامتریک

از GRP به عنوان متریال ساخت و ساز، انتظار می رفت که وزن سبک، انعطاف پذیری، مقاومت کششی و فشاری بالایی داشته باشد.

بر طبق Schürmann 2007 روش های ساخت متشکل از الیاف که به عنوان راه حل تکاملی در طبیعت شناخته می شوند، از بسیاری جهات مناسب ساختمان هایی هستند که از طبیعت الهام می گیرند.

این غرفه در ابتدا از نظر عملکردی به عنوان جایگاه بلیط فروشی برای یک نمایشگاه هنری در نظر گرفته شده بود و می بایست ضد آب و قابل حمل می بود که بتواند خدمات مناسب را ارائه دهد. طراحان توجه ویژه ای نیز از نظر ظاهری به طراحی فرم نشان دادند.

طراحی و فرم یابی سازه پارامتریک

  • معماری دیجیتال در اجرا

نتیجه حاصل از مطالعات اولیه طراحی، رسیدن به ایده پشت بند بود. نوعی پشت بند استخوان مانند شبیه به ساختار اسکلتی دیاتوم ها.

از نظر سازه ای یک سیستم انشعابی از لوله های شش ضلعی با سلسله مراتبی از اتصالات ظریف و قوی مشابه الگوی ساختاری یک برگ طراحی شد. در اصل نوعی شبکه ورونویی با ظاهر مطلوب بیومیمتیک مدلسازی شد.

بیومیمِتیک (biomimetic,bionic) یا زیست تقلید، شاخه ای از علوم است که به طراحان و مهندسان اجازه می دهد با بررسی الگوهای زیستی و عملکرد فیزیولوژیکی آن ها، ابزارها و دستگاه های جدیدی بسازند که چه از لحاظ ساختاری و چه از لحاظ عملکردی بسیار شبیه به مدل های زنده باشند.

این سازه ابتدا به صورت یک شبکه مسطح و سپس به سطحی مشابه یک پوسته تخم مرغ تغییر داده شد که شکلی با ایده بیو مورفیک ایجاد شود. در سبک بیومورفیک یا بیو دیزاین، شیء طوری فرم داده می شود که یک موجود یا مخلوق ارگانیک و زنده را بازنمایی کند. شکل زیر مراحل اولیه بهبود سازه کمکی را نشان می دهد.

پارامتریک

مراحل طراحی باید این اطمینان را ایجاد می کرد که شکل اولیه این ساختار دنده مانند، در عین حال که خود ایستا است پاسخگوی سایر الزامات سازه ای نیز باشد. شکل پایین مطالعات اولیه ی فرم و نمای پارامتریک پروژه را نشان می دهد.

پارامتریک

بهینه سازی فرآیند هندسی

  • مدولار سازی فرم پایه

طرح اولیه پروژه به این صورت است که یک هندسه بیضوی بر خطی تقارن داده می شود یعنی شکل غرفه دارای تقارن محوری است. در واقع از نظر هندسی پوسته بهینه شده به عنوان یک منحنی پارامتریک قابل کنترل، در امتداد یک منحنی بیضی پایه ایجاد می شود.

در هندسه، بیضی شکلی است که دو منحنی محدب یک محیط بسته را در یک صفحه دو بعدی تشکیل می دهند. اگر این فرم را در محیط سه بعدی برای ساخت به قسمتهایی تقسیم کنیم قالبهایی به عنوان المان های دیواری تولید می شود که انحنای متفاوت المان ها موجب می شود استفاده از قالب های یکسان که بتوانند کنار هم قرار بگیرند میسر نباشد (همانطور که در Chanel Pavilion مشاهده می شود). رویکرد مقرون به صرفه تر این است که الگوی تقسیم بندی سطح متشکل از مدول های خود متشابه تکرار شونده باشد. تصویر پایین سمت چپ تحلیل میزان انحنای شکل اولیه و سمت راست میزان انحنای ثابت در شکل بهینه شده را ارایه می دهد.

پارامتریک

با این حال، این امر برای یک فرم تخم مرغ شکل امکان پذیر نیست چون شعاع انحنای سطح به طور مداوم در حال تغییر است. بدون اینکه لازم باشد طرح اصلی کنار گذاشته شود، روشی برای اجرای فرم های آزاد مانند این غرفه در تاریخ معماری وجود دارد. در واقع همان روشی که برای زدن قوس basket به کار می رود. قوس شبه بیضوی basket با استفاده از سه مرکز و سه قوس مماس زده می شود. ساخت این قوس را در شکل زیر مشاهده می کنید.

پارامتریکطراحی پارامتریک قوسها

در مقالات معاصر نیز به این روش برای ساده کردن فرم های آزاد به منظور ساخت و تولید اشاره شده است. در اینجا به منظور حفظ انعطاف پذیری لازم در طراحی به کمک افزونه Grasshopper، قوسها پارامتریک طراحی شدند. بنابراین خط پیش فرض پلان که از تقاطع قوسها بدست آمده، می تواند با تغییر قوس ها سازگار باشد. همچنین رویکرد پارامتریک باعث ایجاد این اطمینان می شود که مساحت پاویون به منظور اجتناب از الزامات ساخت و ساز، کمتر از ده متر مربع باشد. شکل زیر تغییرات پارامتریک (با توجه به مساحت لحاظ شده کمتر از ده متر مربع) را نمایش می دهد.

پارامتریک

 

عمل بهینه سازی موجب شد که فرم پاویون به شش بخش تقسیم شود در حالیکه تنها سه بخش شعاع انحنای متفاوتی دارند.

شرایط و الزامات متریال

پروسه ساختی که برای المانهایGRP به کار رفته، بر اساس ایجاد قالب های منفی است. این روزها چنین قالب هایی برای ساختارهای ارگانیک پیچیده توسط ماشین CNC تولید می شوند. پارچه ای از الیاف شیشه یا پارچه فایبر گلاس در قالب تعبیه می شود و بعد زمینه با رزین اپوکسی پر می شود. بعد از مدتی المان از قالب در آورده می شود که پرداخت بیشتری روی آن انجام گیرد.

پارامتریک

در مرحله تولید مساله اساسی، ساخت این قالب ها است که هزینه بالایی دارد اما اغلب قابل استفاده مجدد هستند. از طرفی کاهش تنوع المان ها منتج به کاهش تعداد قالب های مورد نیاز و کاهش هزینه ساخت خواهد شد.

در فاز اجرا لازم بود بسیاری از الزامات مرتبط با ساخت و ساز برای طراحی متریال محور مدول ها بررسی شود. شکل اجزای سازنده برای رسیدن به الزامات تولید با همکاری شرکت Fibertech آلمان بهبود یافت.

الزامات تولید

  • مدولهای پوسته مانند باید ضخامت ثابتی داشته باشند و ضخامت دیواره ها نباید متغیر باشد.
  • لبه های تیز در یک جزء باعث مختل کردن جریان نیرو ها و پیچیده شدن روند پردازش دیجیتالی طرح می شود.
  • شیار ها و محدب بودن دیواره ها به تقویت و استحکام سازه کمک می کند.
  • انحنای چند جهته نیز می تواند به عنوان عامل تقویت کننده سازه در نظر گرفته شود.
  • وقتی، به اصطلاح ماتریکس یا مایع زمینه (رزین اپوکسی) وارد قالب منفی می شود، فرو رفتگی هندسی در آن نباید وجود داشته باشد. در این حالت، فرم باید تقسیم شود زیرا در غیر این صورت نمی تواند از قالب خارج شود. در تست های عملی مشخص شد که حداقل شعاع داخلی قالبها نباید از یک حدی فراتر رود. شکل پایین تجزیه و تحلیل شعاع سطح را نشان می دهد.

 

پارامتریک

 

پارامتریک

این تصویر مدلسازی سه بعدی قالب منفی را نمایش می دهد.

مدلسازی با استفاده از T-Spline

شبکه ورونویی یک پوسته یکپارچه شیار دار ایجاد نمود. مدلسازی این پوسته با استفاده از T-Spline انجام شد. زیرا T-Spline ها و سطوح تقسیم شده، برای اشکال پیچیده ارگانیک (از نظر تعداد نقاط کنترلی در مقایسه با سطوح Nurbs) مناسب تر هستند. سطح ضد آب و بسته T-spline میتواند به راحتی به مدل نربز برای ساخت و تولید تبدیل شود.

انواع مدلسازی

مدلسازی نربز مبتنی بر تولید ارائه های دقیق ریاضیاتی از منحنی ها و سطوح آزاد در گرافیک کامپیوتری می باشد بر خلاف مدلسازی بر اساس Polygon . مدلسازی Polygon باعث کند شدن محیط کاری و افزایش بی حد و حساب Polygon ها می شود و پیچیده تر از نوع نربز می باشد.

یک خط منحنی نربز توسط چهار عامل تعریف می شود: درجه، نقاط کنترلی، گره ها و یک قانون ارزیابی.

به علت استفاده از پشت بندهای تقویت کننده، ضخامت دیواره های مدول ها کاهش یافت. همچنین با بیشتر کردن ارتفاع لبه های جانبی آنها سازه کمکی ایجاد شد. در نهایت مدولها در پیوند با یکدیگر یک پوسته تقویت شده خود ایستا را تشکیل دادند. در تصویر زیر از چپ به راست: T-Spline برگرفته از خطوط، T-Spline در سطح مش، مدل نربز را مشاهده می کنید.

پارامتریک

برای مدل نهایی غرفه ۱۵ شکل استاندارد مورد بررسی قرار گرفت. در لبه هایی که تقسیمات شش ضلعی باعث کم کردن تغییر انحنای سطح بود هشت شکل خاص تولید شد.

 

طراحی محل اتصال مدول ها در پروسه پارامتریک سازی

  • فرآیند پارامتریک

برای ساده سازی و تقسیم کردن سطوح فرم آزاد برای اجرا، روش هایی چون مثلث بندی، تقسیمات چهارگوش یا دیگر روشهای مشابه (روش هموار سازی سطوح) استفاده می شود.

این راه حل مسطح سازی برای متریال هایی چون شیشه و فولاد ایده آل و اقتصادی می باشد ولی برای مدول هایی با قالب فایبرگلاس کمتر مناسب است.

GRP بر خلاف متریالهای دیگر، اغلب در فرمهای با انحنای کم به کار می رود و باعث بهبود پایداری فرم می شود.

شبکه T-spline به عنوان یک مدل پیش فرض ارگانیک وارد فایل کد گرسهاپر می شود و در نهایت یک سطح تخم مرغ شکل تعیین میگردد.

مزایای کد نویسی در گرسهاپر

کد نویسی در گرسهاپر دست معماران را در پروسه طراحی باز میگذارد و از جمله در موارد زیر فرآیند طراحی را تسهیل می نماید:

  • شکل انعطاف پذیر پلان بر اساس مشخصات فنی طرح
  • مقطع پارامتریک با فرم آزاد
  • تقسیم کردن مدول ها و تعدیل چندگانگی آنها
  • میزان انعطاف پذیری عمق مدول ها
  • محاسبه حجم و مساحت ها
  • حق انتخاب شکل المان های مدولار

در واقع ترکیب موارد بالا روند کار را بسیار بهینه و کارآمد می کند.

پارامتریک

هر مدول ۳۳هزار کنترل پوینت دارد که باعث دقیق بودن طرح می شود. به دلایل زیبایی شناسی اتصالات لازم در درز بین دو مدول متفاوت ساخته شدند. در آخر ۲۲۰ مدول با استفاده از ۲۳ قالب در کارخانه تولید شد درحالیکه فرورفتگی در هر مدول امری اجتناب ناپذیر بود. مدول ها پس از تولید با تریلر به مکان نهایی برای نصب انتقال یافتند. برای محکم کردن این سازه سبک وزن نیز، آن را به کف طبقه (سنگین) مهار کردند. در تصویر بالا تجزیه و تحلیل فرو رفتگی ها و
مونتاژ یک مدول معمولی را مشاهده می نمایید.

پارامتریک

 مجموعه مدولهای مورد استفاده برای غرفه

 

نتیجه گیری

زمان طراحی و هزینه های تولید این پاویون ارگانیک به علت استفاده از مدلسازی کامپیوتری و اصول طراحی پارامتریک به طرز قابل توجهی کاهش یافت. در واقع استفاده از روش های پارامتریک لازم بود تا هزینه های پروژه به سطح معقولی برسد.

این پروژه با استفاده از ابزارهای طراحی و مدلسازی پیشرفته، متریال مدرن و همچنین رعایت اصول بیونیک، مسیر های جدیدی برای طراحی اشکال با فرم آزاد ایجاد کرد. اما همچنان این حوزه نیازمند تحقیقات بیشتری در معماری است. مواردی چون چگونگی کاهش تعداد قالبها هم از نظر شکل هندسی و هم نوع مدولارسازی در این پروژه بررسی شدند.

 

در این طرح مدول ها به یکدیگر پیچ شده اند. با این روش اتصال، در سایت پروژه عمل مونتاژ به راحتی انجام می شود.

با استفاده هوشمندانه از معماری پارامتریک پروسه تولید و طراحی معماری بهبود می یابد و تعداد اشکال متفاوت کاهش یافته به طوریکه تنها خصوصیات مشترکشان ادغام می شود. می توان گفت طراحی پارامتریک و اصول نوین مدل سازی سه بعدی روش های مورد استفاده برای رسیدن به راه حل های سازنده در طراحی می باشند.

پارامتریک

در نهایت هدف از این سازه پارامتریک ساخت یک شکل ارگانیک با الهام از دیاتوم های دریایی بود که از نظر اقتصادی و زیبایی به درستی تحقق یافت.

مرجع:

https://www.semanticscholar.org/paper/Optimizing-Digital-Organic-Freeform-Modelling-for-A-Fischer/35504dc7fc2f93516f01fe6ca230c48431580879

http://www.ecaade.org/prev-conf/archive/ecaade2012/schedule.htm

 

مقالات مرتبط:

مبلمان پارامتریک با اتصالات مفصلی

طراحی داخلی بیونیک الهام گرفته از درخت

ساخت دیجیتال و معماری بایونیک در پاویون دانشگاه اشتوتگارت

http://clickhouse.ir/2020/03/24/%d9%85%d8%a8%d9%84%d9%85%d8%a7%d9%86-%d9%be%d8%a7%d8%b1%d8%a7%d9%85%d8%aa%d8%b1%db%8c%da%a9-%d8%a8%d8%a7-%d8%a7%d8%aa%d8%b5%d8%a7%d9%84%d8%a7%d8%aa-%d9%85%d9%81%d8%b5%d9%84%db%8c/

مترجم: کاملیا کلانتری

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

Fill out this field
Fill out this field
لطفاً یک نشانی ایمیل معتبر بنویسید.

فهرست