Involucri freeform per l'architettura: il ruolo della progettazione algoritmica attraverso un esempio pratico

Oggigiorno i progettisti esplorano sempre più le proprie potenzialità espressive, proponendo a clienti e stakeholder la realizzazione di edifici dalle geometrie complesse, con coperture spesso in doppia curvatura.

Per realizzare queste architetture complesse è necessario però coniugare l'approccio top-down tipico della progettazione con l'approccio bottom-up tipico della fabbricazione. In che modo? Scegliendo un approccio algoritmico alla progettazione.

In questo articolo si propone un esempio di sistema costruttivo generato da un algoritmo, fabbricato a controllo numerico e assemblato da artigiani specializzati.


Progettare attraverso la programmazione algoritmica

Sebbene sia diventato comune modellare forme sinuose e pattern complessi a livello di concept design, è però ancora raro trovare, sia negli studi di architettura e ingegneria che nelle aziende della filiera dell’edilizia, professionalità in grado di gestire in modo efficiente gli aspetti realizzativi del progetto. A questo si aggiunge un disallineamento culturale tra chi pianifica, chi progetta e chi è chiamato a realizzare l'opera.

Se in ambito progettuale vige prevalentemente un approccio TOP-DOWN - si decidono una forma e un pattern e successivamente si individuano i costruttori, chi si occupa della fabbricazione predilige un approccio BOTTOM-UP, partendo cioè dai vincoli legati a budget, tempi di realizzazione, logistica e tutti gli altri elementi che concorrono a definire la sostenibilità del progetto, ideando soluzioni costruttive più o meno flessibili e adattabili.

Per poter implementare un certo tipo di progetti, occorre che si diffonda tra i professionisti la cultura del fare digitale. Senza nulla togliere alle prerogative dei designer o dei costruttori, sarebbe auspicabile, già in fase di concept design, eseguire uno studio preliminare che anticipi le questioni geometriche e fabbricative in modo parametrico, permettendo al cliente di stimare correttamente i costi e i tempi di realizzazione.

Questo è già oggi possibile, grazie a un approccio algoritmico alla progettazione: si tratta di sostituire il disegno tradizionale eseguito mediante modellazione poligonale, con una progettazione dell'architettura mediante algoritmi, dunque regole. La figura che si occupa di tali studi è il "computational designer", un professionista sempre più richiesto, sia da progettisti che real estate e aziende manifatturiere; una figura che, tuttavia, a volte non è ancora adeguatamente inserita nei flussi di lavoro.

Il ruolo del computational designer è strategico e centrale per una corretta progettazione dell'opera, ponendosi a supporto sia del progettista sia dell'impresa di costruzioni. Il successo di interventi complessi in futuro sarà sempre più garantito da questa figura ibrida, esperta di metodi fabbricativi e al contempo attenta alle esigenze estetiche-funzionali delle direzioni artistiche.

Un esempio di come un flusso di lavoro basato sulla progettazione algoritmica abbia portato a risultati tangibili è rappresentato da SQUALO, un sistema progettuale-costruttivo sviluppato da INDEXLAB in collaborazione con Nieder.

 

Involucri freeform per l'architettura: il ruolo della progettazione algoritmica attraverso un esempio pratico

INDEXLAB – Algoritmo: sequenza di operazioni matematiche per la risoluzione di problemi specifici, 2020.

 

Un sistema costruttivo adattabile a superfici complesse

L'obiettivo principale del sistema SQUALO è quello di ottimizzare la progettazione e la produzione di elementi unici che discretizzino superfici tridimensionali complesse.

A partire da sottili fogli in alluminio e dall'antica tecnica della doppia aggraffatura, è stato messo a punto un pannello di nuova concezione, che risponde sia a esigenze prestazionali sia alla necessità di adattarsi a superfici free-form in doppia curvatura.

Il materiale scelto - l'alluminio - è leggero, resistente, economico, riciclabile e soprattutto malleabile. Quest'ultima caratteristica lo qualifica come il candidato perfetto per essere tagliato, piegato e assemblato con efficienza. La tecnica adottata per fissare lastre adiacenti tra loro è la doppia aggraffatura, che consiste nell'unire due lamiere sovrapponendone i lembi e ripiegandoli due volte assieme. In questo tipo di rivestimento non vengono utilizzati mastici o siliconi, che possono usurarsi nel tempo, ma soltanto fissaggi di tipo meccanico, ossia linguette metalliche integrate nell'aggraffatura e nascoste alla vista. La posizione di queste linguette rispetto alla superficie di ancoraggio, le tolleranze di assemblaggio tra un pannello e l'altro, la piega che i pannelli devono subire per adattarsi alla curvatura della superficie di appoggio, sono tutti aspetti che vengono tradotti in formule matematiche, le quali, a loro volta, definiscono le geometrie di taglio e piega dei pannelli.

L'algoritmo generato è dunque un insieme di regole che tengono conto di più elementi:

  • le proprietà del materiale in relazione alle sue dimensioni (quanto si flette e si dilata o contrae);
  • i raggi di curvatura delle superfici, che ne definiscono i parametri di discretizzazione;
  • la massimizzazione della dimensione dei pannelli in funzione delle larghezze delle bobine di alluminio in commercio;
  • la minimizzazione degli sfridi nelle operazioni di taglio laser;
  • la generazione automatizzata di tutti i percorsi di taglio ed etichettatura dei pannelli;
  • l'automazione della generazione della distinta pezzi per la quantificazione di tempi e costi di produzione;
  • l'automazione di aspetti logistici per l’ottimizzazione del rapporto tra produzione off-site e assemblaggio on-site.

Tutti aspetti che concorrono a definire design, materiali e tecnologie, nel rispetto di tempi e budget di realizzazione, creando un circolo virtuoso in cui coesistono efficienza, efficacia e creatività.

 

Progettazione algoritmica dell'involucro: il sistema costruttivo Squalo

INDEXLAB + NIEDER – Prima applicazione del sistema SQUALO ad un mock-up in doppia curvatura, 2020.

 

Un progetto realizzato grazie a un algoritmo e a squadre di assemblaggio specializzate

Il sistema SQUALO, nato nel 2020 dalla collaborazione tra INDEXLAB e Nieder, dopo essere stato presentato in fiere di settore, è stato applicato per la prima volta nel 2021 come rivestimento di un hangar a Pesaro

 INDEXLAB + NIEDER - Applicazione del sistema SQUALO ad un hangar, Pesaro, 2021.

INDEXLAB + NIEDER - Applicazione del sistema SQUALO ad un hangar, Pesaro, 2021.

 

Il dato di partenza per il lavoro di rivestimento della superficie oggetto di intervento è stato il rilievo tridimensionale del manto di copertura dell’edificio. La scansione della superficie ha rilevato marcate discontinuità di curvatura; una delle prime sfide è stata dunque quella di risolvere problemi di discontinuità di superficie con un approccio il più elegante possibile, tale da trasformare i difetti della struttura esistente in opportunità, amplificando determinate linee di forza per generare un pattern di forte impatto estetico. 

 Visualizzazione dell’output di un algoritmo che analizza la curvatura e genera superfici continue ottimizzate

INDEXLAB - Visualizzazione dell’output di un algoritmo che analizza la curvatura e genera superfici continue ottimizzate.

 

Visualizzazione dell’output di un algoritmo che calcola gli scostamenti tra struttura e superficie di interfaccia 

INDEXLAB – Visualizzazione dell’output di un algoritmo che calcola gli scostamenti tra struttura e superficie di interfaccia.

 

La presenza di concavità e convessità non uniformi nella struttura dell’hangar ha inoltre sottoposto a stress sia il sistema matematico/algoritmico - generatore dei pannelli - sia i professionisti addetti al posizionamento delle lastre di rivestimento. Nonostante condizioni al contorno non favorevoli, basti pensare solamente ai limiti di raggiungibilità della copertura situata a 30m di quota, grazie alla natura flessibile e adattabile del sistema SQUALO, unitamente all'abilità delle squadre di montaggio Nieder, è stato possibile completare in modo soddisfacente l'installazione di oltre 5700 pannelli unici, per un totale di circa 8.200 m2 di superficie in doppia curvatura coperta.

L'algoritmo è stato progettato per interpretare le mesh di ricostruzione del rilievo e per costruire su di esse le regole di suddivisione delle superfici a partire da curve direttrici e generatrici. La spaziatura tra queste curve è ottimizzata per minimizzare gli sfridi di taglio, passati dal 35% - stimato nella fase di proposta architettonica iniziale - al 18% - nella fase di ingegnerizzazione architettonica.

Tale ottimizzazione ha prodotto un risultato architettonico apprezzato dal cliente e non previsto in fase preliminare, ossia un andamento dinamico del pattern, che segue le linee di forza di una cuspide e si "tuffa in mare" con variazione prospettica, sprigionando un carattere dinamico e un'estetica contemporanea di natura "parametrica" o meglio "algoritmica".


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