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This paper deals with the design of reciprocal spatial configurations based on the use of planar elements, which are investigated and classified according to their morphological characteristics and potential. Reciprocal structures are generally designed with the use of linear elements. Since their historical conception, at least in Western culture, they have been strictly related to the use of short timber beams to cover large spans. This structural principle is described for instance by Villard de Honnecourt, who drew in his sketchbooks reciprocal grillage assemblies for the construction of floors, between 1225 and 1250, followed by Sebastiano Serlio in 1566, John Wallis in 1695, and it can be still found in several treatises of carpentry, written during the XIX century. From the morphological point of view, reciprocal structures have been generally used to develop bridges, slabs, domes and shells. We could conceptually refer to the first case linear developments. Examples are the so-called ‘Rainbow Bridge’ in Shandong or the Leonardo’s concept for a bridge structure. In the second and third cases we could refer to a two-dimensional development, since they can be conceptually conceived and represented as surfaces. Several examples have been built by the architects Ishii, Kijima and Kan. In architecture, reciprocal structures are rarely used due to a set of practical issues. Their simple technology allow a simple and rapid construction,. However, problems related to spatial complexity, structural calculations and cladding, generally encourage designers in exploring other structural typologies, making their use suitable just for temporary or experimental structures. In this framework, the authors propose a initial study of reciprocal systems based on the use of non-linear elements, i.e. 2D planar panels. Such configurations are classified in this paper according to the shapes and properties of their composing elements. For example: (1) most of the planar elements can generate the same configurations of beam elements; (2) some planar elements can be disassembled in two or more linear elements forming a similar configuration; (3) some planar elements can be composed in order to take advantage of their shape peculiarities, for structural or construction purposes. Configurations belonging to this category could be also referred to the previous ones. The presented categories are supported by drawings and photographs of prototypes, also realized with the contribution of the students of the École des Ponts in Paris (developed during a workshop run by the authors in March 2012) and the University of Melbourne.

In: "Bloom", vol. 14, pp. 17–24.

Original Italian abstract (English text below):

Negli ultimi vent’anni l’impatto del digitale in architettura è cresciuto esponenzialmente, manifestandosi nei ‘BLOB’ informi di Greg Lynn1, come anche nelle cosiddette ‘free-form’ dei NOX2. L’aggettivo ‘free’ identifica la libertà di generare forme architettoniche a prescindere da ogni principio compositivo, statico o costruttivo, e si estremizza, ad esempio, nella ‘trans-architettura’ puramente virtuale di Marcos Novak3. Il computer insidia il lavoro concettuale del progettista come la realizzazione delle sue opere. Attraverso la fabbricazione a controllo numerico, il ‘file-to-factory’, il gruppo Objectile4sfida la produzione seriale dell’industrial design. Così un unico modello digitale parametrico si concretizza in molteplici variazioni spaziali uniche, sempre nuove.

English translation:

Over the last twenty years, the impact of the “digital” inarchitecture has grown in an exponential manner, as demonstrated by Greg Lynn’sinform “BLOBs” and by the NOX “free-forms”. The adjective “free” here indicatesthe freedom to create architectural forms, irrespective of any composition,static or construction principle, and has been taken to an extreme in thepurely virtual “trans-architecture” of Marcos Novak. The computer threatens theconceptual work of designers, as well as the realization of their works.Through Computer Numerical Control (CNC) fabrication, the so-called“file-to-factory” process, the Objectile group has challenged the serialproduction of industrial design – a single parametric digital model can now bematerialized in a multitude of unique spatial variations without a significantincrease in costs.

Read the entire English text here.

This paper presents seven different three-dimensional structures based on the principle of structural reciprocity with superimposition joint and standardized un-notched elements. Such typology could be regarded as being intrinsically three-dimensional because elements sit one on top of the other, causing every configuration to develop naturally out-of the plane. The structures presented here were developed and built by the students of the Master of Science in "Architectural Design" during a two week long workshop organized at Aalborg University in the fall semester 2011.

This paper discusses the teaching of technical subjects in architecture, presenting two experimental activities, recently organized at Aalborg University - a two-week-long workshop and a one-day long lecture. The activities are strategically placed between seminar-based subjects and architectural design studios, from the pedagogical point of view. On the one hand, this allows a better mix of theoretical lectures, exercises and design practice; on the other hand, narrow topic related to structural design may be deepened on the basis of a research-based approach to design.

In this paper, the design of a free-form roof structure is presented, approaching the problem in order to reduce construction costs and to define an efficient structural behaviour. The design process is supported by the use of a parametric tool, Grasshopper, for the definition of an optimization problem related to shape-resistant structures, and then a Genetic Algorithm, Galapagos, is used to explore/improve the shape of the 'a priori' defined structure, or better a parametric solution domain of tentative structures. Finally, a scripting interface between the CAD software, Rhinoceros, and the FEM solver, Autodesk ROBOT, is described as a rapid way to check and refine the structural behav-iour of the overall roof.

This paper deals with the principle of structural reciprocity, considering its origins in both Occidental and Orient culture and aiming to highlight the definition, main characteristics and interesting aspects of such concept referring to its application to the world of construction. Issues spanning from history, form-finding and morphology, structural behaviour and construction techniques are discussed in the paper, which should be considered as a starting point to stimulate future research and design directions/approaches.

Il rapporto che in architettura lega forma e struttura è di particolare interesse sia nella ricerca sui temi del ‘non-standard’ (Migayrou 2003), focalizzati per lo più sullo studio della gestione parametrica del progetto, sulla fabbricazione a controllo numerico dei suoi elementi, nota come File-To-Factory o più recentemente Digital Crafting, e sull’implementazione di tecniche computazionali di morfogenesi, sia nella didattica del progetto, specialmente quanto l’integrazione tra progettazione architettonica e strutturale diventa il tema peculiare dell’esperienza di laboratorio. Studiare oggi il legame tra forma e struttura significa inevitabilmente confrontarsi con l’architettura ‘free-form’, nella quale l’aggettivo ‘free’ identifica la libertà di generare forme a prescindere da ogni principio compositivo, statico o costruttivo, come nel caso dei ‘blobs’ informi di Greg Lynn o della ‘transarchitettura’ puramente virtuale di Marcos Novak. In questi casi sembra che la necessità di recuperare un’integrazione tra i vari aspetti del progetto sia sempre più rilevante: com’era in quelle celebrate opere dell’ingegneria mondiale del Secondo dopoguerra, frutto di un processo creativo-generativo che saldava indissolubilmente il contributo disciplinare a quello della ricerca formale, purtroppo scomparse dal dibattito architettonico nell’arco di un ventennio. Le strutture a guscio del Kresge Auditorium di Saarinen, del 1954, della stazione di servizio BP sull’autostrada Berna-Zurigo di Isler del 1968, o ancora del ponte sul Basento di Musmeci del 1971, sono solamente alcune tra le opere esemplificative di questo periodo. Altri esperimenti vennero condotti ad esempio utilizzando le strutture spaziali, come nel caso delle cupole geodetiche di Fuller, o tensegrity e strutture reciproche. In altri casi ancora, come nella chiesa di Longuelo di Pino Pizzigoni del 1961, le potenzialità espressive dei gusci vennero unite a quelle di un telaio spaziale per concepire un edificio interamente realizzato col calcestruzzo armato (Deregibus et al. 2010). In generale, si trattava di un filone sperimentale che influenzò l’intero panorama architettonico, portando alla fondazione di centri di ricerca come l’”Institut für Leichtbau Entwerfen und Konstruieren” di Frei Otto o alla pubblicazione di testi teorici e didattici come “La concezione strutturale” di Torroja. L’abbandono della ricerca architettonica su queste tematiche è però principalmente dovuta ai limiti intrinseci dati dalle loro origini storiche. Se da un lato l’introduzione delle grandi strutture in acciaio nell’Ottocento ha portato alla nascita di studi prettamente ingegneristici su particolari tipologie di strutture spaziali, poi consolidati nel corso del secolo successivo, dall’altro il lavoro di Gaudì, basato sull’uso di modelli fisici per la ricerca di forma delle guglie della sua Sagrada Familia, è considerato il pioniere dello sviluppo del successivo ben noto ‘form-finding’ (Otto et al. 1996). E’ facile immaginare l’iniziale entusiasmo dei progettisti verso la sperimentazione in questo campo ma è altrettanto evidente come, vincolati da un lato dalla simulazione di particolari proprietà fisiche e dall’altro dalla difficoltà di rappresentare e gestire geometrie non regolari, essi venivano sempre ricondotti a ricercare le possibili soluzioni ad un problema di form-finding strutturale all’interno di una determinata famiglia di forme, rapidamente esplorate in sede progettuale, costruite più e più volte, ed infine divenute ridondanti e prive d’interesse. Solo il recente sviluppo di strumenti informatici per la creazione e la manipolazione di geometrie particolarmente complesse, insieme con lo studio di tecniche computazionali di ottimizzazione ingegneristica, ha consentito l’avvio di una nuova fase esplorativa in questo campo. A partire da queste premesse, l’attività del workshop di costruzione può diventare un interessante momento di sperimentazione didattica nel campo delle strutture resistenti per forma, ponendosi in una posizione strategica sia rispetto al più tradizionale studio del ‘form-finding’ sia alle più recenti tendenze del ‘non-standard’: lo studente è chiamato a confrontarsi con problemi costruttivi reali, ed è anche possibile immaginare una simbiosi maggiore tra didattica e ricerca in diverse modalità. L’obiettivo di questo contributo è quindi indagare, col supporto di alcune esperienze esemplificative degli autori, il potenziale dei workshop di costruzione nella didattica del progetto e nell’attività di ricerca scientifica, cercando di tracciarne possibili scenari per future esperienze con gli studenti di architettura.

This paper presents an optimization procedure for the solution of the planarity problem, a requirement of grid shells with four or more sides faces that need of having four adjacent nodes laying on a plane in order to use plane glass slabs as cladding elements. It can be satisfied by applying specific geometric rules in the grid generation phase but, when the architectural shape is already defined at the conceptual stage, an optimization procedure can yield to suitable configurations. A Relaxation method based on nodal planarity errors and an evolutionary population-based Genetic Algorithm have been applied to set of benchmarks, in order to tune parameters and to obtain general information about the solution. the problem and their efficiency compared. The Relaxation method in general shows better efficiency in reaching optimal solutions, as an effect of the regularity of the target function. The Genetic Algorithm, on the other hand, performs a wider exploration of feasible solutions, generating unexpected sub-optimal configurations.

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This paper aims to discuss recent approaches in using more and more frequently computer tools as supports for the conceptual design phase of the architectural project. The present state-of-the-art about software as a conceptual design tool could be summarized in two parallel tendencies. On the one hand, the main software houses are trying to introduce powerful and effective user-friendly applications in the world of building designers, that are more and more able to fit their specific requirements; on the other hand, some groups of expert users with a basic programming knowledge seem to deal with the problem of software as a conceptual design tool by means of 'scripting', in other words by self-developing codes able to solve specific and well-defined design problems. Starting with a brief historical recall and the discussion of relevant researches and practical experiences, this paper investigates the most recent studies about digital conceptual design tools. The combined use of Rhinoceros, a powerful three-dimensional modeller diffused among designers, and Rhinoscript, its implemented programming environment, is here presented as a possibly effective way to deal with computer technologies for conceptual design in architecture.