Hur självmonterande granulära material förändrar arkitekturens framtid

Arkitektur är en konservativ disciplin, inte minst på grund av de höga krav på stabilitet och säkerhet som alla mänskliga konstruktioner måste följa. De krafter som verkar på och inom varje struktur måste beräknas noggrant och konstruktionen ändras i enlighet med detta. Lite kan lämnas åt slumpen.

Åtminstone är det den traditionella uppfattningen. Men vissa designers leker med en annan idé - att det finns ett annat sätt att bygga som utnyttjar slumpmässighet snarare än undviker den. Denna typ av byggnad kommer att förlita sig på nya typer av granulära material som när de tippas på plats binder samman på ett sätt som ger strukturell stabilitet. På så sätt kunde väggar, pelare och till och med kupoler hällas på plats och bilda komplexa men stabila strukturer.

Det kan låta som science fiction men idag förklarar Sean Keller vid Illinois Institute of Technology i Chicago och Heinrich Jaeger vid University of Chicago hur denna typ av aleatorisk arkitektur äntligen blir möjlig. Dessa killar säger att de första aleatoriska strukturerna redan byggs och att tillvägagångssättet introducerar nya sätt att tänka på arkitektur och design i allmänhet.

Först lite bakgrund. Människan har använt granulära material som stenar, sand eller jord för att bygga strukturer i tusentals år. Än idag är tekniken vanlig för att bygga dammar, hamnvågbrytare och grusbäddar för järnvägar.

Dessa strukturer drar nytta av de speciella egenskaperna hos granulära material - deras porösa natur som möjliggör snabb dränering och det faktum att de kan hällas på plats snabbt och till låg kostnad.

Mer intressant är hur de bär laster. Konventionella strukturer kräver speciellt utformade pelare eller bågar. Men granulära material förlitar sig på kraftkedjor mellan intilliggande partiklar inuti materialen som sätts upp när materialet fastnar. Samtidigt kan materialet flyta när sylten släpps.

Det finns dock nackdelar. Formen på dessa strukturer är starkt begränsad av materialets naturliga vilovinkel. Och det begränsar också applikationerna.

Mycket av egenskaperna hos granulära material bestäms av formen på de partiklar som de är gjorda av. Detta är ungefär sfäriskt i många fall.

Men på senare år har materialforskare börjat experimentera med partiklar med mer exotiska former, som 3D-stjärnformer, X-former, krokformer och andra. När de hälls upp fastnar dessa lättare och bildar stabila strukturer.

Det har lett till ett helt nytt sätt att tänka på design. Traditionellt har arkitekter börjat med de minsta strukturella komponenterna som pelare, bågar, väggar och så vidare och fogat ihop dem för att bilda större strukturer som broar, hus och skyskrapor.

Men egenskaperna hos dessa nya granulära material vänder detta tillvägagångssätt på huvudet. Med det här materialet kan arkitekter tänka på den övergripande formen och sedan räkna ut hur det kan uppnås genom att hälla det granulära materialet på plats.

Ett tillvägagångssätt är att hälla materialet i en lufttät tygbehållare som kan vakuumförpackas. Detta genererar trycket som gör att materialet fastnar i mer eller mindre vilken form som helst. För några år sedan byggde ingenjörer vid Technical University of Delft en bro med hjälp av denna tömningsbara idé (nedan).

Ett mer ambitiöst mål är att komma på den övergripande strukturen och sedan arbeta bakåt för att bestämma formen på partiklarna som skulle producera den när den hälldes. Dessa granuler kunde sedan 3D-printas och hällas på plats, där de skulle självmontera eller sättas ihop med en robot.

Det kommer att ha en djupgående effekt på designprocessen. Som ett resultat är förplanering befriad från att beakta den lokala strukturella detaljen, säger Keller och Jaeger. Istället blir huvuduppgiften nu att generera de rätta partikelformerna såväl som de övergripande gräns- och bearbetningsvillkoren för att garantera att den önskade målstrukturen kommer att vara mekaniskt stabil när den realiseras.

De första trevande stegen mot denna typ av konstruktion har redan tagits med fascinerande resultat. Kan det vara så att nästa hus du flyttar in i kommer att ha gjutits snarare än byggt? Förmodligen inte, men uteslut inte den efter det.

Ref: arxiv.org/abs/1510.05721 : Aleatory Architectures

Dölj