Ongreening Pavilion

Architectural Design: Ongreening Team

Structural Design: Ramboll Computational Design

Location: London, UK

Status: completed, 2014

Introduction

En fin 2013, Ongreening Ltd a contacté Ramboll Computational Design (RCD) pour la conception d’un pavillon temporaire destiné à marquer le lancement de leur nouvelle plateforme Web pour la construction écologique. La structure du pavillon devait être démontable, fabriquée à partir de bois et à l’intérieur d’une parcelle donnée de 10m x 8m fixée à Ecobuild 2014 à Londres, une exposition publique sur le bâtiment durable.
Au cours de la phase de conception initiale, Ongreening Ltd a exprimé un désir précoce de Le gridshell monocouche formé à partir d’éléments en bois précontraints de rigidité de flexion constante qui forment des courbes dites élastiques [Levien 2008]. Bien que les structures typiques tentent d’éviter le comportement en flexion, les structures actives en flexion utilisent plutôt des flexions pour donner naissance à la forme dans un état pré-bouclé.
Les gridshells traditionnels en bois précontraint ont un treillis avec une topologie fixe qui est d’abord étalé puis mis en forme. La forme est manipulée en permettant une rotation dans le plan à chaque connexion qui est ensuite fixée lorsque le la forme désirée est trouvée [Harris et al. 2004].
Pour le Pavillon Ongreening, en raison des restrictions de taille du site, une méthode similaire ne serait pas possible, et aussi restreindre la solution espace pendant l’exploration de la conception tout en essayant de répondre aux exigences du client.

Au lieu de cela, une méthode de flexion séquentielle de chaque latte individuelle a été adoptée. Ce signifiait qu’une plus grande variété de formes pourrait être explorée mais au prix d’un assemblage plus complexe. En raison de la petite taille du pavillon, ce compromis a été réputé acceptable.

 

 

Formulaire initial

En théorie, toute forme doublement incurvée peut être discrétisée en plat, les lattes droites si longues car leurs trajectoires suivent des géodésiques de surface [Pirazzi et al. 2006]. Cependant, pendant la processus de construction, il est avantageux que chaque latte prenne la forme requise en utilisant un minimum d’effort. Par exemple, en poussant les extrémités d’une seule latte avec des propriétés matérielles constantes et permettant de déformer une courbe particulière la géométrie est trouvée pour chaque latte qui peut ensuite être utilisée pour définir la coque. Il a donc été décidé de dériver un ensemble de lattes primaires qui, au cours de la première phase l’assemblage prendrait une forme particulière de flexion-active lorsqu’il est contraint à leur prend fin.
Pour simplifier le processus, on a initialement supposé que ces lattes primaires étaient planes, orientée verticalement et disposée radialement sur plan. L’établissement était basé sur un Plan dessin par Ongreening Ltd avec un point focal circulaire central et une elliptique frontière. Une coquille continue a été générée par lofting à travers ces courbes. Le processus est décrit comme suit:

 

 

 

1. Placez les points nodaux sur un cercle intérieur
2. Créez des lignes radiales à partir de chaque point de nœud
3. Coupez les lignes radiales avec l’ellipse externe et appliquez la rigidité à la flexion à l’élément
4. Augmenter la longueur naturelle des éléments et résoudre en utilisant la relaxation dynamique
5. Contraindre les courbes à un plan vertical en appliquant un petit champ gravitationnel
6. Ajuster la longueur naturelle des éléments selon une fonction trigonométrique

 

Relaxation dynamique
Des techniques numériques de calcul de forme pour les grands déplacements étaient nécessaires Comprendre l’équilibre des formes actives en flexion. Une relaxation dynamique simple processus en utilisant l’intégration Euler a été réalisée en utilisant Grasshopper avec le Plug-in de physique Kangourou [Piker 2013].
Après le formage initial, il a été constaté qu’avec des connexions épinglées, les lattes s’affrontaient dans la zone centrale. Cela a été résolu en remplaçant l’intérieure connexion épinglée avec des connexions fixes, contraignant chaque latte à son extrémité à une verticale direction et donnant naissance à une structure en entonnoir régulière au centre du pavillon. Un total de 32 éléments primaires a été trouvé pour donner la densité visuelle requise pour le pavillon tout en évitant les lattes qui se chevauchent à l’entonnoir.

 

 

Remplacement géodésique

Une référence de surface pour la coque a été créée en effectuant un lissage fermé à travers les 32 courbes primaires. L’intention initiale était que ces courbes forment les éléments structuraux primaires, cependant, en raison de la nature de la surface finale lorsque ces courbes ont été déroulées, elles n’étaient pas droites et donc plus difficiles à fabriquer à partir de feuilles de bois standard. En revanche, les lignes géodésiques entre deux points sur une surface continue et doublement incurvée forment des lignes droites lorsqu’elles sont déroulées sur un plan, ce qui les rend très efficaces pour la fabrication CNC à trois axes.

Les courbes radiales originales utilisées pour former la surface ont donc été remplacées par géodésiques en semant à partir des mêmes points sur le cercle intérieur qui ont été utilisés pour créer les lignes radiales. Ces nouvelles courbes ne se limitaient pas au plan vertical et introduisaient donc une certaine torsion dans les lattes. On a toutefois supposé que ces géodésiques résultantes se rapprocheraient toujours étroitement de la forme d’une latte pliée supportée à chaque extrémité, en supposant que le poids propre était négligeable par rapport à la précontrainte.

En plus de générer une ligne géodésique entre deux points sur une surface, une ligne géodésique ou une planche peut également être générée en utilisant une approche itérative [Kensek et al. 2002]. En utilisant un point de semis, la direction initiale et la taille de pas, un nouveau point est généré qui est ensuite projeté à la surface. Ce point devient la graine suivante, avec un nouveau vecteur de direction trouvé en combinant la direction précédente avec la surface courante normale.

Pour le pavillon, ce processus s’est poursuivi jusqu’à ce que le point projeté se trouve à la limite de la surface. Une courbe lisse a ensuite été créée en interpolant entre l’ensemble des points. Comme pour toute approche d’intégration, un pas relativement petit était nécessaire pour produire un résultat précis.

Chacune des 32 lattes primaires a été réalisée en bois de bouleau finlandais de 6,5 mm d’épaisseur et de 100 mm de largeur. Une deuxième couche de lattes interconnectant les primaires a été nécessaire pour rendre la structure stable et agir comme un gridshell.

 

Placement des lattes secondaires

Comme mentionné précédemment, il est courant pour les structures à grille d’avoir une topologie rectangulaire ou diagride. Cependant, pour le Pavillon Ongreening, une esthétique plus aléatoire des lattes était souhaitée par le client, donnant un aspect tissé. Les lattes secondaires ont donc été enroulées à nouveau autour des éléments primaires le long des géodésiques afin de donner à la coque une résistance dans toutes les directions. Ceci a eu l’avantage supplémentaire de rendre la membrane de la coquille moins orientée directionnellement (comme avec un diagride) et agit donc plus comme une coque continue ou une structure monocoque telle qu’une coquille d’œuf. En étendant la méthode utilisée pour les éléments primaires, un certain nombre de lattes secondaires ont été créées en utilisant une distribution aléatoire des points de départ et des vecteurs de départ.

Les géodésiques secondaires ont été générées dans les deux directions à partir de leurs points de semis, se terminant à la limite de la coque. Selon les lattes primaires, les secondaires ont été réalisés à partir de contreplaqué de bouleau de 6,5 mm d’épaisseur, cette fois de 75 mm de largeur.

 

a) Détail de l’entonnoir central. b) Envelopper les lattes primaires avec des éléments secondaires dans le modèle d’ordinateur

Analyse structurelle en temps réel
Il a été constaté que l’ensemencement aléatoire initial des lattes a conduit à un regroupement significatif des géodésiques secondaires. Cela a été jugé inacceptable parce que: a) une répartition régulière des lattes était requise par le client pour des raisons esthétiques, b) il a conduit à des lattages multiples en train de tisser aux endroits proches, annulant ainsi la minceur de la coquille, c) la performance structurelle était médiocre aux grands espaces sans structure secondaire. Un ajustement manuel des points de semis a été adopté afin de créer un arrangement souhaitable d’éléments secondaires.

Ce processus a donc été conduit par l’esthétique, la fabrication et la structure terrains. Pour ce dernier, un retour d’information a été donné en raison de l’analyse structurelle directement lié à la géométrie paramétrique en utilisant le plug-in Grasshopper Karamba [Preisinger 2013]. Cette analyse linéaire en temps réel a été réalisée au sein du modèle paramétrique lui-même, permettant de comprendre immédiatement la performance de chaque configuration.
Le plug-in Karamba a fourni une analyse rapide des éléments finis, parfaitement adaptée à l’étape de la conception des structures complexes à petite échelle. Les combinaisons de charges pourraient être testées sur la volée, avec des contrôles de redondance, pour mieux comprendre une densité appropriée d’éléments secondaires pour la coque. La capacité d’interroger immédiatement une structure après chaque modification de la conception était très utile lorsqu’elle était associée à la capacité d’interpréter les résultats et de prendre des décisions intelligentes de désabonnement. Au lieu de trouver un résultat optimal et d’exclure l’utilisateur humain, l’analyse en temps réel a été utilisée en combinaison avec l’intuition humaine et le jugement qualitatif tout au long du processus de conception.

Une fois les éléments secondaires finalisés, le modèle a été exporté vers Sophistique pour une analyse non linéaire et une vérification ultérieures, qui ont donné des résultats presque identiques. Les deux modèles d’analyse ont été mis en place pour inclure le poids propre et plusieurs charges imposées comme prescrit par Ecobuild. L’utilisation de chaque latte selon l’Eurocode 5 a été déterminée en utilisant à la fois la somme des contraintes dues au chargement et la contrainte induite par le cintrage de la latte à la courbure requise. Il a été constaté que le contreplaqué de bouleau finlandais de 6,5 mm d’épaisseur était la meilleure combinaison de haute capacité de flexion et de haute résistance.

 

Analyse structurelle en temps réel dans le modèle paramétrique. Nuances plus sombres plus grandes flèches

Détails et fabrication
La disposition topologique finale des lattes en bois est illustrée à la Fig. 6. Un système de référence numérique a été utilisé pour faciliter l’assemblage, le pavillon étant assemblé en kit sur le site, chaque élément primaire indiquant quel secondaire était connecté. Ceux-ci ont été simplement gravés sur la latte manuellement pour éviter de compromettre le bois avec des gravures.
Bien que le laçage aléatoire des secondaires soit visuellement intéressant, lorsqu’en raison de l’adoption d’un diagramme, plusieurs problèmes supplémentaires ont dû être résolus:

• L’ordre des lattes superposées est complexe.
• Les points d’épissure doivent être soigneusement définis afin de ne pas entrer en conflit avec les connexions.
• Une topologie aléatoire signifie des emplacements de connexion aléatoires le long de chaque latte.

 

Les liaisons
La géométrie de la latte étant fixée, un second modèle paramétrique a été développé pour produire des informations de fabrication. Avec les lattes représentées par des courbes d’axe, les points d’intersection peuvent être facilement identifiés. Des connexions épinglées devaient être faites à chaque intersection entre les lattes primaires et secondaires. Ceux-ci pourraient être stockés en tant que paramètres de courbe pour permettre aux emplacements de forage d’être mappés aux lattes déroulées. Les intersections entre les lattes secondaires (y compris les auto-intersections) ont également été identifiées et utilisées lors de la localisation des points d’épissure.

 

Projection du disque montrant la topologie des éléments primaires radiaux (rouge) et éléments secondaires (noir)

Les lattes de bois elles-mêmes étaient constituées de plusieurs éléments avec des emplacements d’épissures temporaires, rendant ainsi la structure démontable et pouvant être fabriquée à partir de feuilles de contreplaqué de taille standard. Ces emplacements d’épissures ont été générés dans le même modèle paramétrique que les connexions. La longueur de chaque élément individuel a été maximisée, en tenant compte des contraintes de fabrication, tout en évitant simultanément de repérer des points d’épissure à proximité de connexions ou de chevauchements de lattes. Les connexions d’épissure secondaires ont été fendues pour permettre de petits ajustements pendant l’assemblage et permettre le tissage des lattes secondaires les unes sur les autres. Tous les détails de connexion et d’épissure ont été conçus pour l’Eurocode 5, avec des tests physiques d’une seule latte également effectués afin de vérifier la conception lorsqu’ils sont courbés à des rayons serrés, en particulier aux endroits chevauchants où la rigidité est augmentée.

 

Les emplacements d’épissure optimaux évitent les intersections entre les lattes tout en minimisant leur nombre

Détails simples de connexion boulonnés M6 utilisés sur le pavillon:

a) épissure entre
deux éléments secondaires avec deux trous oblongs,

b) une connexion d’épissure entre deux éléments primaires,

c) des connexions primaires à secondaires

Fabrication
L’utilisation de contreplaqué de bouleau était absolument essentielle pour atteindre les rayons de courbure tout en conservant la résistance de la coque requise à une taille aussi mince. Le fait que la coque puisse être fabriquée à partir d’un contreplaqué mince (6,5 mm) signifiait également que l’utilisation de matériaux pour cette taille d’enceinte était minimisée. Les matériaux de finition ont également été fabriqués à partir de contreplaqué de bouleau, par exemple le bois qui entoure la base de la structure.
Le contreplaqué de bouleau utilisé provenait du FSC et, étant donné que le pavillon n’était destiné qu’à un usage interne, il pouvait conserver sa finition d’origine pour exprimer le bois. L’utilisation du bois a également permis de découper facilement les lattes et de percer les trous de connexion à l’aide d’une machine CNC standard à 3 axes. En raison de la géométrie géodésique, les lattes, une fois déroulées, étaient complètement droites et, par conséquent, le gaspillage de matériau était presque nul lors de la coupe du bois.

 

Comme tous les éléments suivaient des lignes géodésiques sur la surface,

lorsqu’ils étaient déroulés, ils étaient droits, simples et efficaces à fabriquer.

Détails du périmètre
Il était important de maintenir une limite continue pour attacher les lattes primaires et secondaires et éviter les bords libres. Les portes ont été créées le long de la ligne des membres primaires de chaque côté du pavillon, avec leurs bords une continuation des détails de base.

 

L’assemblage final
Le gridshell a fallu trois jours à une petite équipe pour assembler, en commençant par la construction du périmètre et du plancher, en se déplaçant sur les éléments primaires et en finissant par laçage avec les secondaires.

Les éléments primaires ont été préfabriqués sur toute leur longueur au sol avant de se courber et de se raccorder au périmètre. Les éléments secondaires ont cependant été assemblés dans leur position réelle sur la coque en s’enroulant autour des primaires et en se connectant aux points d’épissure tout en se déplaçant autour de la structure.

Le retour en temps réel du modèle d’analyse s’est révélé utile pour déterminer la meilleure séquence de construction du pavillon. À elles seules, chaque latte primaire pleine longueur était instable, s’appuyant fortement sur le soutien latéral fourni par les secondaires. Diverses combinaisons ont été explorées jusqu’à l’identification d’une latte secondaire enroulée trois fois autour de l’extérieur de la structure, à une hauteur approximative de 2 m et donc accessible à partir du sol. Chaque longueur individuelle de cette latte secondaire particulière pourrait être ajoutée de manière incrémentale, en reliant les lattes primaires l’une à l’autre et en fournissant la retenue latérale nécessaire. En réalité, pendant la construction, des secondaires supplémentaires ont également pu être ajoutés pour fournir une stabilité supplémentaire.

Les connexions à fentes aux points d’épissure secondaires se sont révélées essentielles pour permettre une certaine tolérance à tisser les éléments, en particulier dans les zones de connectivité élevée. Une ou deux fois, des trous supplémentaires ont été forés lorsque plusieurs éléments se sont chevauchés sur le site, mais en raison de la nature du travail avec le bois, cela a été facilement résolu.

 

Vue interne du pavillon réalisé à Ecobuild 2014

Source:

http://www.atelier2.it/opere/ongreening-pavilion/

http://www.karamba3d.com/projects/ongreening-pavilion/

https://www.researchgate.net/publication/281689077_The_Ongreening_Pavilion

https://www.youtube.com/watch?v=Pp6bA5yo16g