Topology-Driven Form-Finding

The inherent relation between aesthetic qualities and structural efficiency inherent on bending-active and textile hybrid structures is associated with a vast range of design opportunities for generating innovative architectural solutions. Exploring those opportunities is a non-trivial task demanding to expand outside current geometric modeling paradigms and develop an insightful and methodological simulation-based design practice. Considering that dynamic methods, such as Particle Systems (PS) and Dynamic Relaxation (DR), have become an important research trend with major advances only focused on speeding up numerical convergence, the main focus of this work is to develop a comprehensive approach for enabling topologic transformations with real-time physics named topology-driven form-finding that, during conceptual stages, can serve to extend design spaces by improving modeling freedom. A general introduction to bending-active and textile hybrid structures is presented in chapter 2. The following chapter then serves to introduce basic principles of PS and DR methods with an overview of mechanical formulations and integration schemes used throughout this work. Chapter 4 introduces the theoretical framework regarding the development of a generic topologic model with geometric and mechanic embeddings for the implementation of PS models supporting topologic transformations on the fly. Chapter 5 proceeds with the presentation of implementations along with a description of design and modeling implications. Different case studies in which the conceptual design development has been conducted via topology-driven form-finding approaches are presented in chapter 6. Finally, this thesis concludes with a discussion of methods and models developed, and a number of recommendations for future research. Die inhärente Beziehung zwischen ästhetischen Qualitäten und statischer Effizienz von Hybridstrukturen aus biegeaktiven Elementen und textilen Membranelementen ist mit einer großen Bandbreite an Gestaltungsmöglichkeiten zur Generierung innovativer architektonischer Lösungen verbunden. Die Erforschung dieser Möglichkeiten ist eine nicht triviale Aufgabe, die es erfordert, über die aktuellen geometrischen Modellierungsparadigmen hinauszugehen und eine aufschlussreiche und methodische simulationsbasierte Entwurfspraxis zu entwickeln. In Anbetracht der Tatsache, dass dynamische Methoden wie Partikelsysteme (PS) und Dynamische Relaxation (DR) zu einem wichtigen Forschungstrend geworden sind, bei dem größere Fortschritte nur auf die Beschleunigung der numerischen Konvergenz ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Entwicklung eines umfassenden Ansatzes zur Ermöglichung von topologischen Transformationen mit Echtzeit-Physik, der als Topologie-gesteuerte Formfindung bezeichnet wird und der in der Konzeptphase dazu dienen kann, die Entwurfsräume durch Verbesserung der Modellierungsfreiheit zu erweitern. Eine allgemeine Einführung in biegeaktive und textile Hybridstrukturen wird in Kapitel 2 vorgestellt. Das folgende Kapitel dient dann der Einführung in die Grundprinzipien der PS-und DR-Methoden mit einem Überblick über die mechanischen Formulierungen und Integrationsschemata, die in dieser Arbeit verwendet werden. Kapitel 4 stellt den theoretischen Rahmen für die Entwicklung eines generischen topologischen Modells mit geometrischen und mechanischen Einbettungen für die Implementierung von PS-Modellen vor, die spontane topologische Transformationen in Echtzeit unterstützen. Kapitel 5 fährt mit der Darstellung von Implementierungen und einer Beschreibung der Auswirkungen auf Design und Modellierung fort. Verschiedene Fallstudien, bei denen die Entwicklung des konzeptuellen Designs mit Hilfe von Topologie-gesteuerten Formfindungsansätzen durchgeführt wurde, werden in Kapitel 6 vorgestellt. Schließlich schließt diese Arbeit mit einer Diskussion der entwickelten Methoden und Modelle und einer Reihe von Empfehlungen für nächste Schritte in diesem Forschungsgebiet.