Choreographing Flow : A Study in Concrete Deposition

The traditional use of concrete in architecture is fundamentally conditioned by the inverse relationship that exists between material and formwork. When poured into a mold, a homogenous mixture takes the shape of its container. More detailed adjustment of the structure of concrete, however, is not possible. As a result, concrete appears to constitute a uniform soild mass; this is one of the material’s most distinct traits. In comparison, the process of shaping concrete by deposition signifies a fundamental departure from such conventional formwork-based techniques. Rather than relying on the constraint and control imposed by a rigid mold, deposition employs a computer-controlled machine to deposit material along a programmable path. The singular operation of the pour is thus replaced with a dynamic, choreographed flow, in which the role of the line shifts from representing the perimeter of the form to constituting the path along which the material performs. In addressing the main research question—How can concrete deposition lead to new ways of thinking and making architecture?—this thesis proposes that the shift from casting to programming concrete represents an opportunity for reevaluating values and conceptions that have shaped our understanding of concrete as a monolithic and uniform building material. In seeking to develop an alternative to traditional formwork-based construction methods, the research proposes that concrete deposition opens up new potentials for extending the resolution of design to encompass material distribution at a previously impossible, intermediate scale: the meso scale (10-2–10-1 m). Elaborating on this main research question, the thesis specifically asks how choreographing the flow and distribution of concrete at the scale of the deposited filament can lead to the production of intricate and porous material structures, something that was previously unfeasible due to the limitations of the mold. The thesis is divided in three main parts and consists of seven chapters. The first part (Beginnings) outlines the aims of the investigation and provides a background to the research questions. The initial chapters present an overview of the research field and the theoretical and methodological framework employed in the research. In the second part (Projects), the main research question is broken down and addressed in three projects related to the preparatory processes of mixing, testing, and stitching. The third part (Synthesis) presents a discussion and a conclusion. The Appendix contains a catalogue of stitches.Denna avhandling undersöker betongens potential som byggnadsmaterial med en robotstyrd framställningsmetod där betongen appliceras och byggs upp i lager genom en additiv process. I syfte att bidra till att utöka de arkitektoniska möjligheterna med denna teknik så omprövas betongens etablerade roll som ett massivt och uniformt byggnadsmaterial. Inom forskningsprojektet har nya metoder utvecklats i syfte att utforska samverkan mellan betongens egenskaper och de robotstyrda rörelser som styr materialets placering. I en traditionell byggprocess måste en gjutform först tillverkas, fyllas med betong, och sedan demonteras för varje tillverkat betongelement. Betongblandningen antar formen av den konstruerade gjutformen och resulterar i en solid materialkropp med en sammansättning som inte kan anpassas på en mer detaljerad nivå. Att digitalt applicera betong genom additiv framställning innebär en väsentlig skillnad mot gjutformsbaserad tillverkning. Istället för att en statisk behållare ger form åt materialet så placeras betongen av en robotarm utefter en förprogrammerad linjebana. Gjutprocessen ersätts därmed av ett dynamiskt flöde där robotens koreograferade rörelser vägleder materialet. Den övergripande frågan i avhandlingen är – hur kan additiv framställning av betong leda till nya sätt att tänka och bygga arkitektur? Mot denna bakgrund föreslås att skiftet från att gjuta till att koreografera betong utgör en möjlighet att omvärdera tankesätt och normer som hittills begränsat betongen till att vara ett massivt och uniformt byggnadsmaterial. Möjligheten att forma materialet i samma geometriska skala som munstyckets öppnar en ny dimension i utformningen av betong på en tidigare omöjlig mellanliggande skala – mesoskalan (10-2 – 10-1 m). Programmerbara rörelsemönster ger möjlighet att skapa lokala variationer i betongens uppbyggnad, variationer som i sin tur resulterar i intrikata och porösa materialstrukturer som tidigare varit omöjliga på grund av gjutformens begränsningar. Avhandlingen består av sju kapitel och är indelad i tre delar. Den första delens inledande kapitel presenterar de teorier och metoder som använts, samt beskriver de samarbeten och miljöer i vilka forskningsarbetet växt fram. Det andra kapitalet ger en allmän överblick av betongens historiska utveckling inom arkitektur och teknik och diskuterar olika förutsättningar för betongframställning med och utan gjutform. Mot denna bakgrund observeras hur byggnation med betong som regel gör en tydlig särskiljning mellan form och material. Inom additiv framställning kan samma tendens urskiljas genom att den fysiska gjutformen ersätts med en “virtuell gjutform” i form av en 3D-modell. Denna tendens att reducera material till en passiv mottagare av en aktiv form kan härledas till ett utpräglat hylomorfiskt tankesätt som är en sammanslagning av de grekiska orden för hyle (material) och morfe (form). Genom att anknyta till existerande hylomorfisk kritik introduceras problematiken och begränsningarna med detta tillvägagångsätt, vilket leder till frågan, vad kan ett icke hylomorfiskt tillvägagångsätt inom additiv tillverkning vara? Det tredje kapitlet introducerar begreppet “digital materialitet” och beskriver det forskningsfält som projektet bidrar till. I avhandlingens andra del undersöks de förberedande delmoment genom vilka den additiva processens potential realiseras. I tre kapitel med övergripande tema: blandning, provning och stickning behandlas beredningen av materialet samt programmeringen av robotens linjebanor genom att kombinera experimentella metoder med teoretiska resonemang och historiska reflektioner. Genomgående för de tre kapitlen är att de utgår från konceptuella verktyg och begrepp som utvecklats av filosofen Gilbert Simondon i hans kritik av det hylomorfiska synsättet. I fjärde kapitlet avhandlas inledningsvis hur betongen erhåller sina egenskaper och beteende i sitt tidiga stadium. Den förenklade förståelsen av betong som antingen flytande eller fast lyfts fram som otillräcklig och ersätts med en mer icke-binär förståelse av materialets komplexa transformationer. Kapitlets andra del beskriver en studie som innehåller den materialutveckling som varit nödvändig för forskningens praktiska arbete. I det femte kapitlet behandlas nya möjligheter för samspel mellan betong och design i tillverkningsprocessen. Utifrån ett resonemang om skillnaden mellan verktyg och maskin utvecklas ett argument om materialprovets viktiga roll inom maskinstyrda produktionsprocesser. Frågan som ställs är vilket samspel som kan existera mellan designintention, materialets beteende och roboten i den additiva processen. Mot denna bakgrund föreslås en provningsmetod där betongens följsamma och avvikande beteende kan studeras i relation till en specifikt utformad rörelsebana. I kapitel sex undersöks framställningen av robotens linjebanor. Inledningsvis diskuteras hur existerande metoder och programverktyg främjar ett hylomorfiskt tankesätt. I ett första steg i processen representeras solida kroppar i ett 3D-modelleringsprogram som ett yttre skal (makroskalan) utan möjlighet att ta hänsyn till materialets inre uppbyggnad på en mer detaljerad nivå (mesoskalan). När den framtagna 3D-modellen sedan anpassas för tillverkning sker det i en automatisk process som delar upp modellen i horisontella tvärsnitt. Detta delmoment är normalt utanför designerns räckvidd och reducerar den additiva byggnadsprocessen till staplandet av konturlinjer. Mot denna bakgrund utvecklas ett argument om behovet av att beakta linjebanorna som en del av designprocessen och att utformningen av linjerna i sig själva kan leda till hittills outforskade materialeffekter bortom den enkla lager-på-lager principen som blivit synonym med additiv framställning. Med inspiration från stickningstekniker utvecklar forskningsprojektet ett digitalt designverktyg som tillåter utökade valmöjligheter vid programmeringen av linjebanor till förmån för avancerade rörelsemönster. De framtagna linjerna kan liknas vid olika stygn som appliceras inom stickning av textilier. Inom ramen för projektet kallas de därför för “stitches”. Med detta tillvägagångsätt kan den additiva processen frambringa komplexa materialstrukturer inom materialets mesoskala, strukturer som ligger utom räckhåll för konventionella modelleringsmetoder. Avhandlingens tredje del innehåller diskussion och slutsatser som avslutas med en plan för vidare forskning. Avhandlingen innehåller också en katalog med genererade linjetyper. QC 20210621