Τυπολογίες δομών Οrigami για εφαρμογές στην αρχιτεκτονική: η περίπτωση των αναδιπλούμενων κυψελοειδών συστημάτων

Abstract

Τhis doctoral dissertation investigates Origami crease patterns as applied to the design of three-dimensional foldable cellular structures. Origami structures present geometric properties that allow them to behave as mechanisms and reconfigure in three-dimensional space. The principles governing Origami crease patterns and enabling spatial transformations pertain solely to their geometry and are independent of scale. The term "foldable" refers to the ability of a spatial structure to rearrange its shape, transforming from one form to another, such as from a deployed configuration to a closed one of minimal volume. This research focuses on the design of bistable structures, which are structures with two stable configurations: one fully deployed and one compacted to minimal volume, facilitating transportation and storage. This study explores two different types of folding patterns that enable the creation of spatial patterns: a) The first method investigates folding patterns that, when folded, create shapes functioning as three-dimensional units. These units are interconnected in a three-dimensional grid to form a spatial structure with a cellular morphology, leading to modular structures. b) The second method investigates folding patterns that, when folded, form three-dimensional shapes functioning as foldable surface structures. These can be organized into layers or levels, and by superimposing and interconnecting them with transverse elements, they form cellular structures. The specific objectives achieved in this research include: 1) Transitioning from a fully developed form to a fully compacted form in a continuous and single-degree-of-freedom motion. A structure presents a single-degree-of-freedom motion when the movement of one component coordinates the movement of all other components. This property is significant because it allows for autonomous deployment by users without the need for specialized or numerous labor, making the process simple and achievable by the users themselves. This is particularly important for installations in extreme environments where additional assistance may not be available. 2) When fully deployed, the structure and morphology of the cellular constructions allow the subdivision of interior space and the formation of various subspace combinations. The ability of partitioning the interior of a construction offers customized solutions to different requirements, which is crucial for adaptability and flexibility in meeting diverse needs. 3) The morphology of the constructions allows connecting with other structures of the same type either by extension or vertically. Vertical connection is achieved by superimposing one structure on top of another, while horizontal connection is realized by simply placing one structure adjacent to another. The ability to combine multiple foldable structures into a collective system further enhances the design of flexible systems capable of spatial reconfiguration through simple movements to function differently and meet various needs. 4) The volume of the structure in its folded configuration is a merely a fraction of its volume at its deployed configuration. This study, while not excluding state of the art materials, chooses to be independent of them. This choice is made because the research aims to minimize the volume of the components (and thus the overall structures) based on innovative geometric design without relying on advanced types of material. 5) Finally, the bistability of the structures developed in this research and their ability to reconfigure in space depend solely on their governing geometry and thus are independent of scale.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή μελετά χαράξεις Origami με σκοπό να σχεδιαστούν τριδιάστατες κυψελοειδείς δομές που έχουν τη δυνατότητα της αναδίπλωσης. Οι χαράξεις Origami επιλέχθηκαν ως σχεδιαστική αφετηρία διότι η αρχαία τέχνη του Origami αποτελεί ιδανική βάση για το σχεδιασμό αναδιαμορφώσιμων συστημάτων. Οι κατασκευές Origami εγγενώς διαθέτουν γεωμετρικές ιδιότητες που τους επιτρέπουν να συμπεριφέρονται ως μηχανισμοί και να αναδιατάσσονται στο χώρο. Οι αρχές που διέπουν τις χαράξεις Origami και τους επιτρέπουν να μετασχηματίζονται στο χώρο αφορούν μόνο στη γεωμετρία τους και είναι ανεξάρτητες από την κλίμακα. Ο όρος «αναδίπλωση» αναφέρεται στη δυνατότητα μιας χωρικής κατασκευής να αναδιατάσσει τη δομή της ώστε να μετασχηματίζεται από τη μία μορφή στην άλλη (από τη θέση λειτουργίας σε κλειστή θέση ελάχιστου όγκου). Αντικείμενο της παρούσας έρευνας είναι ο σχεδιασμός διευσταθών δομών (bistable structures) δηλαδή δομών που έχουν δύο ευσταθείς μορφές, δύο θέσεις στις οποίες ισορροπούν. Η μία θέση ευστάθειας είναι η θέση λειτουργίας τους όπου οι κατασκευές βρίσκονται στην πλήρως ανεπτυγμένη τους μορφή. Η άλλη θέση ευστάθειας είναι η κλειστή τους θέση όπου οι κατασκευές είναι συνεπτυγμένες σε ένα ελάχιστο όγκο υποπολλαπλάσιο του αρχικού ώστε να μπορούν να μεταφέρονται και να αποθηκεύονται με ευκολία. Στην παρούσα μελέτη διερευνώνται 2 διαφορετικοί τρόποι χαράξεων που επιτρέπουν τη δημιουργία χωρικών μοτίβων: Στη πρώτη περίπτωση διερευνώνται μοτίβα πτύχωσης τα οποία όταν διπλώνονται δίνουν μορφές που μπορούν να λειτουργήσουν ως τρισδιάστατες μονάδες. Οι μονάδες αυτές μπορούν να συνδεθούν μεταξύ τους σε ένα τρισδιάστατο κάναβο συνθέτοντας μία χωρική δομή που έχει κυψελοειδή μορφή. Αυτή η προσέγγιση δίνει τις λεγόμενες δομοστοιχειωτές κατασκευές (modular structures). Στη δεύτερη περίπτωση τα μοτίβα πτύχωσης όταν διπλώνονται δίνουν τρισδιάστατες μορφές που λειτουργούν ώς αναδιπλούμενες επιφανειακές δομές και μπορούν να οργανωθούν σε στρώσεις ή στάθμες. Οι στάθμες αυτές με αλλεπάλληλη υπέρθεση ανάμεσά τους και με τη συναρμογή μεταξύ τους με εγκάρσια στοιχεία οδηγούν και πάλι σε κυψελοειδείς δομές. Τα επιμέρους ζητούμενα που κάλυψε η παρούσα έρευνα στις κατασκευές που αναπτύσσει είναι τα παρακάτω: 1) Απο την πλήρως ανεπτυγμένη μορφή διπλώνουν σε μία πλήρως συνεπτυγμένη μορφή σε μία συνεχόμενη και μονοβάθμια κίνηση -μία κατασκευή εκτελεί μονοβάθμια κίνηση όταν ένα από τα μέλη της κινηθεί, όλα τα υπόλοιπα μέλη της συντονίζονται στην κίνηση αυτή. Όταν ένα δομικό σύστημα μπορεί να αναπτυχθεί σε μία συνεχόμενη και μονοβάθμια κίνηση παρέχει αυτονομία σε αυτούς που θα τη χρησιμοποιήσουν: δεν υπάρχει ανάγκη από ειδικευμένο ή πολυάριθμο εργατικό δυναμικό: η διαδικασία είναι απλή και μπορεί να επιτελεστεί από τους ίδιους τους χρήστες (ή το χρήστη) της κατασκευής. Αυτή η ιδιότητα έχει ιδιαίτερη σημασία διότι μια τέτοια κατασκευή μπορεί να εγκατασταθεί σε περιβάλλον ακραίων συνθηκών όπου κατά τεκμήριο δε μπορεί να υπάρξει πρόσθετη βοήθεια για την ανάπτυξή της. 2) Η δομή και η μορφολογία των συγκεκριμένων κυψελοειδών κατασκευών όταν βρίσκονται στην πλήρως ανεπτυγμένη μορφή τους, επιτρέπει την υποδιαίρεση του εσωτερικού χώρου και τη δημιουργία διαφορετικών συνδυασμών υποχώρων. Η δυνατότητα διαμερισματοποίησης του εσωτερικού μιας κατασκευής προσφέρει εξατομικευμένες λύσεις σε διαφορετικές απαιτήσεις και έχει κεντρική σημασία όταν το ζητούμενο είναι η μεταβλητότητα και η προσαρμοστικότητα σε διαφορετικές ανάγκες. 3) Η μορφολογία των κατασκευών επιτρέπει τη σύνδεση με άλλες όμοιές τους είτε κατ’ επέκταση είτε καθ’ ύψος. Η σύνδεση καθ’ ύψος γίνεται με υπέρθεση της μιας δομής επί της άλλης ενώ η κατ’ επέκταση συναρμογή τους μπορεί να γίνει απλά με τοποθέτηση της μίας εφαπτομενικά δίπλα στην άλλη. Η δυνατότητα συνδυασμού πολλών αναδιπλούμενων δομών σε ένα σύνολο συνεισφέρει περεταίρω στη δημιουργία ευέλικτων συστημάτων ικανά να αναδιατάσσονται στο χώρο με πολύ απλές κινήσεις ώστε να λειτουργήσουν με διαφορετικό τρόπο και να εξυπηρετήσουν διαφορετικές ανάγκες. 4) O όγκος της κατασκευής στην κλειστή θέση είναι υποπολλαπλάσιος του όγκου που αυτή καταλαμβάνει στην ανοικτή της θέση. Η παρούσα μελέτη, χωρίς να αποκλείει τα υλικά τεχνολογικής αιχμής επιλέγει να ανεξαρτητοποιηθεί από αυτά. Η επιλογή αυτή γίνεται διότι η έρευνα στοχεύει σε ελαχιστοποίηση του όγκου των μελών (άρα και των κατασκευών συνολικά) η οποία βασίζεται στον καινοτομικό γεωμετρικό σχεδιασμό χωρίς την επικουρία των υλικών τεχνολογικής αιχμής. 5) Τέλος, η διευστάθεια (bistability) των δομών που αναπτύχθηκαν στην έρευνα και η δυνατότητα αναδιάταξής τους στο χώρο εξαρτάται μόνο από τη γεωμετρία που τις διέπει και συνεπώς να είναι ανεξάρτητη της κλίμακας.