La tectonique du sable : une approche matérielle de la conception et de la fabrication architecturales

Sand Tectonics : a material-based approach to architectural design and fabrication

• Auteur / Autrice : Ahmed Hussein Abouelkheir
• Direction : Maurizio Brocato
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Architecture
• Date : Soutenance le 02/07/2021
• Etablissement(s) : Paris Est
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Ville, Transports et Territoires
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire Géométrie, structure, architecture (Paris)
• Jury : Président / Présidente : Nicolas Pauli
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Maurizio Brocato, Marine Bagneris, Salvator-John A. Liotta
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bernard Maurin, Antonella Mastrorilli

Mots clés

Mots clés contrôlés

Delarue, Jean-Marie (1944-....)

Otto, Frei (1925-2015)

Architecture

Mots clés libres

Fabrication numerique

Sel de sulfate de sodium

Conception par les matériaux

Conception et fabrication numérique

Surfaces d'égale pente

Weighted Voronoi

Sand

Sodium thiosulfate salt

Material-Based design

Digital design and fabrication

Surfaces of constant slope

Weighted Voronoi

Résumé

Le comportement d'auto-formation des matériaux est utilisé comme outil physique pour la génération de formes en architecture. Néanmoins, l'utilisation de matériaux auto-formant est, le plus souvent, limitée à la phase de conception tandis que dans la phase de construction, un autre matériau avec ses propres capacités mécaniques est utilisé. Il existe une opportunité pour un nouveau système de matériaux en architecture, qui fusionne les processus de conception et de fabrication, qui réside dans le sable, ce dernier présente un comportement d'autoformation lorsqu'il est sec et des capacités mécaniques lorsqu'il est lié. Des études antérieures ont examiné les caractéristiques morphologiques du comportement d'autoformation du sable. Plus récemment, le projet de recherche 35 Degree a développé une méthode de solidification du sable et de ses formes émergentes avec une solution saline. La méthode de solidification a donné naissance à un nouveau matériau nommé Hyposand et a établi une conception intégrée au système de fabrication, éclairé par l'auto-organisation du sable et la cristallisation du sel appelée ‘Sand tectonics’. Les propriétés et les caractéristiques mécaniques de Hyposand n'ont cependant pas été examinées, l'interrelation entre la conception, la fabrication, la géométrie et la modélisation est limitée aux formes coniques, quant à la fabrication robotique n'a pas été pensée.Cette thèse vise donc à développer la tectonique du sable pour examiner ses potentiels dans la conception et la réalisation architecturales. Un cadre théorique et technique de recherche est utilisé pour relier les études de matériaux, de conception et de fabrication à travers des méthodes d'expérimentation physiques et numériques. Pour construire les fondements théoriques de la recherche, le rôle des matériaux et de leurs processus de formation dans la genèse de la forme est passé en revue. Pour mettre en œuvre le cadre de recherche, les propriétés, la microstructure et les caractéristiques mécaniques d'Hyposand sont étudiées. Les principes géométriques des surfaces à angle constant sont analysés. Trois méthodes de modélisation paramétrique associant la géométrie et le comportement des matériaux aux contraintes de conception et de fabrication sont proposées. Les méthodes manuelles et robotiques de formation des matériaux sont présentées, leurs méthodes de fabrication sont développées, et leur flux de travail numérique-physique est présenté.Parmi les contributions potentielles, figure la réalisation d'un matériau à haute résistance, moulable et recyclable pour les structures compressives et les coffrages réutilisables. De plus, six techniques de fabrication utilisant des cadres théoriques et techniques suggérés sont présentées à travers un certain nombre de prototypes physiques et numériques. Les prototypes démontrent la contribution et l'avenir potentiel d'un nouveau domaine de conception et de recherche.

Materials self-formation behavior is used as a physical tool for form generation in material-based design approaches. Though, the use of self-forming materials is, most frequently, limited to the design phase, while in construction, another material with mechanical capacities is used. An opportunity for a new material system in architecture that merges design and fabrication processes lies in sand, which exhibits self-formation behavior when loose and mechanical capacities when bonded. Previous studies examined the morphological characteristics of sand self-formation behavior. More recently, the 35 Degree research project developed a method to solidify sand and its emergent forms with a saline solution. The solidification method gave rise to a new material named Hyposand and established an integrated design to fabrication system informed by sand self-organization and salt crystallization termed ‘sand tectonics’. However, the properties and mechanical characteristics of Hyposand were not examined, the interrelation between design, fabrication, geometry, and modeling was limited to conical forms, and robotic fabrication was not thought.This thesis aims at developing sand tectonics to examine its potentials in architectural design and making. A theoretical and technical framework of research is used to interrelate material, design, and fabrication studies through physical and digital experimentation methods. To construct the theoretical foundations of the research, the role of materials, and their formation processes in the form’s genesis is reviewed. To implement the research framework, the properties, microstructure, and key mechanical characteristics of Hyposand are investigated. The geometrical principles of constant angle surfaces are analyzed. Three methods of parametric modeling that associate material geometry and behavior with design and fabrication constraints are proposed. Manuel and robotic methods of material formation are presented, their fabrication methods are developed, and their digital-physical workflow is introduced.Among the potential contributions is achieving high strength, castable and recyclable material for compressive structures and reusable formworks. Moreover, six making techniques employing suggested theoretical and technical frameworks are presented through a number of physical and digital prototypes. The prototypes demonstrate the contribution and the potential future of a new design and research field.