Origami surfaces for kinetic architecture

Abstract

This thesis departs from the conviction that spaces that can change their formal configuration through movement may endow buildings of bigger versatility. Through kinetic architecture may be possible to generate adaptable buildings able to respond to different functional solicitations in terms of the used spaces. The research proposes the exploration of rigidly folding origami surfaces as the means to materialize reconfigurable spaces through motion. This specific kind of tessellated surfaces are the result of the transformation of a flat element, without any special structural skill, into a self-supporting element through folds in the material, which gives them the aptitude to undertake various configurations depending on the crease pattern design and welldefined rules for folding according to rigid kinematics. The research follows a methodology based on multidisciplinary, practical experiments supported on digital tools for formal exploration and simulation. The developed experiments allow to propose a workflow, from concept to fabrication, of kinetic structures made through rigidly folding regular origami surfaces. The workflow is a step-by-step process that allows to take a logical path which passes through the main involved areas, namely origami geometry and parameterization, materials and digital fabrication and mechanisms and control. The investigation demonstrates that rigidly folding origami surfaces can be used as dynamic structures to materialize reconfigurable spaces at different scales and also that the use of pantographic systems as a mechanism associated to specific parts of the origami surface permits the achievement of synchronized motion and possibility of locking the structure at specific stages of the folding.

A presente tese parte da convicção de que os espaços que são capazes de mudar a sua configuração formal através de movimento podem dotar os edifícios de maior versatilidade. Através da arquitectura cinética pode ser possível a geração de edifícios adaptáveis, capazes de responder a diferentes solicitações funcionais, em termos do espaço utilizado. Esta investigação propõe a exploração de superfícies de origami, dobráveis de forma rígida, como meio de materialização de espaços reconfiguráveis através de movimento. Este tipo de superfícies tesseladas são o resultado da transformação de um elemento plano, sem capacidade estrutural que, através de dobras no material, ganha propriedades de auto-suporte. Dependendo do padrão de dobragem e segundo regras de dobragem bem definidas de acordo com uma cinemática rígida, a superfície ganha a capacidade de assumir diferentes configurações. A investigação segue uma metodologia baseada em experiências práticas e multidisciplinares apoiada em ferramentas digitais para a exploração formal e simulação. Através das experiências desenvolvidas é proposto um processo de trabalho, desde a conceptualização à construção, de estruturas cinéticas baseadas em superfícies dobráveis de origami rígido de padrão regular. O processo de trabalho proposto corresponde a um procedimento passo-apasso que permite seguir um percurso lógico que atravessa as principais áreas envolvidas, nomeadamente geometria do origami e parametrização, materiais e fabricação digital e ainda mecanismos e controle. A dissertação demonstra que as superfícies de origami dobradas de forma rígida podem ser utilizadas como estruturas dinâmicas para materializar espaços reconfiguráveis a diferentes escalas. Demonstra ainda que a utilização de sistemas pantográficos como mecanismos associados a partes específicas da superfície permite atingir um movimento sincronizado e a possibilidade de bloquear o movimento em estados específicos da dobragem.