Tiilirakenteiden algoritmiavusteinen suunnittelu ja toteutus

Abstract

Tiili on perinteinen ja laajalti myös Suomessa käytetty rakennusmateriaali. Materiaalisten ominaisuuksiensa vuoksi tiiltä voitaisiin käyttää rakentamisessa nykyistä käyttötasoa monipuolisemmin ja luovemmin. Yksittäisten tiilten kontrollointi on kuitenkin perinteisiä digitaalisia suunnittelumenetelmiä, kuten tietomallintamista hyödyntäen työlästä. Erilaisten algoritmien eli tietokoneen avulla tuotettujen käskysarjojen avulla voidaan hallita yksittäisten tiilten ominaisuuksia laajoissakin tiilikokonaisuuksissa. Algoritmejä hyödyntävää suunnitteluprosessia kutsutaan tässä algoritmiavusteiseksi suunnitteluksi. Vaikka tietoisuus algoritmiavusteisesta suunnittelusta on yleistynyt etenkin 10 viimeisen vuoden aikana, se ei juuri näy vielä käytännön suunnittelun tasolla. Tässä diplomityössä pyritään selvittämään, mitä mahdollisuuksia algoritmit tarjoavat tiilirakenteiden suunnitteluun, ja miten näin suunniteltuja rakenteita voidaan toteuttaa käytännössä.

Käytettävä materiaali vaikuttaa huomattavasti suunnittelu ja toteutusratkaisuihin. Tässä työssä tiileen perehdytään materiaalilähtöisen suunnittelun näkökulmasta. Materiaalilähtöinen suunnittelu auttaa suunnittelijaa hahmottamaan suunnittelua ohjaavan mahdollisuuksien ja rajoitteiden kentän, jonka puitteissa suunnittelija voi yltää mahdollisimman korkeatasoisiin ratkaisuihin. Tiilten valmistusprosessissa algoritmien hyödyt korostuvat toisistaan poikkeavista tiilistä koostuvien tiilisarjojen luonnissa.

Tiilirakenteiden suunnitteluprosessissa algoritmejä voidaan hyödyntää monella tavalla erilaisten lopputulosten saavuttamiseksi. Parametrisen tiilirakenteen mallin luova algoritmi mahdollistaa rakenteen koon kontrolloinnin muutaman lukuarvon avulla. Värien mappausalgoritmien ja numeerista dataa muokkaavien algoritmien avulla voidaan luoda tehokkaasti erilaisia pintakuviointeja ja tekstuureja. Satunnaisalgoritmit ja rakenteellisen muodon optimointiin kehitetyt algoritmit hyödyntävät erilaisia matemaattisia menetelmiä satunnaiskuviointien ja rakenteellisesti kompleksien muotojen luontiin. Iterointialgoritmissa on puolestaan kehitetty uusi tapa hyödyntää tekstipohjaisen ohjelmoinnin silmukkarakennetta kaarevan tiilirakenteen automaatisoitua mallintamista varten.

Vertikaalisesta ja tavanomaisesti limitetystä tiilirakenteesta poikkeavia rakenteita voidaan toteuttaa käsityönä, yhdistämällä käsityön ja koneen vahvuuksia tai automatisoidusti pelkästään koneen avulla. Eri toteutusmenetelmät sopivat geometrialtaan erilaisten lopputulosten saavuttamiseen. Algoritmeja tarvitaan usein geometrisesti kompleksien tiilirakenteiden tuotantodatan luonnissa.

Työn loppuosassa esitetään kaksi esimerkkisuunnitelmaa, joilla voitaisiin rikastuttaa suomalaista tiilirakentamista. Suunnitelmassa 1 on luotu tiilipintatekstuuri värienmappausalgoritmin avulla. Algoritmia on hyödynnetty rakenteessa tiilten siirtoon ja värin vaihtoon. Rakenne on toteutettavissa ladontakaavion ja yksinkertaisen sapluunan avulla. Suunnitelmassa 2 ehdotetaan tiilirakenteisen pienelementin toteutusta pystysuuntaisen muotin avulla. Pienelementtiin on luotu numeerisen datan muokkausalgoritmin avulla aaltoileva tiilikuvio.

Esitetyt suunnittelumenetelmät ja esimerkkisuunnitelmat osoittavat, että algoritmiavusteinen suunnittelu mahdollistaa tiilen monipuolisemman käytön tiilirakenteissa. Algoritmien avulla voidaan luoda tehokkaita työkaluja tiilirakenteiden hallintaa varten ja testata huomattava määrä eri suunnitteluvaihtoehtoja yksinkertaisilla parametrien muutoksilla. Geometrisesti kompleksien tiilirakenteiden toteutukseen on kehitetty useita menetelmiä, joista suuri osa perustuu käsityöhön. Huomattavan monimuotoisia ja visuaalisesti näyttäviä tiilirakenteita voidaan toteuttaa yksinkertaistenkin ladonnan apuvälineiden avulla.

Brick is a traditional and widely used construction material in Finland. Due to its material properties, brick could be used in construction in a more versatile and creative way. However, using traditional digital design methods, such as building information modelling, controlling single bricks is laborious. Different algorithms, i.e. computer-generated sets of instructions, can be used to control the properties of individual bricks, even in large structures. The design process that utilizes algorithms is called here algorithm-aided design. Although awareness of algorithm-aided design has increased especially over the past 10 years, it is not yet commonly used in everyday design processes. The aim of this thesis is to find out what possibilities algorithms offer for the design of brick structures, and how the structures designed in this way can be constructed.

The selected material has a significant impact on design and construction solutions. In this study, brick is referred from the perspective of material-based design. Material-based design helps the designer to understand possibilities and limitations that guide the design. Within these constraints the designer can reach the highest quality solutions possible. In the brick making process, the benefits of the algorithms are emphasized when creating sets of different shape bricks.

In the design process of brick structures, algorithms can be used in many ways to achieve different results. The algorithm for creating a parametric model of a brick structure allows the size of the structure to be controlled using only a few numerical values. Colour mapping algorithms and numerical data editing algorithms can be used to efficiently create a variety of textures and patterns. Random algorithms and algorithms developed for structural shape optimization utilize a variety of mathematical methods to create random patterns and structurally complex shapes. The iteration algorithm, in turn, creates a new way to utilize the loop structure of text-based programming for automated modeling of a curved brick structure.

Structures that differ from the vertical and conventionally laid brick structure can be constructed using handicraft, combining the strengths of the handicraft and the machine, or auto-mated by using the machine alone. Different construction methods produce geometrically different results. Algorithms are often needed to generate construction data for geometrically complex brick structures.

In the final part of this thesis, two example designs are presented to enrich the field of brick construction in Finland. In Design 1, a brick surface texture is created using a colour mapping algorithm. The algorithm has been utilized in the design for moving bricks and changing colours of single bricks. The structure is feasible with a stacking diagram and a simple template. The design 2 proposes the construction of a small brick element using a vertical mold. A wavy brick pattern is created in the element using a numerical data editing algorithm.

The presented design methods and example designs prove that algorithm-aided design allows for a more versatile use of brick in the brick structures. Algorithms can be used to create powerful tools for managing brick structures and to test a notable number of different design options with simple changes to the parameters. Several methods have been developed for the construction of geometrically complex brick structures, much of which is based on handicrafts. Remarkably diverse and visually appealing brick structures can be constructed with the help of even simple stacking systems.