Conceptual design of structures as a meeting point between architecture and engineering. The formalization of structural intuition and its use as a design and teaching tool

Abstract

Structural creativity is the combination of three inseparable elements. The first element is the ability to conceive a structure that optimally solves all the structural issues related to equilibrium, stability, resistance, stiffness, ductility, and durability. The second element is the creation of the spaces and volumes required by each architectural project. The third element is the optimization of all the other architectural requirements such as illumination, aeration, and aesthetics. Therefore, the conception of a structure is a creative process, as it means the creation of a new object from a series of external conditions set by the architectural project. However, this creativity is not as free as artistic creativity, as it requires in-depth knowledge of the fundamental structural principles. Hence, this type of creativity, unlike that of art, does not exclusively rely on personal talent, but people can be trained and taught in it. The main goal of this work is the formalization of structural creativity, revealing the structural principles on which it is based, in order to transform it into a design tool available to architectural and structural designers. This project is based on four premises. The importance of a common language between architects and engineers and the existence of teaching methods that favor collaboration make up the first premise. After identifying the reasons why the separation between architecture and engineering occurred, some teaching approaches that have been experimented with since the 1980s in different European and North American universities are presented, with the aim of promoting a rapprochement between the two professions. The advantages of using graphic statics and graphic methods to favor the collaboration of architects and engineers is the second premise. Graphic statics has a fundamental role in the creation of structural creativity. In order to overcome the limitations that have led to graphic statics being abandoned in favor of analytical statics, i.e., the laboriousness of graphic constructions and the iterative nature of the process of researching the natural shape of the loads, an original formulation of the Cremona-Maxwell method in matrix form is presented. This formulation enables graphic statics to be used for form-finding purposes. The importance of the history of constructions and of structural engineering and the lack of research and courses on these subjects in engineering faculty curricula are the third premise. After defining the characteristic of this hybrid discipline, which integrates historiographic methods with technical engineering methods, two original examples of research on the history of structures are presented. The first of these examples is the importance of the Palace of Ctesiphon in the history of structural engineering, and the second is the work of the Swiss engineer Henry Lossier. The advantages of collaboration between architects and engineers based on the structural conception is the fourth premise. The analysis and presentation of two specific projects, the Volta school in Basel, by the architects Miller and Maranta and the engineer Jürg Conzett, and the retirement home in Giornico, by the architects Baserga and Mozzetti and the engineers Pedrazzini Guidotti, show how collaboration between architects and engineers from the early stages of design encourages structural creativity. In order to formalize structural creativity, the objective, measurable, and therefore, formalizable aspects of this creativity must be identified. These aspects come from the fact that all structures need to be safe and efficient. This need for safety and efficiency limits, and also drives, structural creativity. There are many aspects that an engineer must consider to guarantee structural safety and efficiency: balance, structural typology, shape, mechanical properties of materials, geometry of the elements, position of supports, etc. All these aspects and the variety of solutions available that meet safety and efficiency requirements are the essence of structural creativity. After highlighting the role of intuition and experience in the conception of a creative structure, the formalization of three technical aspects on which structural creativity depends have been developed: equilibrium, the position and type of the supports, and the form. These technical aspects are illustrated by presenting and analyzing buildings that exemplify each of these three aspects. The APG Golf Club in Luque, Paraguay, by the architect Javier Corvalán, has been analyzed to show the role of equilibrium in the formation of structural intuition. The roof of the Ascona lido by the architect Livio Vacchini has been chosen to show the role of the type and position of the supports. In order to show the role of form in the creation of structural intuition, the structural solution chosen by Livio Vacchini for the roof of the gymnasium in Losone, a grid of prestressed reinforced concrete beams, has been compared to other possible structural solutions involving the use of shape resistant structures and vector resistant structures. Finally, the role of context – geographical, economic, political, and of tradition – in the creation of structural intuition has been analyzed, by presenting an original piece of research on promoting the diffusion of timber buildings in the Swiss region of Ticino, as a result of the enhancement of local building traditions. If structural intuition can be formalized, it can also be taught. Therefore, some teaching experiments carried out at the Mendrisio Academy of Architecture, Switzerland, on the teaching of structural design, are presented. These experiments are based on research on the formalization of structural intuition, as well as on the results of some questionnaires specifically prepared and given to architecture students and professional architects to investigate the level of interest that architects have in structural issues and the state of the relationship between architects and engineers. The purpose of the experiments is also to show the advantages of fruitful collaboration between architects and engineers.

La creatividad estructural es la combinación de tres elementos inseparables. El primer elemento es la capacidad de concebir una estructura que resuelva de manera óptima todos los problemas estructurales relacionados con el equilibrio, la estabilidad, la resistencia, la rigidez, la ductilidad y la durabilidad. El segundo elemento es la creación de los espacios y volúmenes que requiere cada proyecto arquitectónico. El tercer elemento es la optimización de todos los demás requisitos arquitectónicos como la iluminación, la aireación y la estética. Por lo tanto, la concepción de una estructura es un proceso creativo, ya que implica la creación de un nuevo objeto a partir de una serie de condiciones externas establecidas por el proyecto arquitectónico. Sin embargo, esta creatividad no es tan libre como la creatividad artística, ya que requiere un conocimiento profundo de los principios estructurales fundamentales. Este tipo de creatividad, a diferencia de la del arte, no se basa exclusivamente en el talento personal, y se debe formar y enseñar. El objetivo principal de este trabajo es la formalización de la creatividad estructural, revelando los principios estructurales en los que se basa, para transformarla en una herramienta de diseño disponible para los diseñadores arquitectónicos y estructurales. Este proyecto se basa en cuatro premisas. La importancia de un lenguaje común entre arquitectos e ingenieros y la existencia de métodos de enseñanza que favorezcan la colaboración constituyen la primera premisa. Tras identificar las razones por las que se produjo la separación entre arquitectura e ingeniería, se presentan algunos enfoques didácticos que se han experimentado desde la década de 1980 en diferentes universidades europeas y norteamericanas, con el objetivo de promover un acercamiento entre las profesiones. Las ventajas de utilizar la estática gráfica y los métodos gráficos para favorecer la colaboración entre arquitectos e ingenieros constituyen la segunda premisa. La estática gráfica tiene un papel fundamental en la creación de la creatividad estructural. Para superar las limitaciones que han llevado al abandono de la estática gráfica en favor de la estática analítica, es decir, la laboriosidad de las construcciones gráficas y la iteratividad del proceso de búsqueda de la forma natural de las cargas, se presenta una formulación original del método de Cremona- Maxwell en forma matricial. Esta formulación permite que la estática gráfica se utilice con fines de búsqueda de formas. La importancia de la historia de las construcciones y de la ingeniería estructural y la falta de investigación y de cursos sobre estos temas en los planes de estudio de las facultades de ingeniería son la tercera premisa. Tras definir las características de esta disciplina híbrida, que integra métodos historiográficos con métodos técnicos de ingeniería, se presentan dos ejemplos originales de investigación sobre la historia de las estructuras. El primero de estos ejemplos es la importancia del Palacio de Ctesifonte en la historia de la ingeniería estructural, y el segundo es la obra del ingeniero suizo Henry Lossier. Las ventajas de una colaboración entre arquitectos e ingenieros basada en la concepción estructural es la cuarta premisa. El análisis y la presentación de dos proyectos concretos, la escuela Volta de Basilea, de los arquitectos Miller y Maranta y el ingeniero Jürg Conzett, y la residencia de ancianos de Giornico, de los arquitectos Baserga y Mozzetti y los ingenieros Pedrazzini Guidotti, muestran cómo la colaboración entre arquitectos e ingenieros desde las primeras etapas del diseño fomenta la creatividad estructural. Para formalizar la creatividad estructural es necesario identificar los aspectos objetivos, medibles y, por tanto, formalizables de esta creatividad. Estos aspectos provienen de la necesidad de que todas las estructuras sean seguras y eficientes. Esta necesidad de seguridad y eficiencia limita, y también impulsa, la creatividad estructural. Son muchos los aspectos que un ingeniero debe tener en cuenta para garantizar la seguridad y la eficiencia estructural: el equilibrio, la tipología estructural, la forma, las propiedades mecánicas de los materiales, la geometría de los elementos, la posición de los apoyos, etc. Todos estos aspectos y la variedad de soluciones disponibles que cumplen con la seguridad y la eficiencia son la esencia de la creatividad estructural. Tras destacar el papel de la intuición y de la experiencia en la concepción de una estructura creativa, se ha desarrollado la formalización de tres aspectos técnicos de los que depende la creatividad estructural: el equilibrio, la posición y el tipo de soportes, y la forma, a través de la presentación y análisis de edificios que ejemplifican cada uno de estos tres aspectos. Se ha analizado el Club de Golf APG en Luque, Paraguay, del arquitecto Javier Corvalán, para mostrar el papel del equilibrio en la formación de la intuición estructural. El techo del Lido de Ascona del arquitecto Livio Vacchini ha sido elegido para mostrar el papel del tipo y la posición de los soportes. Para mostrar el papel de la forma en la formación de la intuición estructural, la solución estructural elegida por Livio Vacchini para el techo del gimnasio de Losone, una retícula de vigas de hormigón armado pretensado, ha sido comparada con otras posibles soluciones estructurales que implican el uso de estructuras resistentes por forma y por resistencia vectorial. Finalmente, se analiza el papel del contexto -geográfico, económico, político y de la tradición- en la formación de la intuición estructural, presentando una investigación original sobre la promoción de la difusión de los edificios de madera en la región suiza de Ticino, a través de la valorización de las tradiciones locales de construcción. Si la intuición estructural se puede formalizar, se puede también enseñar. Por lo tanto, se presentan algunos experimentos didácticos realizados en la Academia de Arquitectura de Mendrisio, Suiza, sobre la enseñanza del diseño estructural. Estos experimentos se basan en la investigación sobre la formalización de la intuición estructural, así como en los resultados de unos cuestionarios preparados específicamente y entregados a estudiantes de arquitectura y arquitectos profesionales para investigar el nivel de interés que tienen los arquitectos en cuestiones estructurales y el estado de las relaciones entre arquitectos e ingenieros. El propósito de los experimentos es también mostrar las ventajas de una colaboración fructífera entre arquitectos e ingenieros.