Kinematic design and analysis of deployable vault and pseudo-dome structures based on origami techniques

Abstract

In recent years a need for more adaptable and flexible structures have been observed due to the changing spatial and functional needs. One of the solutions for an adaptable space in architecture is deployable structures. These kinds of structures provide flexible solutions to the functional and spatial necessities of an environment. There are different kinds of deployable structures such as bar and foldable plate structures, membrane, inflatable, cable/strut etc. This study presents a method of designing a pseudo-dome flat-foldable and deployable plate structure (rigid origami) based on origami patterns that have a polar rotation deployment axis. To achieve this objective, first a method of designing flat-foldable and linearly deployed barrel vault structures have been created by analyzing their geometrical properties. This analysis along with a workspace analysis provided knowledge on the geometrical relations between the cross-sections and deployment parameters. These relations allowed the design of a flat-foldable rigid origami structure based on the geometry of the cross-section using a pattern-generator. The method of using a pattern-generator to create an origami pattern has been modified to achieve a polar rotated deployable pseudo-dome structure. The design method allows the designer to calculate all the relevant parameters to create an origami structure by modifying three parameters for barrel vault foldable structures and two parameters for pseudo-dome structures. The created origami pattern is then transformed to a foldable deployable plate structure with the intended design requirements. The design processes for both design methods have been explained with case studies.

Son yıllarda mimarlık alanında değişim gösteren mekânsal ve fonksiyonel gereklilikler, esnek ve uyarlanabilen strüktürlere ihtiyaç duyulmasına neden olmuştur. Mimarlıkta uyarlanabilir mekânlara çözümlerden bir tanesi açılır-kapanır (katlanabilir) strüktürlerdir. Bu tür strüktürler çevre nedeni ile ihtiyaç duyulan fonksiyonel ve mekânsal gereksinimlere esnek çözümler sunmaktadır. Açılır-kapanır strüktürler çubuk veya plakalardan oluşabilmektedir. Bu çalışma merkezi dönme ekseni etrafında açılan, yassı-katlanan (flat-foldable) açılır kapanır düzlemsel -rijit origami- bir kubbemsi strüktür için bir tasarım yöntemi sunmaktadır. Bu amaca ulaşmak için önce çizgisel eksen ile açılan, yassı-katlanan açılır kapanır düzlemsel beşik tonoz strüktürlerin geometrik özellikleri incelenmiştir. Bu analiz ve çalışma alanı analizleri sayesinde strüktürün arakesit ve açılma parametreleri arasındaki bağıntılar ortaya çıkmıştır. Bu bağıntılar, arakesit geometrisi temel alınarak oluşturulan örüntü-üretici (pattern-generator) kullanılarak yassı-katlanan rijit origami strüktürlerin tasarımını sağlamıştır. Origami örüntüsü yaratmak için kullanılan örüntü-üretici yöntemi merkezi açılım dönme ekseni oluşması için geliştirilmiştir. Tasarım yöntemi tasarımcının beşik tonoz strüktürler için üç, kubbemsi strüktürler için ise iki parametreyi değiştirerek origami örüntüsünü oluşturmak için gerekli tüm parametrelerin hesaplanmasını sağlamaktadır. Belirlenmiş parametreler tarafından oluşturulan origami örüntüsü, uygulamanın gereklilikleri doğrultusunda açılır-kapanır plaka strüktüre dönüştürülmektedir. Çalışmanın sonunda her iki yöntemin tasarım süreci birer örnek inceleme ile sunulmaktadır.