Perception des formes non-standard by Damien Elias

Stage Recherche Rapport de stage

Stage recherche Digital RDL - Cresson - ENSAG DU 08.06 au 11.09 2015 Sous la direction de Grégoire Chelkoff et Phlippe LIVENEAU

Perception des formes non-standard

Conditions de l’intégration de données coprorelles dans le processus de conception de formes non standard

Damien ELIAS - ENSAG - 2015

Digital RDL - Cresson - ENSAG DU 08.06 au 11.09 2015 Sous la direction de Grégoire Chelkoff et Phlippe LIVENEAU

Perception des formes non-standard

Conditions de l’intégration de données coprorelles dans le processus de conception de formes non standard

Damien ELIAS - ENSAG - 2015

Sommaire 6 7

Calendrier synthétique Introduction au contexte du stage

Analyse diagramatique de projets dans le cadre du master AACN à l’ENSAG

Exploration des outils de génération de surface complexes dans un environnement Rhinocéros / Grasshopper

Workshop AA Lyon Visiting School

Définition des interactions entre un sujet et un relief sur une paroi verticale

Mise en situation et production d’un prototype

Conclusion du stage et perspectives de recherche

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Calendrier Synthétique

Début de stage 8_06

Analyse diagramatique de projets dans le cadre de l’activité du master AACN

15_06 16_06

Exploration des outils de génération de surfaces complexes dans un environnement Rhino/Grasshopper

24_06 25_06 04_07 06_07

Workshop AA Visiting School Mud & Digital

Définition des interactions entre un corps et un relief sur une paroi verticale

Mise en situation, production d’un prototype et feedback dans le processus de conception / fabrication

24_07 01_09

11_09 Fin de stage

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Introduction au stage recherche

A la suite d’une première année de master à l’Ecole Nationale d’Architecture de Grenoble dans la thématique Architecture, Ambiances et Cultures numériques, j’ai eu l’occasion de réaliser le stage obligatoire de master ST3 sous la forme d’un stage recherche afin de poursuivre et approfondir des pistes de travail soulevées durant l’année. Les travaux de recherche précédents on été réalisés d’une part au premier semestre sous forme d’un article suivi du mémoire de master au second semestre ; d’autre part dans le cadre de l’activité du master et de sa philosophie de recherche par le design, au travers de différents projets mêlant conception numérique et prototypage. Le stage de recherche s’inscrit donc dans la continuité de ces démarches. Dans le cadre de ce stage recherche au sein de Digital RDL sous la tutelle du laboratoire de recherche Cresson à l’Ecole Nationale Supérieure d’Architecture de Grenoble, il a été question de développer une démarche de recherche par le design alliant des problématiques techniques de maîtrise de processus de conception et de fabrication singuliers ainsi que des problématiques esthétiques questionnant la relation d’un objet à un sujet, et plus particulièrement à l’homme. Le stage a été séparé en deux temps durant l’été 2015 du fait de la fermeture de l’école d’architecture au cours du mois d’aout. Une première partie entre le 8 juin et le 24 juillet, puis une seconde partie entre le 1er et le 11 septembre. Le stage et la démarche de recherche ont été menés en collaboration entre Philippe Liveneau, enseignant chercheur au laboratoire de recherche Cresson et responsable de la thématique de master Architecture, Ambiances et Cultures Numériques, ainsi qu’un groupe d’étudiants du master, dont je fais partie. Lors de ce travail il a été question d’expérimentation, de compréhension, de maîtrise et de mise en pratique du continuum conception-fabrication qui fonde la philosophie de travail du master au travers d’une thématique particulière : le relief et son rapport sensoriel au corps humain. Autour de cette thématique, il a été question de manipuler les différents outils de conception et de fabrication présents au sein du laboratoire Digital RDL : Rhinocéros, grasshopper, l’impression 3D, le bras articulé et la machine CNC. J’ai personnellement porté mon attention autour des questions de modélisation numérique, des conditions de morphogenèse du relief et de son rapport au corps humain. Suite à la production d’objets virtuels, j’ai également participé à l’élaboration des prototypes et à leur fabrication dans différentes matérialités.

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Analyse diagramatique de projets dans le cadre de l’activité du master AACN à l’ENSAG.

Au cours des premiers moments du stage recherche, j’ai eu l’occasion d’apprécier la majorité de la production d’objets ambiants, de pavillons et des démarches de recherches réalisés au sein du master Architecture, Ambiances et Cultures Numériques. Au travers de l’analyse et du dessin diagramatique de certains projets, il a été possible de mettre en valeur la relation entre une morphologie de l’objet, sa géométrie, et le corps humain, définissant ainsi la perception de l’objet par le sujet. Ce constat définit donc une nécessité de compréhension de modes de production d’une morphologie, des outils au service de cette modélisation ainsi que des conditions de la perception de cette morphologie afin de produire un objet ambiant produit à partir de cette corrélation entre sujet et objet.

Sujet

Perception

Objet ambiant

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Installations au couvent Ste CĂŠcile (38) Expo : Regards sur Grenoble Peinture + Architecture Du 6 dĂŠcembre 2010 au 11 mars 2011

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Exploration des outils de génération de surfaces complexes dans un environnement Rhinocéros / Grasshopper.

Motivé par un besoin de préciser les moyens qui nous sont donnés pour modéliser, concevoir et fabriquer un relief, j’ai entrepris d’explorer les outils de l’environnement numérique des logiciels Rhinocéros et Grasshopper qui nous permettent de produire des surface complexes aux cotés de Kateryna Kuzmenko et Anastasia Golub. Durant cette exploration technique de l’outil de modélisation paramétrique, nous avons identifié les éléments géométriques nécéssaires pour chaque opération et les propriétés des surfaces qui en résultent. L’ensemble de ces opérations ou « composants » a été repositionné dans un tableau synoptique permettant de les comparer. On peut catégoriser ces outils de modélisation et les surfaces qu’ils produisent en fonction des conditions de leur construction géométrique, l’opération qu’ils réalisent, les propriétés, les types de surfaces et les moyens de fabrication qu’elles mobilisent. Autour de l’ensemble de ces outils de conception et leur implication dans la fabrication, il a été important d’imaginer de quelles natures seraient les surfaces produites en fonction des outils à notre disposition et également de quelles ressources géométriques nous pouvions disposer pour inclure des données métrologiques liées au corps humain dans la conception d’une morphologie de surface complexe. Les outils de fraisage tels que le bras robotisé équipé d’une fraiseuse ainsi que la machine CNC permettent chacun de produire des surfaces complexes non réglées tandis que le bras robotisé équipé de la fourche de découpe fil chaud ne permet de produire que des surfaces réglées. Nous travaillerons donc exclusivement avec ces deux typologies de surfaces. De manière inverse, au service de la production de surfaces que nous sommes capable d’usiner, nous identifions les éléments géométriques qui permettent de les produire : des points, des vecteurs (une direction et une amplitude ), ou des courbes. 4 courbes

Loft

1 surface

Stage recherche | Digital RDL | 2015 Outils d’usinage de surfaces complexes et références architecturales CNC / ROBOT FRAISAGE

hxf_03 © Elijah Porter

O-14 / Reiser + Umemoto © Nelson Garrido

Robotic foam cutter Mehrzad Rafeei

Iglesia Christo Obero Eladio Dieste

Robotic foam cutter Mehrzad Rafeei

Pavillon de l’Allemagne 1967 Frei Otto - © Bill Dutfield

ROBOT / DÉCOUPE FIL CHAUD

TEXTILES

Stage recherche | Digital RDL | 2015 Nom de l’opération

Input

3 points

Surfaces planes

1 point + 1 ligne définition d’une surface plane

2 lignes

1 courbe + 1 vecteur

Surfaces complexes

1 courbe + 1 point

Extrusion 1 courbe + 1 axe

2 courbes

Représentation de l’opération

Resultat

Dévelopable ?

Réglée ?

Outils ?

Stage recherche | Digital RDL | 2015 Nom de l’opération

Input

Représentation de l’opération

Resultat

Dévelopable ?

Réglée ?

Autres

Surfaces planes

Courbes ouvertes

Loft

Surfaces complexes

Patch

n≥2 courbes successives

Courbes fermées

Géométrie Fermée

Surface 4 points

4 points

Edges Surface

4 courbes

Courbes ouvertes

Minimal Surface

2 Courbes Courbes fermées

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Au travers de ce tableau, nous avons commencé à poser les bases du processus de conception et sa relation au processus de fabrication. Grace à l’élaboration d’un algorithme de génération de surface complexe inspiré du comportement d’une onde se propageant sur un plan d’eau, nous avons mis en pratique le continuum conception-fabrication pour la première fois durant le stage. L’interêt résidant essentiellement dans la mise en oeuvre d’une surface complexe au travers de la fabrication d’un moule à l’aide du bras robotisé et de la fraiseuse. La conception de l’objet n’a pas été influencée par des problématiques de perception de l’objet mais bien de fabrication : dimensions de la volumétrie de l’objet, profondeur et finesse du relief en fonction des potentiels et des limites de l’outil de fabrication.

Une goutte sur un plan d’eau

Bernard Cache, Objectile, 1998

Buffet Ondes SPEED UP, Sacha Lakic pour Rochebobois

Stage recherche | Digital RDL | 2015 La courbe sinusoidale, l’onde se propageant dans l’eau

Extrapolation de l’onde et production d’une série de cercles concentriques ondulant

Modélisation d’un objet 3D usinable

Réalisation du moule et de l’objet en béton fibré

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Workshop AA Lyon Visiting School Travail d’expérimentation autour du matériau terre et des outils de conception et de fabrication numérique.

Ce workshop intervient durant le stage comme une phase indépendante d’expérimentation et de manipulation du matériau terre et de l’application de principes constructifs dans un processus de conception numérique. La relation entre la science et l’expérience de la matière et les outils numériques de conception et de fabrication permet développer les systèmes constructifs et de produire un objet intelligent et optimisé. Le proejt mené en groupe durant le workshop reprend un dispositif de modules en terre cuite constituant une paroi et cherche à y intégrer des géométries non standard. Groupe de travail : Damien Elias - Daria Ardant - Rima Ezzeddine - Salem Merniche

Expérimentation du matériau terre avec Wilfredo Carazas : viscosité et granulométrie

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VARIATION OF THE SCREEN’S FORM Possible configurations 1

Inspiration du projet «argicool» de Rima Ezzeddine

PROSPECTIVE idea

Exploration du concept de paroi composée de modules et des potentiels de varaition Modular logic : non standard

Modular logic : standard

20º

10º

0º

Définition des géométries de modules en fonction des degrés de courbures 3. PROCESS, EXPERIMENTATIONS & AMELIORATIONS FIRST EXPERIMENTS testing the framework, the mud mixture and strength’s Prototype’s scale 1/2

Définition de la morphologie de la paroi et des potentiels de formes «non-standard» SECOND TEST Prototype’s scale 1

Upper tile

Lower tile

MATERIALS Bamboo and wood sticks Lycra fabric Ropes & Adhesive tape

Premiers prototypes : essais de mise en oeuvre bambous et lyvra tendu 4. FINAL FRAMEWORKS AND BRICKS

MATERIALS Wooden Framework Earth + Jute

Premiers prototypes : coffrage contreplaqué cintré

FIRST tiles and brick made of EARTH

Optimized framework // Lasert cut then handmade

MATERIALS Wooden framework // temporary Earth mixture Jute + Bamboo sticks

Production : du coffrage aux premières tuiles

Chaine de production : coffranges et application du système constructif

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Finalités de l’objet manufacturé

Après mise en place des prototypes et une expérimentation de leur disposition, nous observons certaines faiblesses des modules due à la nature du mélange de terre et à la disposition des couches de matière et de fibres. Nous proposons alors quelques corrections au système constructif.

hypothesis Multiple hypothesisMultiple Multiple hypothesis

1- Application of earth on the basis

1- Application of earth 1onApplication the basis of earth on the basi 2- Jute’s place in the mixture 2- Jute’s place in the 3mixture 2Jute’s place in the mixture Reinforcement when the tile is tense 3- Reinforcement when3the Reinforcement tile is tense when the tile is t PRECONIZED LAYERS

PRECONIZED LAYERSPRECONIZED LAYERS

Jute Earth Earth

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Exploration et prototypes de moules pour la sérialisation

Prototype éprouvé et aboutit en terme de résistance et de finitions. 19

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Définition des interactions entre un sujet et un relief sur une paroi verticale

Lorsqu’il a été question d’intégrer la dimension sensorielle dans le processus de conception d’un relief et donc d’une géométrie complexe, nous avons spécifié « l’objet de recherche » qui nous permet une mise en situation de notre expérimentation dans un cadre concret. Avec la spécification de cet objet, nous avons identifié un « sujet type » dont le dimensionnement et les proportions serviraient de référence dans notre démarche de recherche. Ainsi, au travers du modulor imaginé par Le Corbusier, nous avons identifié ce « sujet type » et exprimé les dimensions de notre objet de recherche comme une paroi de 2,26 m de hauteur, soit la hauteur du modulor bras tendu, et de 4 m de long, soit l’équivalent de 8 foulées.

Les interactions corporelles entre le sujet et l’objet au travers du relief se construisent par une série de données métrologiques qui définissent le positionnement du ou des relief(s) sur la paroi, leur épaisseur ou leur profondeur, et leur ampleur. Dans la définition du positionnement du relief, les données métriques sont des mesures de hauteurs corporelles significatives comme les hauteurs de la tête ou de la main tendue du sujet, celles de ses articulations ainsi que le rapport au ciel ou au sol. Le dimensionnement de l’extrusion du relief, sa profondeur ou son épaisseur, peuvent être définis en fonction du degré d’implication du corps et donc en fonction de sa largeur puisque l’épaisseur ou la profondeur d’un relief se perçoit de profil quand on longe la paroi. Enfin, l’ampleur du relief, prend pour repère des intervalles entre des hauteurs corporelles et correspond ainsi à une zone corporelle plus qu’à une articulation. Il a également été question des échelles du relief : d’une part, le relief peut caractériser la morphologie générale de l’objet ambiant, sa topographie, il se réfère donc à des dimensions qui engagent le corps entièrement ou partiellement dans sa relation au relief ; d’autre part, le relief peut qualifier un état de surface, un rapport à la matérialité de la surface, sa texture, il renvoie alors à des dimensions plus réduites en rapport avec le toucher, l’échelle de la main ou des doigts. Autour de ces questions, j’ai pu produire un certain nombre de dessins pour représenter un relief selon l’ensemble des données métriques précédemment définies et la manière dont elles construisent l’interaction entre le corps et la paroi.

Stage recherche | Digital RDL | 2015 Le corps proportionné : repères corporels de composition Ampleur largeur tête

main

doigts main 0,43m

0,43m 0,66m

tête hauteur tête

1,40m

0,23m

épaules 1,86m 0,74m

2,19m

2,26m

hanches 1,83m

1,60m

0,46m 0,86m

genoux 0,40m 0,7m

Bras 0,51m

0,33m

chevilles sol

0,7m

Buste 0,40m Envergure 1,83 m

Profondeur

Profondeur Profondeur

Hauteur corporelle

Profondeur Profondeur

Hauteur corporelle

Synthèse des dimensions du relief et de leur relation au corps

Attraction

main

tête

épaules

Repulsion

hanches

genoux

Profondeur

Hauteur corporelle

Ampleur

Profondeur

Hauteur corporelle

chevilles sol

tête

Attraction

main

Repulsion

hanches

Repulsion

épaules

genoux

chevilles sol

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Mise en situation, production d’un prototype et feedback sur le processus de conception / fabrication

A la suite des différents travaux présetnés précedemment, nous avons voulu mobiliser nos connaissances récemment acquises et la méthode que nous avons développé pour produire un prototype de notre objet d’expérimentation, depuis la morphogénèse et la conception jusqu’à la fabrication et l’évaluation de l’objet. L’ensemble des explorations autour de la définititon de surfaces complexes et de la composition d’un relief en fonction de repères corporels ont alors constitué la base d’une définition grasshopper nous peprmettant de générer une surface complexe, un relief. Cette définition ou “algorythme de morphogénèse” s’appuie sur des vprincipes de composition qui cadrent l’organisation du relief (cf n° 2 - pattern de discrétisation ) et d’une image qui restitue un scénario de relief en nuances de gris. Cette image compile les hauteurs et les profondeurs du relief et l’algorythme interprète et traduit les nuances de gris en topographie et en extrusions du pattern initial. . Composition du relief

Ampleur

largeur tête

hauteurs corporelles

Profondeurs du relief main

doigts main 0,43m

0,43m 0,66m

tête hauteur tête

1,40m

0,23m

épaules 1,86m 0,74m

2,19m

2,26m

hanches 1,83m

1,60m

0,46m 0,86m

genoux 0,40m 0,7m

Bras 0,51m

Buste 0,40m Envergure 1,83 m

Relation image / état de surface

0,33m 0,7m

chevilles sol

Stage recherche | Digital RDL | 2015 Détail du processus de morphogénèse

1 - Définition du cadre de la surface

4 - Définition des vecteurs d’extrusion

6 - Recomposition de la surface comme “mesh”

2 - Discrétisation de la surface

3 - Selection des centres de cellules

5 - Extrusion des centres

7 - Redéfinition et lissage du mesh

8 - Recadrage

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Processus de production du prototype

La phase de fabrication du prototype de la portion d’objet à été assurée par Charlie Granjon, Simon Hulin et Daria Ardent au travers de l’usinage du moule à partir des modèles issus de Rhinocéros. Ils ont ainsi produit des trajectoires d’outils destinées à l’imprimante 3D Ultimaker et notamment au robot ABB IRB120. Les objets ainsi réalisés permettent de concrétiser le travail de modélisation, de lui attribuer une véritable matérialité et de saisir les enjeux soulevés par l’usinage tels que la tolérance de l’outil dans la précision d’usinage, des contraintes d’échelles d’usinage maximal ou encore la nature de l’état de surface inhérent à la technique même employée, notamment dans le cas de l’impression 3D où l’on identifie les stries des couches de plastique successives. Portion selectionnée

Surface

Négatif de la surface Modelisation Rhino + Grasshopper Dimensions: 22 x 22 cm On définit une taille commune à tous les échantillons

Fabrication Modéle pour milling/ fraisage avec le robot ABB IRB120

Fabrication Modéle pour impression 3d avec Ultimaker2

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Piéces fabriquées avec milling/fraisage avec le robot ABB IRB120 Surface fabriquée)

Négatif de la surface

Coulage de béton

Objet decoffré

Composition du béton _Prémix MHP FG 89% _Fibres PVA 1% _Eau 10%

Piéces fabriquées avec impression 3d avec Ultimaker2 Surface fabriquée

Négatif de la surface

Coffrage

Objet decoffré

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Conclusion de stage et perspectives de recherche

Au regard de notre objectif initial d’intégration de la perception dans le processus de morphogénèse d’une surface complexe et de la réalisation de prototypes démonstrateurs de cette relation sujet objet, nous avons mené en parallèle une exploration dans le champs de la modélisation numérique et une exploration des outils de fabrication numériques. L’inventaire des outils de modélisation de l’environnement Rhinocéros-Grasshopper, les premiers essais de modélisation de surfaces complexes et la fabrication des premiers prototypes ont fait émerger des enjeux de dimensions maximales d’usinage du relief, contraignant ainsi la modélisation. Lors du décoffrage de l’objet coulé dans le coffrage imprimé en 3D, nous avons eu de grandes difficultés à conserver le moule intact, finissant par le détruire pour récupérer l’objet en béton. Les extrémité des reliefs les plus étirés ont rompu, exprimant ainsi la limite de la profondeur du coffrage et de la finesse du relief. Ces observations ont alors ré-informé l’ensemble du processus conception-fabrication et ont permis de redéfinir certains paramètres ou d’anticiper certaines difficultés dans la fabrication d’un objet à l’échelle humaine. L’intégration de la dimension de la perception dans la phase de conception et la recherche de modes d’implications du corps dans sa relation à l’objet ambiant a fait l’objet d’une transposition de repères corporels au travers des intervalles entre les articulations du corps en reliefs et en creux dans la paroi. Malgré une certaine anticipation de la perception de l’objet produit, il ne sera possible d’en faire l’évaluation que lorsqu’on produira l’objet à l’échelle 1, cette évaluation n’a donc pas été réalisée et reste l’un des enjeux non explorés. Au travers de ce stage recherche, j’ai pu aborder la question de la relation entre l’ambiance et l’architecture paramétrique, explorer des outils de modélisation et la manière de les convoquer dans un processus de morphogénèse pour intégrer des données métrologiques liées au corps et à des modes de perception dans la conception architecturale. De même, au travers de la méthode de material based design, ce stage a approfondi le dialogue entre conception et fabrication dans la production des modèles et des prototypes, actualisant le projet à la lumière des premières expérimentations. Ces thèmes de recherche alliant technique de modélisation numérique, design des ambiances et continuum conception fabrication se posent comme les bases d’une pratique de l’architecture paramétrique consciente de l’importance de l’expérience dans la conception architecturale et informée principalement par cette dimension de la perception. D’autre part, au regard de mes thématiques de recherche privilégiées qui abordent la question de l’ornementation et sa corrélation avec la structure dans l’architecture contemporaine, ce stage m’a conforté dans mon envie d’envisager l’ornementation contemporaine non pas par sa configuration technique avec la structure mais par les modes de la perception de son relief et de ses variations.