RotoForm, Robotic Sequential Casting : Toward Material System and Material Programming in Architecture

This dissertation provides a step toward enhancing technology-driven design-to-fabrication procedures in the architecture, engineering, and construction industries. More specifically, it contributes to sustainable manufacturing and innovative robotic fabrication methods in concrete construction.

The architecture, engineering, and construction (AEC) industries are experiencing a growing need to adapt emerging technologies to increase productivity, promote sustainable construction methods, and integrate automation. Although AEC is part of the production sector, it lags far behind other manufacturing industries in technological innovation. Research on computational design and robotic fabrication has examined the ability to build with emergent technologies and data-driven procedures, showing significant progress not only in technological development but also in the knowledge of its use. However, the implementation of these advances and the transfer of knowledge to the industrial sector remain bottlenecks in this field. This need is especially high given the demand for sustainable construction, the scarcity of construction materials, and the AEC industry's significant contribution to carbon emissions. The effective use of technology in AEC requires research methods that, firstly, conceive the implementation of this technology as an integral research element, and secondly, develop integral models that cover all phases from design to construction.

This dissertation considers knowledge transfer as a methodological challenge and subsequently explores technology implementation and automation in architecture and construction through a systematic investigation methodology. The methodology addresses the disciplinary issue of separation between design and fabrication, as well as the bottleneck of technology implementation in the AEC industries, given the heterogeneous landscape of fragmented enterprises in this field.

More precisely, it focuses on precast concrete, robotic fabrication, sustainability, and automation. Since concrete is the most widely used material in the construction industry but also the most destructive, it calls for changes in how architects design, fabricate, and maintain buildings with this material. The methodology enables the systematic development of four interrelated case studies, which generate a heterogeneous palette of solutions within different setups and objectives. The case studies are developed and evaluated based on the criteria of design simulation, machinery and robotic fabrication setup, material development, and implementation framework.

The first case study aims to define the boundaries of RotoForm, a robotic fabrication method for dynamically casting hollow concrete elements. RotoForm is a material system that synthesizes a dynamic concrete casting method, the phase-changing state of concrete, and a hyperelastic formwork system into an integral model. Following this, Case Studies Two, Three, and Four each address specific challenges in the field of precast concrete. These studies present innovative solutions through technical developments and design-to-fabrication frameworks, all centered around RotoForm. The second case study explores the implementation of RotoForm in collaboration with an industry partner. It targets the development of a robotic fabrication process for large-scale hollow concrete elements as lost formwork. The third case study describes an intersectoral collaboration with a spinoff company in the field of robotic fabrication. The study aims to increase the level of automation through a continuous robotic fabrication setup, from formwork shaping to reinforcement winding to sequential robotic dynamic casting. The fourth case study deals with the challenges of onsite assembly and the need for non-permanency, adaptation, and reconfiguration in architecture. It utilizes the ability of RotoForm for uneven material distribution inside the hollow concrete elements and proposes a material programming system for guided self-assembly.

This dissertation presents fundamental studies on RotoForm, a novel robotic fabrication framework for the sequential dynamic casting of hollow concrete elements. The case studies offer a systematic approach for studying the implementation of this technology as an integral element of research on innovation in AEC. The work proposes a model that explores the relationships among all aspects of the design-to-fabrication process. The research is the result of interdisciplinary collaboration with other engineering fields for technical development and with industry partners for intersectoral implementation. The emphasis on integrated research has brought fundamental architectural design questions closer to the technical challenges of implementing new technologies, paving the way for solutions that can meet our current sustainability needs.

Diese Dissertation stellt einen weiteren Schritt zur Verbesserung technologiebasierter Design-to-Fabrication-Verfahren in der Architektur-, Ingenieur- und Bauindustrie dar. Die Arbeit leistet einen Beitrag zu nachhaltigen und digitalen Fertigungsmethoden sowie zu innovativen, robotergestützten Herstellungsverfahren im Betonbau.

Die Bauindustrie ist mit einem wachsenden Bedarf konfrontiert, die Adaption neuer Technologien, die Steigerung der Produktivität, die Förderung nachhaltiger Bauweisen und die Integration von Automatisierung umzusetzen. Obwohl die Baubranche Teil des Produktionssektors ist, steht sie anderen Industrien in Bezug auf technologische Innovation weit hinterher. Forschung im Bereich computergestütztes Entwerfen und robotergestützte Fertigung hat die Fähigkeit untersucht, mit neuen Technologien und datengetriebenen Verfahren zu bauen und dabei sichtbare Fortschritte nicht nur in der technologischen Entwicklung, sondern auch im Wissen über deren Anwendung gezeigt. Dennoch bleiben die Implementierung dieser Fortschritte und der Wissenstransfer in den industriellen Sektor (Baubranche) die größte Herausforderung in dieser Forschungsrichtung. Diese Notwendigkeit ist besonders wichtig angesichts der steigenden Nachfrage nach nachhaltigem Bauen, der zunehmenden Knappheit von Baumaterialien und des erheblichen Beitrags der AEC-Industrie zu den globalen Kohlenstoffemissionen.

Die effektive Nutzung von Technologie in der Baubranche erfordert Forschungsansätze, die erstens die Implementierung dieser Technologien als integralen Bestandteil der Forschung begreifen und zweitens umfassende Modelle entwickeln, die alle Phasen von der Planung bis zur Ausführung abdecken. Diese Dissertation betrachtet den Wissenstransfer als eine methodische Herausforderung und untersucht daraufhin die Implementierung von Technologie und Automatisierung in der Architektur und im Bauwesen durch eine systematische Forschungsmethodik. Die Methodik dieser Arbeit adressiert sowohl die disziplinäre Trennung zwischen Entwurf und Fertigung als auch die Engpässe bei der Implementierung von Technologie in der Bauindustrie, die durch die heterogen fragmentierte Unternehmenslandschaft in der Bauindustrie geprägt ist.

Im Mittelpunkt stehen dabei Fertigbetonbau, robotergestützte Fertigung, Nachhaltigkeit und Automatisierung. Da Beton das am häufigsten verwendete, aber gleichzeitig auch eines der umweltschädlichsten Materialien in der Bauindustrie ist, sind methodische Veränderungen erforderlich, wie dieses Material entworfen, gefertigt und instandgehalten wird. Die hier entwickelte Methodik ermöglicht systematische Fallstudien, von denen vier miteinander verbunden sind und eine heterogene Palette an Lösungen mit unterschiedlichen Zielsetzungen generieren. Die präsentierten Fallstudien werden anhand von vier gleichen Kriterien _ Entwurfssimulation, Maschinen- und Roboterfertigungssetup, Materialentwicklung, Implementierungsrahmen – entwickelt und evaluiert.

Die erste Fallstudie zielt, die „RotoForm“, einer robotergestützten Fertigungsmethode für das dynamische Gießen von hohlen Betonelementen, als digitale Materialiesierungsmethode zu definieren. RotoForm ist ein Materialsystem, das eine dynamische Betonvergussmethode, den Phasenwechselzustand von Beton und ein hyperelastisches Schalungssystem zu einem integralen Modell vereint. Die zweite, dritte und vierte Fallstudie spezifischen Herausforderungen zu der Integration diese Fertigungsmethode im Beton Fertigteilbau. Alle Studien präsentieren innovative Lösungen durch technische Entwicklungen und Design-to-Fabrication-Frameworks, die um RotoForm herum aufgebaut sind.

Die zweite Fallstudie untersucht die Implementierung von RotoForm in Zusammenarbeit mit einem Industriepartner. Ziel ist die Entwicklung eines robotergestützten Fertigungsprozesses für großformatige hohle Betonelemente als verlorene Schalung. Die dritte zielt darauf ab, die Automatisierung in dem Verfahren zu erhöhen, indem ein kontinuierliches robotisches Fertigungssetup entwickelt wird, das von der Schalungsformgebung über die Bewehrungswicklung bis hin zum sequenziellen, robotisch-dynamischen Gießen reicht. Die vierte Fallstudie befasst sich mit den Herausforderungen der Vor-Ort-Montage und -Assembly. Hierbei wird die Fähigkeit von RotoForm genutzt, ungleichmäßige Materialverteilungen innerhalb der hohlen Betonelemente zu realisieren, und es wird ein Materialprogrammierungssystem für die geführte Selbstmontage vorgeschlagen.

Diese Dissertation präsentiert grundlegende Untersuchungen zu RotoForm, einem neuartigen robotergestützten Fertigungsframework für das sequenzielle dynamische Gießen hohler Betonelemente. Die Fallstudien bieten einen systematischen Ansatz zur Untersuchung der Implementierung dieser Technologie als integralen Bestandteil der Innovationsforschung in der Bau-Branche. Diese Forschung ist das Ergebnis einer interdisziplinären Zusammenarbeit mit Ingenieurdisziplinen für technische Entwicklungen sowie mit Industriepartnern zur praxisnahen Umsetzung. Der Fokus auf integrierte Forschung hat zentrale architektonische Entwurfsfragen näher an die technischen Herausforderungen bei der Einführung neuer Technologien herangebracht – und dadurch Lösungen ermöglicht, die den aktuellen Anforderungen an Nachhaltigkeit gerecht werden.