Revolution in digital fabrication

‘We’ve had a digital revolution… but we don’t need to keep having it. We can declare success. We won. What’s coming now is the digital revolution in fabrication.’ Met deze woorden begon Neil Gershenfeld jaren terug zijn lezing voor het vak ‘How To Make Almost Anything’ op het MIT TU Delft en begon voor Pieter Stoutjesdijk een fascinatie voor de nieuwe industriële revolutie. In mei 2013 studeerde hij cum laude af op zijn onderzoek ‘Digital Design and Digital Fabrication for Post-Disaster Dwellings’.

Digital fabrication, vrij vertaald als computergestuurde productie, is op zich niets nieuws. De eerste ‘computer nummerical controlled’ (CNC) machine stamt al uit de jaren 50. Wat wel nieuw is, is de enorme ontwikkeling die een aantal computergestuurde machines doormaken. Een ontwikkeling die te vergelijken is met die van hardware tijdens de digitale revolutie. Open-source lasersnijders en goedkope zelfbouw 3d-printers zijn hard op weg high-end productietechnieken beschikbaar te maken voor op ieder bureau. De computergestuurde productiemachines die daarvoor te groot, of nu nog te duur zijn, kunnen worden gedeeld via online productiediensten of via lokale werkplaatsen met publieke toegang; de zogenaamde FabLabs.

De consument wordt producent

Computergestuurde productie legt een directe link tussen onze digitale en onze fysieke wereld en biedt daarmee enorme mogelijkheden. De eerste industriële revolutie heeft consumptie gedemocratiseerd. De digitale revolutie heeft hetzelfde gedaan voor het genereren en delen van digitale media en kennis. De verwachte nieuwe industriële revolutie is een combinatie van beiden en zal het ontwerpen, delen en produceren van fysieke goederen democratiseren.

Een dergelijke verschuiving naar post-institutionele productiemodellen kan enorme gevolgen hebben voor de economie en onze maatschappij. De huidige lineaire economie heeft dramatische effecten op het milieu, de verdeling van de welvaart en – daarmee samenhangend – de democratie. In de mogelijke transformatie van consument naar producent heeft deze lineaire economie – gedomineerd door enkele machtige partijen – de potentie te veranderen in een netwerk economie – met digitaal gedeelde intelligentie en een groot netwerk van kleine lokale productie-units. De consument wordt producent. Patent wordt open-source. Afval wordt grondstof. Standaardisatie wordt variatie.

De verwachte nieuwe industriële revolutie zal ook grote gevolgen hebben voor architectuur en de rol van de architect. Een aantal mogelijke consequenties wordt aan de hand van mijn afstudeerproject geïllustreerd. Naast het theoretische deel zijn in dit project een ontwerpproces en een bouwsysteem ontwikkeld die de potentie van een mogelijke nieuwe industriële revolutie optimaal benutten.

Open source ontwerpproces

Door de directe connectie tussen digitaal en fysiek kan het succesvolle open source softwaremodel worden uitgebreid met open source hardware. In dit model kan zonder problemen worden voortgebouwd op algemene kennis en ideeën waardoor innovatie zich makkelijker kan verspreiden en ontwikkelen. Bovendien wordt in dit model gebruik gemaakt van voorheen onbenut talent doordat alle kennis en ideeën eenvoudig kunnen bijdragen aan innovatie – ongeacht of de persoon erachter de juiste opleiding, connecties, leeftijd en financiële middelen heeft.

Centraal in het ontwikkelde ontwerpproces staat een evoluerende online database met digitale blueprints van fysieke componenten die op oneindig veel manieren kunnen worden samengevoegd tot een compleet gebouw. Een systeem van parameters leidt enerzijds tot ontwerpadvies – met als doel de algemene prestaties van het gebouw te verbeteren – en anderzijds tot ontwerpaanpassingen – die garanderen dat het gebouw voldoet aan objectieve eisen zoals bouwfysische en mechanische aspecten. Dit automatische systeem van aanpassing en advies maakt het mogelijk eenvoudig een groot aantal unieke ontwerpen te realiseren die perfect aansluiten op lokale omstandigheden zoals cultuur, klimaat en persoonlijke voorkeuren, zonder hierbij de architect in ontwerpvrijheid te beperken. Door de combinatie van volledig digitaal ontwerp met digitale productie kan uit elk uniek ontwerp, automatisch alle constructie informatie worden geëxtraheerd en direct naar de digitale productiemachines worden gestuurd.

Testcase Port-au-Prince

Dit ontwikkelde ontwerpproces is getest in de situatie van Port-au-Prince, de hoofdstad van Haïti. Na ruim drie jaar geleden te zijn getroffen door een aardbeving wonen er nog bijna een half miljoen mensen in tenten. Voor deze specifieke situatie zijn ook het ontwerpadvies, de ontwerpaanpassingen en het digitaal produceerbare bouwsysteem uitgewerkt.

Deze opgave sluit aan bij de enorme uitdaging op het gebied van huisvesting waar de wereld de komende decennia mee te maken krijgt. In 2030 zal door bevolkingsgroei en urbanisatie het aantal mensen dat wereldwijd in steden leeft naar verwachting zijn toegenomen van 3 naar 5 miljard, waarvan 2 miljard onder de armoede grens zal leven. De opgave die hieruit volgt komt neer op het bouwen van een stad van 1 miljoen inwoners elke week, gedurende de komende 20 jaar. Het grootste deel hiervan zal in de tropische of subtropische klimaatzone moeten worden gerealiseerd; de plek waar momenteel al ruim 80% van de wereldbevolking leeft. Vanzelfsprekend dient hierbij rekening te worden gehouden met de geringe financiële draagkracht van deze bevolking, en met de momenteel al overbelaste ecologische draagkracht van de aarde.

De oudste vorm van digitale productie, CNC frezen, is op dit moment het meest ontwikkeld en heeft daardoor de grootste potentie in de beschreven opgave. Doordat deze machine op enkele honderdsten millimeters nauwkeurig kan produceren, ontstaat de mogelijkheid tot het integreren van gefreesde ‘friction-fit’ verbindingen die enkel berusten op klemkracht zodat geen lijm of schroeven nodig zijn. Om de lokale economie te stimuleren, en de mogelijkheid te bieden voor lokale ontwerpinput, zal het gehele productieproces lokaal plaatsvinden in bijvoorbeeld een FabLab. Een van de weinige mogelijkheden van lokale materiaalproductie in Haïti is het samenpersen van plantaardige vezels uit landbouwafval tot plaatmateriaal. Dit proces, momenteel wereldwijd toegepast door Eco-Boards, heeft als grote voordeel dat er geen bos voor hoeft te worden gekapt en dat in het materiaal netto enorme hoeveelheden broeikasgas worden opgenomen. Om in analogie van de softwarewereld te blijven zou dit digitale productieproces van CNC frezen van biobased plaatmateriaal met friction-fit connecties kunnen worden vergeleken met één van de vele verschillende codetalen ontstaan in de digitale revolutie.

Digitale gingerbread architectuur

Uit het op Port-au-Prince toegespitste stedenbouwkundig plan is een woning van 38m² tot in detail uitgewerkt. In het ontwerp zijn zoveel mogelijk passieve klimaatstrategieën opgenomen om zo tot een comfortabel binnenklimaat te komen zonder gebruik van fossiele brandstoffen. Het parabolisch vormgegeven dak heeft naast zijn beschermende functie de mogelijkheid tot het opvangen van regenwater, dit met zonnewarmte te zuiveren en hierbij energie op te wekken. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het bestaande ‘Concentrated Solar Power’ (CSP) principe, dat op een aantal punten is gewijzigd om ook met statische spiegels te kunnen functioneren. Het bijbehorende bouwsysteem is tot op schaal 1:1 doorgewerkt en getest waarbij is getracht de ideale balans te vinden tussen de volgende aspecten: eenvoud, aanpasbaarheid, materiaal efficiëntie, krachtswerking, bouwgemak, freestijd en esthetiek.

Het resultaat is een woning van $10.000 die binnen 5 uur volledig kan worden uitgefreesd tot een plat vervoerbaar bouwpakket, om vervolgens op de bouwplaats met enkel een rubberen hamer in elkaar te worden getikt. In het gebruikte materiaal wordt netto 1,95 ton aan CO₂ opgeslagen. Het dak produceert dagelijks gemiddeld 12,9 kWh aan energie en 130 liter schoon drinkwater. De ornamentiek die voortkomt uit de CNC gefreesde friction-fit verbindingen is een moderne interpretatie van de rijke decoraties die te vinden zijn in klassieke Haïtiaanse ‘gingerbread’ architectuur. Het ontwerp kan worden gezien als versie 1.0 van een oneindig evoluerende reeks. Dankzij het collectieve en digitale karakter van het open ontwerpproces zou de database van componenten, ontwerpaanpassingen en ontwerpadvies in no-time kunnen uitgroeien tot een van de rijkste bronnen van kennis, innovatie en creativiteit in digitaal geproduceerde architectuur.

Bekijk hier het filmpje van het bouwproces

Tekst: Pieter Stoutjesdijk