L'essenza è logica
Le costruzioni viventi esempi per la tecnica?
Frei Otto, Jürgen Bradatsch

Molti prodotti artificiali costituiscono armi dell’uomo contro la forza della natura. Sono quindi “contronatura”. Rientrano in questo ambito le moderne vie di collegamento, il traffico, gli edifici. Persino prodotti creati dall’uomo in forma identica agli esseri viventi, rimangono artificiali; e neanche l’utilizzo di materiali naturali, li rende naturali. Gli organismi viventi restano inimitabili. L’imitazione pedissequa delle costruzioni viventi è indicata, nel migliore dei casi, per la costruzione di protesi. Ci siamo abituati di considerare costruzioni che sembrano meno innaturali di altre, come oggetti naturali, biologici o perfino ecologici. Si tratta di un grave errore. L’essere umano impara dai genitori, dagli insegnanti e dalle altre strutture realizzate dall’uomo stesso; raramente impara guardando gli esempi naturali, che erano e rimangono temi per l’arte. Al centro delle capacità di possesso stanno, nell’ordine temporale, la ruota, la vite, il motore. Nel frattempo l’uomo si è dotato di materiali più forti e potenti di quelli presenti nella natura; è capace di costruire più alto e con luci più ampie, è capace di muoversi più velocemente rispetto a tutti gli esseri viventi. Ora stiamo persino sviluppando macchine per pensare. Utilizzando mezzi tecnici ed inventiva l’uomo è capace, come nessun altro essere vivente, di sviluppare innumerevoli oggetti nuovi; per questo è estremamente pericoloso e può essere in maniera veramente totale contro la natura. Tuttavia l’alto standard della tecnica e della scienza permette oggi di capire il “naturale” più che un tempo. A questo alto livello della tecnica e della scienza possiamo chiedere, tra l’altro, di mitigare la “contronatura” di alcune tecniche e di alcuni prodotti, determinare cioè la base e il presupposto perché tutto quello che viene realizzato dall’uomo possa essere usato per una pacifica convivenza con gli altri organismi viventi. Attraverso l’osservazione e l’analisi dei processi di genesi degli oggetti materiali provenienti da tutti gli ambiti di natura, tecnica, arte e costruzioni, abbiamo sviluppato modelli e metodi in cui le forme nascono per autoformazione. Gli esperimenti effettuati sono moltissimi. Tra i più interessanti citiamo l’analisi della superficie della bolla di sapone, funzionale alla progettazione di superfici a sviluppo minimo “che trovano la loro forma da sole”. Ne sono derivate costruzioni di membrane e reti sotto tensione, catene e reti di catene per costruzioni sospese la cui statica viene garantita dal peso proprio, volte o gusci compressi, membrane idrauliche e pneumatiche con pellicole di gomma e stratificazioni che - una volta gonfiate - si irrigidiscono. Altrettanto forieri di soluzioni pratiche sono stati gli esperimenti con i fili per la ricerca di strutture ramificate ottimizzate per le reti stradali; gli esperimenti con i mucchi di sabbia per individuare la forma a imbuto più corretta e per l’analisi delle costruzioni in terra; infine gli esperimenti con superfici i basculanti per studiare la stabilità di opere in muratura idonee a zone a rischio di terremoto e gli studi con magneti galleggianti per l’interpretazione dei processi di occupazione del suolo nella progettazione urbana.
Si tratta di modelli realizzati con semplici sperimenti fisici che evidenziano senza grandi sfarzi l’immensa potenzialità delle forme e delle realizzazioni possibili. Con questi sperimenti si è stati in grado di scoprire forme strutturali sconosciute come gli intrecci di corde o di chiarire il processo di tenuta delle cisterne. Le scoperte concretizzate attraverso gli esperimenti fisici, vengono quindi sviluppate a livello matematico ed utilizzate nel processo di progettazione. La ricerca della forma ideale può essere supportata attraverso il collegamento con programmi cad, l’analisi statica, interventi e programmazioni in opera. I nuovi calcoli algoritmici della matematica frattale consentiranno in futuro di sviluppare ulteriori modelli numerici attraverso i quali analizzare e simulare i processi di autoformazione.

Natural constructions with a minimum materialistic effort

All material objects are constructions. They consist of parts and elements. This is true of the whole cosmos, at natural objects and of those made by man. Processes bring about this act of putting things together into a construction. Processes bring about change. Countless objects exist. Countless objects come into being and pass away again.
Natural constructions are not just any objects of infinitely variable diversity for us. We are looking for those constructions that show with particular clarity the natural processes that create objects. We are looking for essential. We even speak of the “classical” when something that cannot be improved becomes visible.
Although technology is a tool of man, who asserts himself against all the rest of nature by using technology against nature, we nevertheless understand it as a product of the natural object man and thus also as a part of nature. He has simply made use of it for himself. Now at last he recognizes that he is disturbing, damaging, destroying her. He is increasingly looking for ways preserving her. He tries to be a part of nature, a part of the whole. His means is technology that is compatible with nature. (Frei Otto)

How to design structures that follow the principles of nature?
The classical task of the architect is to define the general lay out, the geometry and the materials for building structures, in order to solve functional tasks and also to represent the self understanding of a client and of himself. The first `genius` sketch, expressing the idea of the building is followed by design drawings, bringing the idea into a rational orders. But quite often the actual building structure which is the essence of the building itself, is squeezed into the architects functional lay outs and is finally dimensioned by the structural engineer. As a consequence, the actual structures of the building follow the engineer’s codes and his analytical calculations. And the architect is at the end only responsible to design surfaces for these rationalized structures.
This is different for natural structures and for many traditional building methods where the main structural elements and their synergism are expressed as the essence of the object and the buildings itself
Modern building structures follow political decisions and economics or special manufacturing methods ratio. They do not follow real and objective criteria that are relating to their structures itself. These artifacts obviously do not follow the principles of natural structures, which are developed for a minimum internal effort of forces and for the specific characteristics of their materials, in order to minimize masses and energies.
Membrane structures as tension equilibrium forms are natural structures, where structure and form are one. The tensioned minimal shaped membrane expresses beauty in the play of shade and light and provides a sheltered space. The membrane is water and wind proofing and at the same time carries all structural forces. If well shaped, membrane structures are able to span far distances, covering large areas with a minimum materialistic effort.
With tensioned minimal shaped membranes there is no way to hide design mistakes. Any discontinuity will express itself in faults and deformation and will result in a reduced lifetime. Such structures are what your eyes can see, neither more nor less, they are objective. A natural structure built as tension equilibrium form is a unique structure, which cannot be changed by adding a little portion here or cut a little corner there. And any change of any entity in a natural structure will influence and will change the complex geometry of the whole system.
For this reason many architects do not accept natural structures as architecture because these complex structures do not follow and express so easily any arbitrary design idea, that is projected from the ego of an "artist architect". One cannot change the form of a particular section of a tensioned surface to follow a fancy idea neither cut a square hole in tensioned fabric roof if one just likes to do so.
It needs discipline and know how to develop the lay out and the shape for a tensioned membrane structure and it is an iterative process to find its optimum.
The form of a tension equilibrium structure follows physical laws and finds its minimal surface within defined boundaries. The art of ´designing´ minimal shaped , natural membrane structures is the art of controlling their boundary conditions in order to generate and to find the best form for the assigned task. This is a disciplined interactive process and rather a development, than what commonly is understood as an architectural design. It is a scientific approach that should be based on the love to nature and driven by the desire to find the classical form or the optimized shape for a man made structure: a form that hardly can be improved.
The minimal use of masses and materials for tensioned membrane roofs and tensioned equilibrium forms in general makes these structures technically very efficiant and the lightness of the double curved minimal surfaces finds its aesthetic expression with a striking and elegant appearance in the play of changing light and shade.
It is also this lightness of the tensioned minimal structures that predetermines them for mobility and foldability. Both these qualities distinguish tensioned lightweight structures substantially from conventional building systems.
Mobile and foldable tensioned lightweight structures provide an ideal architectural element for temporary use or as flexible arrangements to solve the infrastructural tasks of modern fast growing urban environments.
Roof structures that are able to convert in shape according to the daily and seasonal climate changes allow to naturally control the climatic conditions within our built environment and to create comfort for people in a natural way.

Large tensile structures in motion also enrich our rigid built environment with a new aesthetics and they feature all of the beauty and art of lightweight architecture.
Tensioned membrane structures and force equilibrium shapes offer a great freedom in formal and spatial expressions . But this are not arbitrary forms projected by the artist ego. They are the minimal forms, which are found and developed by using self forming process that lead to objects of technical efficiency and intrinsic beauty. These natural structures represent the synthesis of the art of lightweight architecture that bridges the gap between nature and man made objects, in an effort to build a harmonic and human environment.