Ma­te­ria­liz­za­re for­me li­be­re nel­lo spa­zio

Poco più di dieci anni fa, nella suggestiva Sala 1.9 delle storiche Corderie dell’Arsenale di Venezia, si apriva uno scenario avvolto nell’oscurità, animato solo da luci spot che accarezzavano misteriosi oggetti dalle forme fuori dall’ordinario. Le colonne in mattoni dividevano la sala in tre zone distinte collegate visivamente dalla ricorrenza di queste strane geometrie. Sulla destra, cinque modelli bianchi erano disposti in serie lungo lo spazio, sospesi nell’aria da cavi quasi invisibili nel buio. Altri quattro modelli erano posizionati su piedistalli scuri, accentuando il loro senso di astrazione rispetto alla realtà che andavano a rappresentare. Sulla sinistra, alcuni modelli fisici di colore bianco erano esposti in teche trasparenti e facevano da contraltare a oggetti, immagini e diagrammi appesi a una parete con sfondo scuro. Al centro della sala, una struttura-scultura a forma di fungo, composta da fogli di alluminio piegati e collegati tra loro, ostruiva il passaggio dei visitatori, costringendoli a dirigere il loro percorso attraverso gli spazi laterali per continuare la visita nelle sale successive. L’allestimento della sala era la sezione di Zaha Hadid Architects per la tredicesima Biennale di Architettura curata dall’architetto David Chipperfield nel 2012. Il tema di quell’anno era «Common Ground» e l’obiettivo era quello di mostrare come il lavoro dei maggiori protagonisti dell’architettura contemporanea fosse collegato alle esperienze del passato, nonostante la critica lo identificasse spesso come l’esito di realizzazioni autonome.

Geometrie complesse e fascinazione digitale

L’installazione di Venezia si colloca alla fine di un periodo di forte sperimentazione progettuale e formale in architettura, identificato col nome di digital turn.¹ Esso era nato all’inizio degli anni Novanta, favorito dal rapido sviluppo di tecniche digitali che avevano permesso la generazione e il controllo di geometrie complesse, con applicazioni in architettura. La capacità di manipolare direttamente linee curve sullo schermo del computer grazie a vettori e punti di controllo aveva comportato un ampio utilizzo di forme difficili da descrivere matematicamente con gli strumenti analitici tradizionali. Esplorazioni ardite si erano presto materializzate in geometrie curve e linee arrotondate, spesso lontane da una coerenza col loro comportamento strutturale. Forme scultoree alla scala dell’architettura avevano mostrato la possibilità di variazioni progettuali finalmente possibili a un costo moderato. Tuttavia, la fiducia nei confronti dei nuovi strumenti tecnologici aveva favorito una tendenza a un formalismo che aveva contribuito alla caratterizzazione stilistica di ogni ufficio d’architettura coinvolto in questo processo. Alcuni risultati di queste esperienze architettoniche erano visibili nell’allestimento di Venezia. Osservando meglio i modelli bianchi fluttuanti nello spazio, si sarebbero potuti riconoscere l’ingresso della stazione ferroviaria Nordpark di Innsbruck (2004-2007), il Burnam Pavilion di Chicago (2009), l’Aquatic Centre per le Olimpiadi di Londra (2005-2011) o l’Heydar Alyev Centre di Baku (2007-2012). Nonostante il carattere futurista delle geometrie esposte nella sala, alcuni modelli appartenevano a collezioni d’archivio di progettisti del passato che avevano anticipato tali forme. Se il testo di accompagnamento all’installazione individuava nella scultura centrale un omaggio esplicito al lavoro dell’architetto tedesco Frei Otto, le teche contenevano modelli fisici in piccola scala dell’architetto spagnolo-messicano Félix Candela e dell’ingegnere svizzero Heinz Isler (fig. 2).

L’installazione a Venezia ha segnato il passaggio dalla mera esplorazione formale alla generazione di forme libere a partire da specifici parametri definiti dal progetto. Il riferimento agli esempi storici ha svolto un ruolo di primo piano in questo cambio di passo. Il modo in cui il lavoro di Isler e Candela è stato esposto testimonia due aspetti fondamentali che dimostrano la loro influenza sulla progettazione contemporanea tra le discipline dell’architettura e dell’ingegneria strutturale: la configurazione spaziale e il metodo di lavoro. Osservando le differenze tra gli oggetti contemporanei e quelli storici esposti nell’allestimento di Venezia è possibile comprendere meglio il ruolo del modello nella progettazione.

Modellazione di nuove forme

In architettura, il modello fisico costituisce uno strumento tecnico e comunicativo allo stesso tempo. Esso viene spesso fabbricato per facilitare la comprensione di un’idea progettuale, arricchendo la discussione con i collaboratori, il committente, l’appaltatore, gli operai, gli studenti, il pubblico ampio e specializzato.² Tuttavia, aiuta anche durante la concezione e lo sviluppo del progetto materializzando in scala ridotta idee di architetture future e visualizzando aspetti che non sono immediatamente riconoscibili con altre tecniche di rappresentazione. Essendo un oggetto tridimensionale, la sua materialità permette di studiare il progetto da diverse prospettive e di osservare contemporaneamente aspetti differenti. I modelli esposti nell’allestimento di Zaha Hadid Architects per la Biennale di Venezia non sono modelli di lavoro, ma modelli di presentazione che sottolineano l’aspetto geometrico delle architetture scelte astraendolo da qualsiasi altra caratteristica tecnica del progetto. Gli oggetti appesi che fanno riferimento ai progetti recenti dello studio invitano al contatto, consentono di esaminarli da diverse angolazioni e persino di passare sotto di loro. Al contrario, i modelli di Isler e Candela sono esibiti su piedistalli e racchiusi in teche trasparenti, per essere ammirati come pezzi da museo. La maniera in cui i modelli di Isler sono stati presentati a Venezia è in contrasto con il modo in cui egli ha sempre lavorato, ma rivela una delle principali influenze del suo lavoro sulle moderne architetture caratterizzate da geometrie complesse: essere principalmente una fonte di ispirazione formale. Questo giustifica anche l’accostamento espositivo dei modelli di Isler con quelli di Candela. Nonostante essi rappresentino due approcci diversi tra loro, sia dal punto di vista del metodo progettuale che da quello costruttivo, entrambi fanno riferimento alla stagione d’oro dello sviluppo di gusci sottili in calcestruzzo armato, che ha visto il suo apice tra gli anni Cinquanta e Sessanta.³ 

Candela è noto per le sue strutture a paraboloide iperbolico, la cui doppia curvatura garantisce un’eccellente resistenza per forma con un ridotto impiego di materiale. La tipologia strutturale permette grandi luci senza la necessità di appoggi intermedi, caratteristica particolarmente apprezzata nella progettazione di edifici industriali, come quello per la fabbrica della Bacardi a Puebla in Messico (1958-1961) che non a caso è stata rappresentata in uno dei modelli esposti a Venezia. Il paraboloide iperbolico costituisce una forma rigata, caratterizzata dalla possibilità di descrivere la geometria tridimensionale attraverso linee rette disposte nello spazio, che si esplicitano in un sistema di equazioni lineari. Di conseguenza, oltre a ottimizzare il comportamento strutturale, le strutture di Candela avevano anche il vantaggio di poter ottimizzare i costi di costruzione grazie a casseforme costruite con elementi in legno rettilinei che seguivano le generatrici del guscio.⁴ Nonostante la similitudine formale, i gusci di Isler costituivano configurazioni molto più ardite proprio perché non controllabili con semplici formulazioni matematiche.

Con il suo approccio pionieristico alla progettazione delle strutture, Isler sfidò i più importanti ingegneri dell’epoca durante la conferenza inaugurale dell’International Association for Shell Structures, tenutasi a Madrid nel 1959. A poco più di trent’anni e arrivato direttamente dal servizio militare, presentò quello che sarebbe diventato il suo contributo più importante alla progettazione delle strutture a guscio in calcestruzzo armato (fig. 3). La sua breve presentazione propose un metodo alternativo all’individuazione di forme spaziali basato sull’uso di una serie di modelli fisici attraverso i quali si sarebbero potute ottenere nuove forme a guscio prima difficilmente concepibili con gli strumenti progettuali tradizionali.⁵ I metodi di ricerca della forma presentati prendevano spunto dall’osservazione di fenomeni naturali la cui forma era strettamente influenzata da principi fisici: cumulo di terra a forma libera, forma pneumatica, membrana appesa. Il primo metodo era basato sull’angolo di natural declivio del terreno, il secondo si riferiva alla superficie minima generata dall’aria insufflata in un oggetto chiuso ermeticamente, mentre il terzo si fondava sull’estensione del principio della catenaria nello spazio. Isler era affascinato dalla chiarezza formale degli elementi del mondo naturale, data dalla risposta a specifiche necessità. Il mondo naturale era uno stimolo per la sua creatività, osservandolo e manipolandolo nel giardino del suo ufficio.⁶ La forma a guscio – per cui egli sarebbe stato ricordato come progettista strutturale – era particolarmente interessante proprio perché rappresentava allo stesso tempo la struttura di supporto e lo spazio racchiuso intorno a essa, senza alcun elemento aggiunto.⁷ 

Non è un caso che la prima mostra dedicata ai suoi progetti sia stata chiamata Nautilus, dal nome di uno specifico tipo di conchiglia di un mollusco.⁸ Il rapporto diretto dei suoi gusci con le forme e i principi del mondo naturale ha sempre rappresentato una costante ed è visibile in diversi progetti. Tra questi, forse l’esempio più famoso è costituito dagli studi preliminari del progetto per la sede dell’azienda Sicli a Ginevra (1968-1969), dove preliminari modelli di studio hanno riprodotto la forma a conchiglia per integrare i due programmi architettonici di uffici e sito produttivo richiesti dal cliente.⁹ 

La chiarezza formale di un’unica forma libera tridimensionale come quelle di Candela e Isler ha profondamente influenzato i progettisti a cavallo tra gli anni Novanta e Duemila. Lo sviluppo di strumenti informatici per la visualizzazione e il controllo di geometrie curve ha finalmente permesso di controllare ciò che prima era stato possibile solo da un ristretto gruppo di persone tra le discipline dell’ingegneria e dell’architettura. Tuttavia, osservando la parete nera di fronte alle teche nell’allestimento di Venezia, si testimonia la fine di un’epoca dominata da forme curve spesso disconnesse dalle loro implicazioni costruttive in architettura. Gli esempi appesi sotto forma di immagini, modelli e diagrammi mostrano l’inizio di un diverso metodo di lavoro, in cui parametri spaziali, programmatici e tecnici convergono per integrare le diverse discipline coinvolte. In questo contesto, il lavoro di Isler è ancora più attuale. I suoi modelli fisici rappresentano dispositivi di ricerca in piccola scala per risolvere problemi legati al rapporto tra forma, flusso delle forze e materiali.

Processi e parametri

Isler non sarebbe stato in grado di concepire la maggior parte delle sue strutture senza il suo metodo sperimentale, caratterizzato dalla ripetizione di più modelli fisici nel corso delle diverse fasi progettuali.¹⁰ I gusci in calcestruzzo armato sono testimoni di un periodo storico in cui il crescente interesse per forme libere tridimensionali ha richiesto nuovi strumenti per controllarne la geometria e studiarne il comportamento strutturale. Le loro configurazioni richiedevano un numero di equazioni matematiche così complesso che superava le capacità dei metodi analitici disponibili all’epoca. Inoltre, l’analisi strutturale era in grado di verificare solo il comportamento di forme consolidate nella pratica ingegneristica, per lo più geometrie definibili matematicamente come i paraboloidi iperbolici di Candela. Di conseguenza, l’uso di modelli fisici nelle scienze ingegneristiche è progressivamente diventato un metodo riconosciuto sia per la modellazione che per l’analisi strutturale.¹¹ Essi rappresentano i precursori dei modelli computazionali che vengono adottati ancora oggi per la generazione e il controllo di forme complesse.

Isler utilizzava un approccio iterativo per esplorare opzioni progettuali e soddisfare contemporaneamente parametri anche molto diversi tra loro, come l’estetica, l’efficienza strutturale e l’economia dei materiali.12 Questo avveniva non solo nella fase di individuazione della forma, comunemente nota col termine di form finding e per cui Isler viene spesso ricordato.13 Si ritrovava anche nella fase di verifica del comportamento strutturale della forma eseguita con modelli di misura, nei prototipi per il controllo di specifici aspetti costruttivi nel giardino del suo ufficio, fino ai cantieri dove il guscio veniva costruito e monitorato con la stessa accuratezza di un modello fisico in laboratorio.¹⁴ 

Osservando gli appunti, gli schizzi, le misurazioni e le fotografie che documentano il suo processo progettuale conservati all’archivio gta dell’ETH di Zurigo si capisce immediatamente come il lavoro di Isler si collochi in un periodo di transizione della disciplina dell’ingegneria strutturale. Da una parte, la sua estrema accuratezza nel metodo sperimentale sviluppato all’interno del suo laboratorio modelli lo rende vicino all’esperienza dei progettisti-costruttori dei secoli scorsi, che vedevano nella fabbricazione e manipolazione di oggetti fisici alle diverse scale il punto di partenza per la comprensione di fenomeni naturali e la loro applicazione in architettura. In questo senso, è chiaro anche l’estremo pragmatismo costruttivo che ha vietato qualsiasi forma senza un legame col comportamento strutturale, espresso anche nello stretto rapporto coll’impresario Willi Bösiger. Dall’altra, l’esplorazione di opzioni progettuali attraverso la rapida costruzione di diversi modelli in gesso per lo stesso progetto lo rende vicino alle esperienze più attuali con strumenti computazionali di ricerca della forma. Il progettista era infatti responsabile della messa a punto dell’esperimento fisico in termini di definizione delle condizioni al contorno e di selezione dei materiali sperimentali, ma lasciava che le configurazioni dei suoi modelli risultassero grazie alla forza di gravità (metodo con membrana appesa) e pressione dell’aria (metodo con membrana pneumatica) (fig. 6). Oltre ai tre approcci presentati nella conferenza inaugurale International Association for Shell Structures, Isler ha sviluppato ulteriori metodi sperimentali per individuare nuove forme per i suoi gusci sottili durante la sua carriera: forma a supporto centrale e forma a espansione. Se la prima tecnica ha tratto ispirazione dal lavoro di Otto con strutture in tensione,¹⁵ la seconda è stata influenzata da innovazioni di quel tempo legate a materiali polimerici. In questo caso, la forma era ottenuta dall’espansione di schiuma poliuretanica confinata in un tubo a forma quadrata.¹⁶ Nonostante la tecnica sia stata alla base dello sviluppo di progetti iconici quali il Centro Giardino Bürgi a Camorino (1970-1972) o la Piscina Al Bosco a Ponte Capriasca (1972-1973), essa non ha contribuito a definire forme staticamente coerenti. In questo contesto, esempi di successo dell’interazione tra forma e forze sono stati i gusci trovati con il principio delle membrane pneumatiche e appese, come l’edificio ormai demolito della Piscina dell’Albergo Splendide a Lugano (1972-1973). Non è un caso che modelli legati a questi ultimi due metodi di ricerca della forma siano stati proprio quelli esposti a Venezia.

L’approccio iterativo di Isler con i modelli fisici per generare e controllare i suoi progetti non convenzionali è stato presto tradotto in strumenti digitali, per esplorare diverse geometrie e osservarne il loro comportamento sotto i casi di carico in modo più economico e veloce. Il metodo di lavoro è diverso dalla procedura architettonica abituale, in cui il progettista individua la forma ed esamina il suo comportamento strutturale solo in un secondo momento. Questo approccio permette a quello che Patrick Schumacher definisce parametricism di andare oltre la mera componente stilistica, per diventare un vero e proprio modo di progettare e valutare diverse opzioni allo stesso tempo, variando i parametri del progetto.¹⁷ Non si tratta più dunque di un esibizionismo formale atto a esaltare le capacità tecniche del computer, ma un’onesta ricerca del rapporto tra la geometria e gli altri parametri che concorrono al progetto di architettura. Gli studi di forme generate e controllate attraverso algoritmi ispirati a processi naturali appese alla parete scura della Biennale di Venezia hanno mostrato esattamente questo cambio di approccio. Il lavoro di Isler legato alla generazione di forme con modelli fisici diventa dunque un riferimento fondamentale nella gestione di diversi parametri progettuali con simulazioni digitali. Tuttavia, questo aspetto non è il prodotto degli ultimi decenni.

Sperimentazioni digitali nella generazione di forme

Le tecnologie sono modalità di traduzione di conoscenza e in questo gli strumenti digitali hanno progressivamente trasformato ogni esperienza in informazione.¹⁸ Nel contesto del progetto di architettura all’interfaccia con l’ingegneria, Hans-Jörg Schek, padre del primo metodo computazionale di ricerca della forma, parla dell’importanza di riuscire a tradurre la costruzione di modelli fisici all’interno del computer.¹⁹ Da una parte, questa traduzione implica l’approssimazione di una superficie reale continua in un assemblaggio finito di elementi discreti. Dall’altra, la possibilità di gestire in modo automatico diversi parametri nello stesso tempo comporta un arricchimento nel progetto. Ciò era già stato riconosciuto dall’architetto italiano Luigi Moretti nel 1960, in occasione della mostra che ha coniato il termine «architettura parametrica».²⁰ Raccogliendo competenze da diverse discipline intorno all’Istituto di Ricerca Matematica e Operativa per l’Urbanistica (IRMOU), egli aveva sviluppato un approccio alla progettazione basato su criteri logico-matematici (figg. 4-5). Questo metodo era strettamente correlato alla crescente fascinazione per le potenzialità offerte dai nuovi strumenti informatici, i quali consentivano di tradurre problemi ingegneristici complessi in semplici matrici matematiche.

Il successivo sviluppo delle rappresentazioni tridimensionali con sistemi computazionali grafici e interattivi ha ulteriormente alimentato l’entusiasmo verso gli strumenti digitali in grado di emancipare la creatività del progettista. L’integrazione di questi due aspetti – numerico e grafico – si trova nelle esperienze di Zaha Hadid Architects presentate alla Biennale sulla parete nera, vicino alle teche coi modelli di Isler ed è questo che rappresenta l’aspetto di novità rispetto alla fascinazione formale iniziale. Grazie alla sinergia tra i moderni strumenti di calcolo e le visualizzazioni tridimensionali è possibile tornare a manipolare geometrie complesse senza il bisogno di conoscere il significato matematico che sta alla base dei codici informatici.²¹ Di conseguenza, si può tornare a esplorare nuove forme proprio come Isler faceva nel suo laboratorio modelli, procedendo per tentativi ed errori fino a ottenere la configurazione ottimale rispetto ai parametri del progetto. È forse questo il contributo più importante del lavoro di Isler alla progettazione contemporanea, al di là delle forme stravaganti. Egli è spesso ricordato nei convegni internazionali d’ingegneria che si occupano di strutture tridimensionali spaziali e il suo famoso diagramma presentato nel 1959 è mostrato come riferimento nei progetti che operano tra le discipline dell’architettura e dell’ingegneria strutturale. Tuttavia, è proprio il suo apporto alla progettazione parametrica contemporanea che lo rende ancora attuale, come indicato nel catalogo di un’altra Biennale di Architettura, curata dall’architetto olandese Rem Koolhaas nel 2014.²² La dimensione formale lascia dunque spazio all’interesse nei confronti del suo metodo di lavoro. In questo caso, i suoi gusci in calcestruzzo armato vengono inseriti all’interno delle esplorazioni parametriche per elementi di copertura, mantenendo viva la sua eredità tra i progettisti contemporanei in vista di un ripensamento di queste forme che esprimono una relazione diretta con l’uso corretto del materiale e con il comportamento strutturale. Come Candela aveva sottolineato, la costruzione di coperture a grande luce non deve essere considerata come un modo per glorificare i grandi progettisti, ma piuttosto per esplorare costruzioni flessibili ed economiche.²³ Il contesto attuale è caratterizzato da sfide sociali, economiche e culturali sempre più urgenti che comportano la necessità di ripensare il processo di progettazione, specialmente considerando le prove poste dal cambiamento climatico. Le soluzioni di Isler spesso hanno dimostrato che risolvere problemi complessi può essere raggiunto attraverso l’integrazione di concetti semplici tra forma, forze e materiali. Sebbene le difficoltà affrontate dai grandi progettisti strutturali del passato fossero differenti da quelli di oggi, emerge un parallelo significativo. Guardare al passato può dunque essere estremamente proficuo nel cercare soluzioni efficaci e sostenibili ai problemi di oggi, al di là della loro pura materializzazione formale.

Note

1. M. Carpo, The Digital Turn in Architecture 1992-2012, John Wiley & Sons, New York 2013.

2. M. Baker, Representing Invention, Viewing Models, in S. de Chadarevian, N. Hopwood (a cura di), Models: The Third Dimension of Science, Stanford University Press, Stanford 2004, pp. 19–42.

3. J. Joedicke, Schalenbau. Konstruktion Und Gestaltung, Krämer, Stuttgart 1962.

4. F. Candela, Simple Concrete Shell Structures, «ACI Journal Proceedings», 1951, fasc. 48, n. 12, pp. 321–332.

5. H. Isler, New Shapes for Shells, «Bulletin of the International Association for Shell and Spatial Structures», 1961, fasc. 8, paper C-3.

6. G. Boller, Forme di aria e di gesso: come Heinz Isler sviluppò i suoi straordinari gusci sottili, «Rassegna di Architettura e Urbanistica», 2022, n. 168, pp. 66–75.

7. H. Isler, Structural Beauty of Shells, IABSE Congress Report, 1980, 11, pp. 147–52.

8. R. Schützeichel, (Re)Presenting Shells. Heinz Isler’s Work on Display, in M. Beckh et al. (a cura di), Candela, Isler, Müther. Positions on Shell Construction, Birkhäuser Verlag, Basel 2021, pp. 126–33.

9. J. Chilton, C. C. Chuang, Rooted in Nature: Aesthetics, Geometry and Structure in the Shells of Heinz Isler, «Nexus Network Journal», 2017, n. 19, pp. 763–785.

10. H. Isler, Generating Shell Shapes by Physical Experiments, «Bulletin of the International Association for Shell and Spatial Structures», 1993, fasc. 34, n. 111/1, pp. 53–63.

11. B. Addis (a cura di), Physical Models. Their Historical and Current Use in Civil and Building Engineering Design, Ernst & Sohn Verlag, Berlin 2021.

12. D. P. Billington, The Art of Structural Design: A Swiss Legacy, Princeton University Art Museum, Princeton 2003.

13. G. Boller, J. Chilton, Heinz Isler’s Experimental Approach to Form Finding, in M. Beckh et al. (a cura di), Candela, Isler, Müther, cit., pp. 98-109.

14. G. Boller, The Model as a Working Method. Heinz Isler’s Experimental Approach to Shell Design, Tesi di dottorato, ETH Zurich 2022.

15. F. Otto, Das Hängende Dach. Gestalt und Struktur, Im Bauwelt Verlag, Berlin 1954.

16. H. Isler, “New Shapes for Shells” - Twenty Years After, «Bulletin of the International Association for Shell and Spatial Structures», 1979, fasc. 20-3/21-1, nn. 71/72, pp. 9-26.

17. P. Schumacher, Parametricism: A New Global Style for Architecture and Urban Design, «AD Architectural Design», 2009, fasc. 79, n. 4, pp. 14-23.

18. M. McLuhan, Understanding Media. The Extensions of Man, MIT Press, Cambridge 1994.

19. H. J. Schek, The Force Density Method for Form Finding and Computation of General Networks, «Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering», 1974, fasc. 3, n. 1, pp. 115–134.

20. L. Moretti, Mostra di Architettura Parametrica e di Ricerca Matematica e Operativa nell’urbanistica, I.R.M.O.U., Milano 1960.

21. M. Carpo, Building with Geometry, Drawing with Numbers, in A. Goodhouse (a cura di), When Is the Digital in Architecture?, CCA Publications, Montréal 2017, pp. 33–44.

22. R. Koolhaas, Fundamentals: 14th International Architecture Exhibition, Marsilio, Venezia 2014, pp. 254-255.

23. F. Candela, Architecture et “Structuralisme”, «Habitation: Revue Trimestrielle de La Section Romande de l’Association Suisse Pour l’Habitat», 1964, fasc. 36, n. 3, pp. 44–50.