Digital Stereotomy and additive manufacturing to groin vault fabrication in scale model

Authors

  • Luis Carlos Cruz-Ramírez Laboratorio de Patrimonio Arquitectónico, Escuela Superior de Ingeniería, Unidad Tecamachalco, Instituto Politécnico Nacional, México. https://orcid.org/0000-0002-3651-4471
  • Gerardo Tomihuatzi Rivas-González Laboratorio de Patrimonio Arquitectónico, Escuela Superior de Ingeniería, Unidad Tecamachalco, Instituto Politécnico Nacional, México. https://orcid.org/0009-0005-4698-031X
  • Jorge Fernando Zárate-Martinez Laboratorio de Posgrado, Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Unidad Tecamachalco, Instituto Politécnico Nacional https://orcid.org/0009-0001-3979-2477

DOI:

https://doi.org/10.5377/arquitectura.v9i18.19114

Keywords:

Additive-manufacturing, Digitalization, 3D-Print, Stone-cutting, Stereotomy, Vaults

Abstract

The technique of cutting stone into pieces for construction is known as stereotomy. This construction method was developed and perfected over centuries. It has been recorded in some construction treatises, such as those by Philibert de l’Orme or Alonso de Vandelvira, and contributed to the development of descriptive geometry. Today, it is part of traditional architectural construction using stone-cutting, and its application is largely limited to monument restoration. However, stereotomy remains a challenging technique due to its practical difficulty. For the past couple of decades, it has regained interest in architectural research with the implementation of digital techniques such as CAD-CAM, evolving into what is now known as digital stereotomy. The aim of this research was to identify how to digitally model and fabricate a scaled groin vault using low-cost additive manufacturing processes. To achieve this goal, a groin vault was first digitally modeled, transferring its digital breakdown from CAD software, and then executing a digital manufacturing plan. For manufacturing, an additive method was used through Fused Deposition Modeling (FDM) with polylactic acid (PLA) filament. This study is useful for understanding a type of construction with a representative number of examples and has applications in contemporary architectural construction.

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Author Biographies

Luis Carlos Cruz-Ramírez, Laboratorio de Patrimonio Arquitectónico, Escuela Superior de Ingeniería, Unidad Tecamachalco, Instituto Politécnico Nacional, México.

Arquitecto por la Universidad Nacional de Ingeniería (UNI RUSB), Managua, Nicaragua (2004-2009). Maestro (2012-2015) y Doctor en Ciencias en Arquitectura y Urbanismo (2016-2018), por la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Unidad Tecamachalco (ESIA, TEC), del Instituto Politécnico Nacional (IPN). Posdoctorado en Desarrollo de Tecnologías para la Gestión del Riesgo de Inundaciones ante el Cambio Climático por IPN, University of Edinburgh y Heriot-Watt University (2019-2022). Realizó estancia de investigación en la Università degli “G. d'Annunzio”, Pescara, Abruzzo, Italia, para estudiar Integraciones Contemporáneas en Contextos Históricos (2017). Elaboró proyectos ejecutivos para DIARSA (2010-2012) y Video Mapping para Managua-LAB (2011-2012). Desde 2022 es Coordinador de Laboratorios de Posgrado de la ESIA TEC del IPN. 

Gerardo Tomihuatzi Rivas-González, Laboratorio de Patrimonio Arquitectónico, Escuela Superior de Ingeniería, Unidad Tecamachalco, Instituto Politécnico Nacional, México.

Estudiante de la licenciatura en Ingeniería Arquitectura, Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Unidad Tecamachalco (ESIA, TEC), del Instituto Politécnico Nacional (IPN). Suma siete años de experiencia en fabricación digita con FDM y cuatro años en programación con arduinos. Desde mayo de 2024, participa en el Laboratorio de Posgrado en IPN ESIA TEC, donde ha colaborado en la elaboración de revisión de literatura sobre estabilidad de bóvedas. En su estancia en el laboratorio, ha realizado actividades asociadas con la fabricación digital con PLA Y ABS, así como el desarrollo de instrumentación de soporte experimentales para la identificación de agrietamiento de bóvedas. Sus áreas de interés son la fabricación digital, electrónica, programación, modelado 3D y arquitectura paramétrica.

Jorge Fernando Zárate-Martinez, Laboratorio de Posgrado, Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura, Unidad Tecamachalco, Instituto Politécnico Nacional

Licenciado en Psicología Social por la UAM-Iztapalapa, Ciudad de México (1980-1986), Egresado de la Maestría en Psicología Universidad Iberoamericana (1987-1990). Docente del Instituto Politécnico Nacional (IPN), México de 1977-1991 y de 2006- a la actualidad. Además es docente a nivel licenciatura en la Universidad Iberoamericana, y en la Universidad Latinoamericana. Es Presidente de la Academia de inglés, en la Escuela Superior de Ingeniería y Arquitectura Unidad Tecamachalco (ESIA TEC) del IPN. Es coordinador de Movilidad e Internacionalización del Posgrado de ESIA TEC del IPN. Es director de AB Center Inglés. Speaking Examiner para Cambridge University (Cambridge English Assessment), en niveles pre-A1, A1, A2, B1, B2, C1 y BEC Preliminary (B1 business).

References

Autodesk, Inc. (2022). Autodesk AutoCAD 2023 Educational version [Computer software]. Obtenido de https://www.autodesk.com/education/edu-software/overview

Calvo López, J. (2002). Superfiies regladas desarrollables y alabeadas en los manuscritos españoles de cantería. IX Congreso Internacional de Expresión Gráfica Arquitectónica. Re-visión: Enfoques en docencia e investigación, (págs. 337-342).

Cavaliere, I., & Graziano, A. V. (2024). 3d Printing Stereotomy: Two Case Studies. En S. Gabriele, A. M. Bertetto, F. Marmo, & A. Micheletti (Edits.), Shell and Spatial Structures (Vol. 437, págs. 416-426). Cham: Springer Nature Switzerland. https://doi.org/https://doi.org/10.1007/978-3-031-44328-2_43

Creality. (2024). Creality Print (5.1.4) (Computer Software). Obtenido de https://www.creality.com/pages/download-software

D'Aviler, A.-C. (1691). Explication Des Termes D'architecture. Paris: Langlois.

de l’Orme, P. (1567). Le premier tome de l’architecture. Paris. Obtenido de https://gallica.bnf.fr/ark:/12148/bpt6k85636g

Fallacara, G. (2006). Digital stereotomy and topological transformations: reasoning about shape building. In Proceedings of the second international congress on construction history, (págs. 1075-1092). Obtenido de https://www.arct.cam.ac.uk/system/files/documents/vol-1-1075-1092-fallacara.pdf

Fallacara, G., & & Barberio, M. (2018a). Stereotomy 2.0: The Rebirth of a Discipline that Never Died. Nexus Network Journal, 20(3), 509-514. https://doi.org/https://doi.org/10.1007/s00004-018-0408-6

Fallacara, G., & Gadaleta, R. (2021). Stereotomy: Architecture and Mathematics. En B. Sriraman (Ed.), Handbook of the Mathematics of the Arts and Sciences (págs. 1325-1344). Cham: Springer International Publishing. https://doi.org/https://doi.org/10.1007/978-3-319-57072-3_85

Fernando, S., Saunders, R., & Weir, S. (2015). Surveying sterotomy: Investigations in arches, vaults and digital stone masonry. Proceedings of the ARCC 2015 Conference (págs. 82-89). Perkins+Will; Architectural Research enters Consortium.

Fletcher, B., & Fletcher, B. F. (1905). Romanesque Vaulting. Craftsman and Amateur. En B. Fletcher, & B. F. Fletcher, A history of architecture on the comparative method. (5th Edition ed., pág. 284). London: B. T. Batsford.

Gadaleta, R. (2018). New stereotomic bond for the dome in stone architecture. . Nexus Network Journal, 20, 707–722.

Galletti, S. (2017). Stereotomy and the Mediterranean: Notes Toward an Architectural History. Mediterranea. International Journal on the Transfer of Knowledge, 2, 73-120. https://doi.org/https://doi.org/10.21071/mijtk.v0i2.6716

Kontovourkis, O., Tryfonos, G., & Georgiou, C. (2020). Robotic additive manufacturing (RAM) with clay using topology optimization principles for toolpath planning: The example of a building element. Architectural Science Review, 63(2), 105-118. https://doi.org/https://doi.org/10.1080/00038628.2019.1620170

Labonnote, N., Rønnquist, A., Manum, B., & Rüther, P. (2016). Additive construction: State-of-the-art, challenges and opportunities. Automation in Construction, 72(347-366). https://doi.org/https://doi.org/10.1016/j.autcon.2016.08.026

Millán-Millán, P. M., Chacón-Carretón, C., & Castela González, C. (2023). The process of digital fabrication and 3D printing as a tool in the study of heritage pathologies: Carcabuey Castle (Cordoba). Virtual Archaeology Review, 14(28), 81-94. https://doi.org/https://doi.org/10.4995/var.2023.18213

Neumüller, M., Reichinger, A., Rist, F., & Kern, C. (2014). 3D Printing for Cultural Heritage: Preservation, Accessibility, Research. En M. Ioannides, & E. Quak, 3D Research Challenges in Cultural Heritage (págs. 119-134). Springer.

Rabasa, E. (2013). Estereotomía: Teoría y práctica, justificación y alarde. Informes de la Construcción, 65((Extra-2)), 5-20. https://doi.org/https://doi.org/10.3989/ic.13.014

Rippmann, M., & Block, P. (2011). Digital Stereotomy: Voussoir geometry for freeform masonry-like vaults informed by structural and fabrication constraints. Conference: Proceedings of the IABSE-IASS Symposium 2011. London.

Sakarovitch, J. (2003). Steroromy, a multifaceted techniques. Proceedings of the First International Congress on Construction History (págs. 69-79). Madrid: I. Juan de Herrera, SEdHC, ETSAM.

Sanabria, S. L. (1989). From Gothic to Renaissance Stereotomy: The Design Methods of Philibert de l’Orme and Alonso de Vandelvira. Technology and Culture, 30(2), 266-299. https://doi.org/https://doi.org/10.1353/tech.1989.0092

Tümer, E. H., & Erbil, H. Y. (2021). Extrusion-Based 3D Printing Applications of PLA Composites: A Review. Coating, 11(390). https://doi.org/https://doi.org/10.3390/coatings11040390

Ultimaker. (2024). Cura (5.6) [Computer software]. Obtenido de https://ultimaker.com/software/ultimaker-cura/

Varela, P. D., & Sousa, J. P. (2017). Fabricating Stereotomy. ACAADe 35. Rome.

Žujović, M., Obradović, ,. R., Rakonjac, I., & Milošević, J. (2022). 3D Printing Technologies in Architectural Design and Construction: A Systematic Literature Review. Buildings, 12(1319). https://doi.org/https://doi.org/10.3390/buildings12091319

Published

2024-12-13

How to Cite

Cruz-Ramírez, L. C., Rivas-González, G. T., & Zárate-Martinez, J. F. (2024). Digital Stereotomy and additive manufacturing to groin vault fabrication in scale model. Architecture + Journal, 9(18), 163–184. https://doi.org/10.5377/arquitectura.v9i18.19114

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