Architecture of phase transitions

Abstract

In this thesis I´m exploring a way of using thermodynamics, more specifically the solid-liquid phase transition of water as a means of architectural expression. The purpose is to have architecture which changes dynamically as seasons change.

First, a system utilizing conical buoys as dynamic actuators is laid out. Here a rigorous examination of freezing physics involved plays a critical part. Therefore a substantial part of the thesis is reserved for the treatment of physics. These buoys are moving up or down when water freezes or thaws, thus reconfiguring the geometry in a predictable manner. This lays a foundation for a thermodynamically driven physics-machine. After treating the physics, a mechanical system using these buoys as a part of a platform system is devised. This platform system will form a functional system for the actual design proposal.

Finally, I will present a design intervention located in Naantali old town harbour area. This intervention is a floating urban waterfront promenade which has two aims. The first aim is to provide a new way of experiencing the place and the change of seasons in an archipelago setting. The structure reacting to phase transitions is amplifying the experience of them and thus making these natural phenomena more visible. The second aim is to socially activate the area in various ways. The shape-shifting characteristics of the design also change the character of social urban activity on different seasons.

The concept of using conical buoys has a lot of potential to it. The freezing is able to provide displacements of over 1.5 meters which is more than adequate for architectural expression. To develop the concept further, there is a large potential in using different geometry types for the execution of this transformation. The actual design intervention is just one example of applying this mechanism but it could be used in other contexts as well.

Tässä tutkielmassa tutkin tapaa käyttää termodynamiikkaa, täsmällisemmin veden neste-kiinteä -faasimuutosta, arkkitehtonisen ilmaisun välineenä. Tarkoituksena on tuottaa arkkitehtuuria, joka muuttuu dynaamisesti vuodenaikojen vaihtelun mukaan.

Ensin laaditaan järjestelmä, jossa käytetään kartion muotoisia poijuja dynaamisina liikuttimina. Tässä kohtaa on tarpeen käsitellä aiheeseen liittyvää fysiikkaa perinpohjaisesti. Tämän vuoksi huomattava osa tutkielmasta on varattu fysiikan tarkasteluun. Nämä poijut liikkuvat ylös tai alas veden jäätyessä tai sulaessa, järjestäen geometrian näin uusiksi ennakoitavalla tavalla. Tämä antaa perustan termodynaamisesti toimivalle fysiikkakoneelle. Fysiikan tarkastelun jälkeen laaditaan mekaaninen järjestelmä, joka käyttää näitä poijuja osana laiturijärjestelmää. Tämä laiturijärjestelmä muodostaa toiminnallisen kokonaisuuden, jota käytetään varsinaisessa suunnitteluehdotuksessa.

Lopulta esittelen suunnitelman, joka sijoittuu Naantaliin vanhan kaupungin sataman alueelle. Tämä suunnitelma on kelluva urbaani rantapromenadi, jolla on kaksi tavoitetta. Ensimmäinen tavoite on antaa kävijälle uudenlainen tapa kokea paikka, ja vuodenaikojen vaihtelu, saaristoympäristössä. Rakenteen reagoiminen faasimuutoksiin, vahvistaa niiden kokemista, ja tekee näin tämän luonnonilmiön näkyvämmäksi. Toinen tavoite on aktivoida aluetta sosiaalisesti eri tavoin. Suunnitelman muotoa muuttavat ominaisuudet muuttavat myös sosiaalisen kaupunkielämän luonnetta eri vuodenaikoina.

Kartion mallisten poijujen käyttämisessä on konseptina paljon potentiaalia. Jäätyminen pystyy tuottamaan jopa yli 1,5 metrin suuruisia siirtymiä, mikä on enemmän kuin riittävästi arkkitehtonista ilmaisua silmälläpitäen. Konseptin jatkojalostukselle on löytyy valtavasti potentiaalia erilaisista geometriatyypeistä, joilla saataisiin eri tyyppisiä muodonmuutoksia aikaiseksi. Varsinainen suunnitelma on vain yksi tällainen esimerkki juuri tämän mekanismin soveltamisesta, mutta tätä voitaisiin soveltaa myös muissa ympäristöissä.