FORMA E STRUTTURA - PERCORSI DI OTTIMIZZAZIONE STRUTTURALE

The relationship between architectural shape and structural system is a central topic in the science of construction and architectural design. In contemporary practice, this relationship is often addressed through fragmented approaches, leading to a loss of structural efficiency or formal coherence. This thesis investigates the integration of shape and structure by adopting structural optimization as a methodological tool capable of guiding the design process from its earliest stages, overcoming the traditional separation between formal conception and engineering verification. After a theoretical and historical overview of the evolution of structural systems and their relationship with architectural shape, the research focuses on the main methods of structural optimization aimed at identifying mechanically efficient configurations under given constraints. Approaches based on isostatic lines, form-finding techniques, and numerical and topological optimization are examined, highlighting how material distribution can be related to the flow of principal stresses. In this framework, optimization is interpreted not merely as a strategy for reducing weight or structural dimensions, but as a cognitive process that clarifies the relationship between geometry, structural behavior, and material use. The applied section presents the design of a roof structure for the redevelopment of Piazza Mercato in Montegrotto Terme, developed as a case study. Through load definition, parametric modeling, and geometric and material optimization, different structural configurations—derived from both isostatic analysis and generative design approaches—are compared and evaluated in terms of structural performance, stress distribution, deformability, and efficient use of material. The results highlight how the integration of principles from the science of construction, advanced computational tools, and architectural design can lead to solutions that are both structurally efficient and formally coherent, confirming the guiding role of engineering in the generation of architectural shape.

Il rapporto tra forma architettonica e struttura rappresenta un tema centrale nella scienza delle costruzioni e nel progetto architettonico, ma nel contesto contemporaneo risulta spesso affrontato attraverso approcci separati, con conseguente perdita di efficienza strutturale o di coerenza formale. La presente tesi analizza tale relazione assumendo l’ottimizzazione strutturale come strumento metodologico capace di guidare il processo progettuale fin dalle fasi iniziali, superando la tradizionale dicotomia tra concezione formale e verifica ingegneristica. Dopo un inquadramento teorico e storico sull’evoluzione dei sistemi strutturali e sul loro rapporto con la forma, dall’arco e dalle strutture murarie storiche fino alle sperimentazioni ottocentesche e contemporanee, il lavoro approfondisce i principali metodi di ottimizzazione strutturale, intesi come processi di ricerca della configurazione meccanicamente più efficiente a parità di vincoli. Vengono analizzati approcci basati su linee isostatiche, su modelli fisici di form-finding, su calcoli manuali e su strumenti di ottimizzazione numerica e topologica, evidenziando come la distribuzione del materiale possa essere ricondotta al flusso delle tensioni principali. In questa prospettiva, l’ottimizzazione non è intesa come semplice riduzione di peso o di sezione, ma come metodo conoscitivo che consente di rendere esplicito il legame tra geometria, comportamento strutturale e impiego della materia. Particolare attenzione è rivolta al design parametrico e all’uso del metodo degli elementi finiti (FEM) come strumenti integrati di analisi e progetto, nonché ai processi di progettazione generativa, nei quali la forma emerge come esito di criteri prestazionali e vincoli strutturali prefissati. La parte applicativa si sviluppa attraverso il progetto di una struttura di copertura per la riqualificazione di Piazza Mercato a Montegrotto Terme, oggetto di un concorso di progettazione affrontato poi come caso studio. Il progetto viene analizzato mediante un percorso che comprende la definizione dei carichi, la parametrizzazione del sistema strutturale, l’ottimizzazione geometrica e materica e la comparazione di differenti configurazioni, incluse soluzioni derivate dall’analisi delle linee isostatiche e da algoritmi di generative design. Le diverse proposte vengono valutate in termini di comportamento strutturale, distribuzione delle sollecitazioni, deformabilità e uso efficiente del materiale. I risultati evidenziano come l’integrazione tra principi della scienza delle costruzioni, strumenti computazionali avanzati e progetto architettonico consenta di ottenere soluzioni strutturalmente efficienti e formalmente coerenti, confermando il ruolo dell’ingegneria come disciplina capace di guidare, e non solo verificare, la forma architettonica.