Tectonics Tessellation: Ceramic Structural Surfaces 

Matías IMBERN1, Felix RASPALL2, Qi SU3  

 1 Master in Design Studies Candidate. Harvard Graduate School of Design. 

2 Doctor of Design Student. Harvard Graduate School of Design. 

3 Master in Design Studies Candidate. Harvard Graduate School of Design. 

 

 

Abstract:  

Structural surfaces are extremely efficient in the use of materials and have a unique expressive quality. 

However, complicated manufacturing involving expensive formworks, excessive waste and intensive 

hand‐labor, turned into major limitation as labor cost augmented, environmental issues became 

evident and craft skills diminished. Today, digital tools for design and fabrication, allowing fast and 

precise study of complex‐form structures and automation of construction and assembly, may give new 

light to structural surfaces. This research proposes a construction process for ceramic shells that 

reduces the requirements of formworks, on‐site work and waste production. The process involves a 

two‐step fabrication including off‐site panel manufacturing and on‐site assembly. Construction system 

consists of two interlocking triangular ceramic pieces that provide compression resistance and a 

delicate inner surface finish, embedded in a thin reinforced concrete layer. The paper describes 

background research, the proposed construction process, methodology, results and conclusions. 

 

Introduction 

Structural surfaces have always been admired due to their lightness, finishing quality and material‐

efficiency. When compared to concrete shells, the use of ceramics for structural surfaces proved more 

suitable for certain scenarios, taking advantage of lower weight and cost of ceramics elements, 

reduced need for reinforcement, and the unique quality of its finishing (Fig.1).  

After a period of development with milestones in the work of Guastavino and Dieste[1], ceramic 

structural surfaces became unaffordable and their use is today almost inexistent [2]. The main reasons 

for their decay include expensive formworks (Fig.2), intensive hand‐labor, and need for skilled 

craftsmanship [3].  Today, digital tools for design and fabrication may reduce the impact of these 

factors and make ceramic structural surfaces a feasible option in architectural design again [4]. 

Applications of digital tools proved useful in the reintroduction of catalan vaulting by Ochsendorf, as a 

means to study the form and structural behavior [5], and in fabrication experiments on masonry at 

ETH. However, these studies merely cover compression only surfaces and in some cases still rely on 

intensive hand‐labor.  

 

Fig.1. Rafael G

Tessellated

The researc

formworks 

finishing. It 

ceramic pan

allows fabri

reducing th

lowering th

dozens of p

in more det

conclusions

 

Manufactur

The main ce

which were

reinforceme

accepts a ro

from flat to 

Guastavino. De

 Structural C

ch proposes 

and on‐site 

differs from

nels in digita

cation of ce

e requireme

e number of

anels‐, and t

tail the prop

s. 

ring of pane

eramic comp

 designed to

ent and conc

otation of +/

anticlastic. 

licate Interior 

Ceramic She

a new const

construction

m previous m

al fabrication

ramic panel

ents of skille

f elements in

the complex

osed fabrica

els 

ponents of t

o create a co

crete casting

/‐ 17°, and it

 

Finishing.

ells 

truction proc

n, while pres

methods by d

n shop and s

s in a contro

d hand labo

nvolved in th

xity of scaffo

ation sequen

he proposed

ontinuous ce

g on the oth

s grouping a

Fig.2

with 

cess for cera

serving the b

dividing fabri

implified on

olled environ

r. On‐site as

he assembly

olding. The fo

nce, the rese

d system are

eramic surfac

er side. The 

allows for su

2. Eladio Dieste

complex reusa

amic shells t

benefits of li

ication into t

n‐site assemb

nment using

ssembly, the

y –from thou

ollowing sec

earch metho

e two interlo

ce on one si

interlocking

rfaces with 

e. Construction

able formwork

hat reduces 

ightness and

two‐steps: m

bly. Paneliza

 precise CNC

erefore, is sig

usands of bri

ctions of this

odology, prot

ocking triang

de and prov

g detail of th

different typ

 

 process 

ks. 

the require

d delicate int

manufacturin

ation of the s

C equipment

gnificantly si

icks and reb

s paper will p

totypes, res

gular pieces (

vide space fo

he two piece

pes of curvat

ments of 

terior 

ng of 

structure 

t, 

implified, 

ars to 

present 

ults and 

(fig.3), 

or steel 

es 

ture 

Fig.3. Geomet

 

The pieces a

shop enviro

1. Crea

the 

conc

milli

2. Plac

3. Lying

Fig.4. Typical a

 

try of main Cer

are combine

onment using

ation of the c

requirement

crete. Two a

ng (fig.5a) a

ement of th

g of reinforc

arrangement o

ramic Compon

ed into pane

g a CNC robo

curved form

ts for this fo

lternative re

and pin‐syste

e ceramic p

cement bars

of ceramic elem

ents. 

ls, sections o

otic arm. Fa

m where the 

ormwork are

eusable form

em (fig.5b) 

ieces using a

 and casting

ments and deta

of a complet

brication fol

pieces will s

e less deman

mworks were

a robotic arm

g of concrete

ailed section.

te shell, whi

llows this se

it. Because t

nding than fo

e studied an

m over the fo

e between th

ch are produ

quence:  

the pieces a

ormwork for

nd tested: Co

orm. 

he ceramic p

uced in a co

re already fi

r reinforced 

ompressed s

pieces.  

 

 

ntrolled 

inished, 

and 

Fig.5a. Compr

 

Assembly S

Once panels

their finals p

structural a

logic as piec

rebars on ea

not reach th

continuous 

structure. F

concrete th

 

Fig 6a. Simple 

receive the se

 

 

ressed Sand Mi

equence 

s are finishe

position on‐

nd visual co

ce to piece in

ach panel ex

he edges (fig

reinforceme

ig. 4 shows a

at is casted 

 scaffolding on

elf‐supporting p

illing Test 

d, they beco

site (fig.6a t

ntinuity to t

nterlocking, 

xtend and th

g.7). Finally, 

ent ‐and pot

a typical arra

on‐site. 

 

n site to 

panels. 

ome self‐sup

o 6c). Three

he whole sh

leaving no g

hey fit on the

a second lay

tentially pos

angement o

Fig 6b. Light eq

place the pane

 

Fig.5b.

pporting com

e strategies f

hell. First, the

gap and crea

e adjacent p

yer of reinfo

t tensioning

of the pieces,

quipment nece

els (weight < 2

Pin System Te

mponents. Th

for interlock

e lips on adj

ating the spa

panel, as con

orced concre

g‐, adding co

, including t

 

essary to 

00kg).  s

s

st.

hey are deliv

ing of the pa

acent panel

ace for conc

ncrete layer o

ete is casted 

hesiveness a

he second la

Fig.6c. Comple

second layer o

site. 

vered and p

anels provid

s follow the 

rete casting.

on the pane

on site, allo

and resistan

ayer of reinf

ete cohesive sh

of reinforced ca

 

laced on 

e 

same 

. Second, 

l does 

wing for 

ce to the 

orced 

 

hell, with 

asted on‐ 

 

Computatio

Design, eva

of several d

machine‐co

 

Prototypes 

Several prot

proof of con

this paper. F

laying of reb

concrete. Fi

supporting 

this constru

on and digita

luation and 

igital tools, 

ode generatio

totypes of ce

ncept. A fina

Fig 8. shows

bars, casting

ig.9a and 9b

capacity. Fig

uction system

al fabricatio

fabrication u

including Rh

on.  

eramic piece

al full‐scale p

s the assemb

g of first laye

b reveal the d

g 9a also incl

m. 

on 

using this co

hinoceros an

es, formwor

prototype te

bly sequence

er of concret

delicate finis

ludes other 

 

onstruction s

nd Grasshop

rks, concrete

ested the com

e including t

te, panel inte

shing achiev

experiments

Fig.7.

layer,

concr

system requ

per for form

e casting and

mplete cons

he milled fo

erlocking an

ed in the fin

s realized th

 Interlocking o

, showing the a

rete that allow

ired the use

m finding, sur

d panel conn

truction seq

rmwork, rob

nd second lay

nal prototype

roughout th

of first reinforc

areas of panels

ws overlapping o

e and custom

rface subdiv

nections serv

quence descr

botic placem

yer of reinfo

e, as well as 

he developm

ement 

s without 

of rebars. 

mization 

ision and 

ved as a 

ribed by 

ment, 

orced 

the self‐

ment of 

Fig.8. Final Pro

 

Fig.9a. Exhibit

 

Conclusions

This study s

reinforced c

need for ski

The final pro

past, can be

There is sign

operational

essential to

ototype Assem

tion on Final Pr

s and limitat

shows an init

ceramic stru

illed hand la

ototype also

e achieved to

nificant deve

. First, a rigo

 support thi

mbly Sequence.

resentation. 

tions 

tial feasibilit

ctural shells

bor, on site 

o proves tha

oday (fig.2). 

elopment to

orous structu

s constructio

. 

 

Fig.9

ty of the pan

s. It confirms

workload an

t a unique fi

 

o be done to 

ural analysis

on method.

9b. Detail of th

nelization an

s that the pr

nd proposes

inishing usin

this constru

s of both the

Second, sev

he final prototy

nd CNC fabric

roposed cons

s two alterna

ng ceramics, 

uction system

e panels and 

veral fabricat

ype

cation as an 

struction sys

atives to con

which seem

m in order to

the comple

tion issues t

alternative 

stem can red

nventional fo

ms to be lost 

o become fu

te structure

hat arouse t

 

 

for 

duce the 

ormwork. 

in the 

ully 

e is 

through 

prototyping needs to be adjusted: geometry of the ceramic pieces and the procedure for bending and 

lying of rebars and pouring of concrete. Finally, the on‐site assembly sequence, which includes 

transportation, placement, scaffolding and second layer of reinforced concrete, requires in‐depth 

development. 

 

Acknowledgements 

This paper presents the results of a project for the course 9429 Material Processes and Systems: 

Ceramic LAB, taught by Martin Bechthold and Jonathan King at the Graduate School of Design at 

Harvard University. Their input and guidance were essential for the development of this project. All 

ceramic components were developed and fabricated at the Ceramic Program at Harvard, with 

valuable and generous assistance of Shawn Panepinto and Cathy Moynihan. For programming in all 

areas including form‐finding, surface discretization, machine code, contribution and support by 

Panagiotis Michalatos were of crucial importance.  

 

References 

[1]  Collins,  G.R.  1968,  “The  Transfer  of  Thin  Masonry  Vaulting  from  Spain  to  America”,  Journal  of  the  Society  of Architectural   [2]  Ochsendorf,  J.A.  &  Freeman, M.,  1945  ‐  2010,  Guastavino  vaulting:  the  art  of  structural  tile,  1st  edn,  Princeton Architectural Press, New York.  [3] Anderson, S. & Dieste, E., 1917‐2000. 2004, Eladio Dieste:  innovation  in structural art, Princeton Architectural Press, New York.   [4] Bechthold, M. 2008,  Innovative  surface  structures:  technologies and applications, Taylor & Francis, Abingdon, Oxon; New York.  [5] Ramage, M.,  J. Ochsendorf, P. Rich,  J. Bellamy, and P. Block. "Design and Construction of the Mapungubwe National Park Interpretive Centre, South Africa." ATDF JOURNAL 7, no. 1/2 (2010).