یک الگوریتم جدید مبتنی بر NURBS با فراهم کردن شکلیابی (form-finding) سریعتر، نرمتر و انعطافپذیرتر، در حال ایجاد انقلابی در طراحی شبکهپوستهها (gridshells) است. آنچه زمانی به ۹۰ ساعت زمان GPU (واحد پردازش گرافیکی) نیاز داشت، اکنون تنها در ۹۰ دقیقه بر روی یک CPU (واحد پردازش مرکزی) استاندارد انجام میشود که مسیرهای معماری جسورانهای را باز میکند.
روشی سریعتر برای شکل دادن به سازههای سبک با فرم آزاد
یک محقق در دانشگاه توکیو و یک مهندس سازه مستقر در ایالات متحده، روش محاسباتی جدیدی را برای شکلیابی توسعه دادهاند که احتمالاً تأثیر قابلتوجهی بر نحوه طراحی سازههای بزرگ و سبک معماری خواهد داشت. این رویکرد برای شبکهپوستهها طراحی شده است، که عبارتند از سطوح نازک و منحنی که از شبکهای از اعضای ساختاری متقاطع تشکیل شدهاند. تکنیک آنها متکی بر سطوح NURBS است، یک قالب سطح دیجیتال آشنا در طراحی به کمک کامپیوتر (CAD) که میزان محاسبات مورد نیاز را به شدت کاهش میدهد. فرآیندی که قبلاً به ۹۰ ساعت بر روی یک GPU رده بالا نیاز داشت، اکنون تقریباً در ۹۰ دقیقه بر روی یک CPU استاندارد به پایان میرسد.
معماران اهمیت زیادی به سطوحی میدهند که بتوانند وزن خود را تحمل کنند. بسیاری از سازههای بصری چشمگیر در دسته پوستهها (shells) قرار میگیرند، که به طور سنتی از بتن مسلح ساخته میشدند. با این حال، امروزه طراحان به دلیل هزینه، ضایعات و علاقه فزاینده به مواد شفافتر یا جذابتر بصری مانند شیشه، در تلاش برای محدود کردن استفاده از بتن هستند. این تغییر، اکتشاف گستردهتر شبکهپوستهها را تشویق کرده است؛ این سازهها از منحنیهای متقاطع ساخته شده از فلز، شیشه یا چوب برای پوشش دادن فضاهای بزرگ بدون نیاز به تکیهگاههای داخلی استفاده میکنند.
چرا شبکهپوستهها برای فضاهای عمومی بزرگ جذاب هستند؟
سازههای شبکهپوسته برای پوشاندن فضاهای داخلی گسترده بدون ستون به خوبی کار میکنند. آنها در مکانهایی مانند ورودی ایستگاههای قطار، حیاطهای بازسازیشده در ساختمانهای تاریخی، و میدانهای عمومی روباز دیده میشوند. نمونههای شناختهشده شامل حیاط بزرگ موزه بریتانیا، سقف شیشهای موزه دریانوردی هلند و تالار قطار موینیهان در نیویورک هستند. در حالیکه این پروژهها نشان میدهند که شبکهپوستهها چقدر میتوانند مؤثر باشند، طراحان فاقد یک روش محاسباتی استانداردشدهای بودند که بتواند طیف کاملی از اشکالی را که مایل به تولیدشان هستند، مدیریت کند.
ماساآکی میکی از دانشگاه توکیو و توبی میچل از شرکت مهندسی Thornton Tomasetti در ایالات متحده، بر روی تکنیکی همکاری کردهاند که آزادی بسیار بیشتری در شکل دادن به این سازهها ارائه میدهد. الگوریتم آنها هندسه بهینه را برای شبکهپوستهها شناسایی میکند، حتی زمانیکه فرم کلی بسیار پیچیده باشد، در عین حال که پایداری سازهای را حفظ میکند.
حذف موانعی که زمانی طراحی شبکهپوسته را محدود میکرد!
اگرچه شبکهپوستهها قبلاً ساخته شدهاند، اما محدودیتهای هندسی، سازهای، ساخت و ساز و اجرایی مربوط به آنها، این نوع سازهها را برای بسیاری از کارفرمایان غیرواقعی کرده بود. میکی و میچل پیش از این یک رویکرد مبتنی بر NURBS را معرفی کرده بودند که بسیاری از این مشکلات را در یک چارچوب محاسباتی واحد حل میکرد. با این حال، دو مانع باقی مانده بود: روش قبلی آنها با اشکال بسیار نامنظم مشکل داشت، و زمان محاسبات مورد نیاز برای استفاده عملی بیش از حد طولانی بود. نسخه جدید هر دو مشکل را حل میکند، یک گردش کار (workflow) کارآمدتر و در دسترستر ایجاد میکند و به طراحان بسیار بیشتری اجازه میدهد تا با شکلیابی پیشرفته شبکهپوسته درگیر شوند.
میکی گفت:
پروژه در سال ۲۰۲۰ با علاقهای به سازههای پوستهای، که اغلب از بتن ساخته میشوند، آغاز شد. طراحیهای سنتی به دنبال اشکالی هستند که وزن خود را به طور کامل از طریق نیروی فشار (compression) تحمل کنند، اما این امر میزان بیانگری یا حجمی بودن آنها را محدود میکند. ما تصمیم گرفتیم راههای جدیدی برای طراحی پوستهها پیدا کنیم که نیروهای فشار و همچنین کشش (tension) را در نظر بگیرند و آزادی طراحی بیشتری را فراهم سازند. ما رویکرد خود را با شبکهپوستههای مدرنتر فلزی-شیشهای سازگار کردیم و روشهایی را برای تعادل بین قابلیت اطمینان مکانیکی، زیباییشناسی و سهولت ساخت و ساز توسعه دادیم. پیشرفتهای اخیر در سرعت محاسباتی، حل چنین شرایط پیچیدهای را با استفاده از روشهای دقیق ممکن ساخته است.
کار مستقیم با سطوح NURBS برای ادغام بهتر گردش کار
یکی از نقاط قوت کلیدی روش بهروز شده این است که مستقیماً بر روی سطوح NURBS کار میکند. مدلسازی سنتی مبتنی بر مش (mesh) بر هزاران عنصر مثلثی متکی است، اما NURBS نمایشی صاف، پیوسته و بسیار دقیق از سطح را فراهم میکند. آنها همچنین بهطور گستردهای در طراحی معماری استفاده میشوند. محققان تکنیک خود را به عنوان یک پلاگین در Rhinoceros، یک پلتفرم CAD متمرکز بر NURBS که معمولاً استفاده میشود، ادغام کردند. این یکپارچهسازی به معماران اجازه میدهد تا این روش را راحتتر در عمل روزمره خود به کار گیرند.
مفهوم اصلی پشت این روش، ثبت توزیع تنش با استفاده از یک سطح NURBS به همراه الگوریتمهای جدیدی است که سرعت محاسبات را ۹۸٪ بهبود میبخشند. این کارایی نیاز به GPUهای رده بالا را از بین میبرد و مسیری در دسترستر برای تولید شبکهپوستههایی فراهم میکند که هم الزامات هندسی و هم ساختاری را برآورده سازند. اشکال حاصل در برابر جاذبه پایدار باقی میمانند و از ساخت و ساز فلزی-شیشهای که ساخت آن عملی است، پشتیبانی میکنند.
میکی گفت:
از آنجاییکه ما در حال رسیدگی به یک مشکل دنیای واقعی هستیم، راهحلهای خود را با چندین روش آزمایشی که ما نیز توسعه دادهایم، به دقت اعتبارسنجی کردهایم. وقتی آزمایشها نشاندهنده شکستهایی در روش بودند، استرسزا بود. با این حال، اکنون کاملاً خوشحالیم زیرا همه راهحلها از آزمایشها عبور میکنند.
گسترش روش فراتر از طراحیهای فلزی-شیشهای
اگرچه کار کنونی بر روی شبکهپوستههای فلزی-شیشهای متمرکز است، تیم قصد دارد در آینده این روش را به شبکهپوستههای چوبی کامپوزیت نیز گسترش دهد.
منبع: Scitechdaily
