Новый метод проектирования гридшеллов: архитектурная свобода

Исследователи из Токийского университета в сотрудничестве со структурным инженером из США представили инновационный вычислительный метод поиска формы, который способен революционизировать проектирование лёгких и свободно-форменных конструкций для больших пространств. Особое внимание уделено созданию гридшеллов – тонких изогнутых поверхностей, образованных сеткой из элементов.

Разработка активно использует NURBS-поверхности – стандартный формат представления поверхностей в системах автоматизированного проектирования (САПР). Это позволило значительно сократить вычислительные затраты: задача, ранее занимавшая до 90 часов на мощной графической станции, теперь выполняется всего за 90 минут на обычном центральном процессоре.

Архитекторы всегда уделяли пристальное внимание поверхностям, способным самостоятельно нести нагрузку. Традиционно для создания эстетически привлекательных оболочечных конструкций использовался железобетон.

Однако современные тенденции в архитектуре направлены на сокращение использования бетона из-за его стоимости и образования отходов, а также на применение более привлекательных материалов, например, стекла. Это стимулирует интерес к гридшеллам – конструкциям, собранным из пересекающихся изогнутых секций металла, стекла или дерева, перекрывающих большие пролёты без внутренних опор.

Гридшеллы в современной архитектуре

Гридшеллы идеально подходят для перекрытия больших общественных пространств, таких как вестибюли вокзалов, реконструированные внутренние дворы исторических зданий и городские площади, обходясь без внутренних колонн. Примерами могут служить Great Court в Британском музее, стеклянная крыша Нидерландского морского музея и Moynihan Train Hall в Нью-Йорке.

Несмотря на впечатляющий потенциал, до сих пор отсутствовали стандартизированные вычислительные методы, способные эффективно работать со всем спектром форм, которые могут пожелать архитекторы-дизайнеры.

Прорыв в методах вычислительного проектирования

Новая методика преодолевает эти ограничения, предлагая более доступный и эффективный процесс проектирования. Это открывает возможности для применения продвинутых методов поиска формы гридшеллов более широкому кругу специалистов.

«Проект начался в 2020 году с интереса к оболочечным конструкциям, часто изготавливаемым из бетона. Традиционные подходы ориентированы на формы, которые несут всю нагрузку исключительно за счёт сжатия, что ограничивает их выразительность и скульптурность», — поясняет Масааки Мики.

«Мы стремились найти новые способы проектирования оболочек, учитывая как силы сжатия, так и растяжения, что обеспечивает большую свободу дизайна. Мы адаптировали наш подход к более современным металлическим и стеклянным гридшеллам, разработав методы для балансировки механической надёжности, эстетики и простоты возведения. Современные достижения в области вычислительных мощностей сделали возможным решение столь сложных задач с использованием строгих методов».

Ключевое преимущество метода заключается в том, что он работает непосредственно с NURBS-поверхностями. В отличие от традиционного полигонального моделирования, использующего тысячи треугольных граней, NURBS обеспечивают плавные, непрерывные и математически точные представления поверхностей. Важно, что NURBS-поверхности являются стандартом в архитектурном проектировании. Команда интегрировала свой метод в популярный пакет САПР Rhinoceros в виде плагина, что упрощает его встраивание в рабочий процесс архитекторов.

Преимущества и будущие применения

Основная идея подхода заключается в представлении распределения напряжений с помощью NURBS-поверхности и применении новых алгоритмов, которые ускоряют вычисления на драматические 98%. Это устраняет необходимость в дорогостоящих графических ускорителях, делая метод более доступным для создания геометрически и механически обоснованных гридшеллов. Кроме того, обеспечивается жёсткость конструкций под действием силы тяжести и создаётся простая в монтаже система из металла и стекла.

«Поскольку мы решаем реальную проблему, мы тщательно валидировали наши решения с помощью разработанных нами тестовых методов», — отмечает Мики. «Было стрессово, когда тесты выявляли недостатки метода. Однако теперь мы полностью удовлетворены, так как все решения успешно проходят испытания».

Хотя текущая работа сосредоточена на металлических и стеклянных гридшеллах, исследователи планируют в будущем распространить метод и на композитные деревянные конструкции.