建築師獲得複雜曲線設計的新超能力
東京大學的一位研究人員和一位駐美國的結構工程師創建了一種計算找形方法，可以重塑建築師和工程師設計輕型和大型結構的方式。他們的方法對於網格殼的開發特別有價值，網格殼是由互連的結構構件網絡形成的薄的彎曲表面。該方法基於 NURBS 曲面（計算機輔助設計 (CAD) 中使用的常見格式），可顯著降低所需的計算能力。曾經在高端 GPU 上需要 90 小時才能完成的任務現在在標準 CPU 上只需大約 90 分鐘即可完成。
建築師高度重視能夠支撐其負載的表面。一些視覺上吸引人的例子被稱為貝殼，傳統上是由鋼筋混凝土製成的。然而，由於混凝土的成本、浪費和缺乏視覺透明度，現代建築師對限制混凝土感興趣。這導致人們對網格殼越來越感興趣，網格殼使用金屬、玻璃或木材的縱橫交錯的彎曲元件來跨越大的無支撐的內部區域。
為什麼 Gridshell 越來越受關注
網格殼非常適合覆蓋沒有柱子的大型公共空間。它們出現在火車站入口、經過修復的歷史庭院和公共廣場。著名的例子有大英博物館的大中庭、荷蘭海事博物館的玻璃屋頂和紐約的莫伊尼漢火車大廳。雖然這些結構展示了網格殼可以實現的功能，但設計人員並不缺乏標準計算工具來有效地處理他們想要構建的各種形狀。
東京大學的 Masaaki Miki 和工程公司 Thornton Tomasetti 的 Toby Mitchell 合作解決了這一空白。他們的新算法確定了支持複雜幾何形狀同時保持結構可靠性的理想網格形狀。
解決網格殼設計中長期存在的挑戰
儘管存在網格殼項目，但各種幾何、機械、製造和施工要求給大多數客戶帶來了困難。 Miki 和 Mitchell 已經推出了一種基於 NURBS 的系統，能夠在計算框架中解決許多此類問題。然而，仍然存在兩個主要限制：前一種方法難以處理非常不規則的形狀，並且所需的計算時間不切實際。更新後的方法消除了這些障礙，創建了更高效的工作流程，並使高級網格殼找形對於大量建築師和設計師來說變得可行。
“該項目於 2020 年開始，對通常由混凝土製成的貝殼結構感興趣。傳統設計尋求完全通過抗壓強度來承載重量的形式，但這限制了它們的表現力或雕塑感，”Miki 說。 “我們開始尋找新的方法來設計外殼，同時考慮壓縮力和張力，從而實現更大的設計自由度。我們將我們的方法調整為更現代的金屬和玻璃網格，開發出平衡機械可靠性、美觀性和易於施工的方法。計算速度的最新進展使得使用嚴格的方法解決此類複雜情況成為可能。”
使用 NURBS 提高精度和速度
新方法的主要優點是它可以直接處理 NURBS 曲面。與使用數千個三角形塊的基於網格的方法不同，NURBS 提供平滑、連續且數學上精確的曲面表示。由於 NURBS 已廣泛應用於建築設計中，因此將該方法集成到現有工作流程中非常容易。研究團隊為 Rhinoceros（一種流行的面向 NURBS 的 CAD 程序）創建了一個插件，允許建築師在流行軟件中使用該方法。
該方法表示 NURBS 曲面上的應力分佈，並使用新開發的算法，將處理速度提高了 98%。這一改進消除了對高端 GPU 的需求，並提供了一種更容易的方式來創建滿足幾何和結構要求的形狀。因此，網狀外殼在重力作用下保持穩定，並支撐易於組裝的金屬和玻璃結構。
“由於我們正在處理現實世界的問題，因此我們通過自己開發的各種測試方法嚴格驗證了我們的解決方案，”Miki 說。 “當測試發現該方法失敗時，我們感到很有壓力。但是，我們現在對所有解決方案都通過了測試感到非常滿意。”
未來方向
雖然目前的研究重點是金屬和玻璃網格覆蓋物，但該團隊計劃在未來擴展該技術以包括複合木網格。
這項研究得到了野村基金會、JSPS 科學研究補助金（KAKENHI；撥款號 23K17784）和 JST ASPIRE（撥款號 JPMJAP2401）的部分支持。
