東京大學的研究人員和美國的結構工程師創建了一種計算機化的找形方法，可以改變建築師和工程師設計大型輕型結構的方式。他們的方法對於開發網格殼特別有用，網格殼具有由結構構件的互連網格形成的薄的彎曲表面。此方法依賴於 NURBS 曲面（計算機輔助設計 (CAD) 中使用的常見格式），並顯著降低所需的處理能力。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。
建築師關注能夠支撐自身重量的表面。一些引人注目的標本被稱為貝殼。它們通常由鋼筋混凝土製成。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。這導致人們對網格的興趣增加。它使用對比金屬、玻璃或木材的彎曲元素來跨越大空間，無需內部支撐。
為什麼 Gridshell 受到關注？
網格殼非常適合覆蓋沒有電線桿的大型公共區域。可以在火車站入口等各個地方找到。經過修復的歷史庭院和公共廣場 著名的例子包括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。但設計師缺乏能夠有效處理他們想要創建的各種形狀的標準計算工具。
東京大學的 Masaaki Miki 和來自 Thornton Tomasetti 工程公司的 Toby Mitchell 合作解決了這一空白。一種新算法確定了理想的殼網格形狀，該形狀支持複雜的幾何形狀，同時保持結構可靠性。
解決 Gridshell 設計中長期存在的挑戰
儘管網格殼項目存在，但幾何、機械、製造和施工要求使得大多數客戶難以實施。 Miki 和 Mitchell 發布了一個基於 NURBS 的系統，可以在單個計算框架內解決許多此類問題。然而，它仍然有兩個主要局限性：以前的方法形狀高度不規則。並且所使用的計算時間是不切實際的。改進的方法消除了這些障礙。創建更高效的工作流程，並使大型建築師和設計師團隊能夠進行高級 gridshell 表單發現。
“這個項目於 2020 年開始，對貝殼結構感興趣。貝殼結構通常由混凝土製成。傳統設計的目標是完全通過壓縮來支撐其自身重量的形狀。但這限制了表達或雕塑的方式，”Miki 說。 “我們努力尋找新的方法。在設計外殼時，考慮了壓縮力和拉力。這提供了更多的設計自由度。我們已將我們的方法應用於更現代的金屬和玻璃烤架。開發方法來平衡機械可靠性、美觀性和易於施工。計算速度的最新進展使得使用嚴格的方法解決此類複雜條件成為可能。”
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切片的網格方法不同，NURBS 提供了曲面的平滑、連續且數學上準確的表示。由於 NURBS 廣泛應用於建築設計，因此將該方法集成到現有工作流程中非常簡單。研究團隊為 Rhinoceros 創建了一個插件，Rhinoceros 是一種流行的以 NURBS 為中心的 CAD 程序，允許建築師在熟悉的軟件中使用該方法。
該方法表示 NURBS 曲面上的應力分佈，並使用新開發的算法，可將處理速度提高 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。由此產生的網格在重力作用下保持穩定。並支持實際可組裝的金屬和玻璃結構
“因為我們正在處理現實世界的問題。因此，我們使用各種測試方法嚴格驗證我們的解決方案。我們還開發了它，”Miki 說。 “當測試發現這種方法失敗時，我們感到很有壓力，但是，我們現在很高興所有解決方案都經過了測試。”
未來的方向
雖然目前的研究重點是金屬和玻璃格柵，但該團隊計劃在未來擴展該技術以包括複合木格柵。
這項研究得到野村基金會 JSPS 科學研究資助（KAKENHI；撥款號 23K17784）和 JST ASPIRE（撥款號 JPMJAP2401）的部分支持
