Um pesquisador da Universidade de Tóquio e um engenheiro estrutural baseado nos EUA criaram um método computacional de localização de formas que poderia remodelar a maneira como arquitetos e engenheiros projetam grandes estruturas leves. Seu método é particularmente valioso para o desenvolvimento de cascas treliçadas, que são superfícies curvas e finas formadas por uma grade interconectada de membros estruturais. Este método depende de superfícies NURBS, um formato comum usado em design auxiliado por computador (CAD), e reduz significativamente o poder de computação necessário. Tarefas que antes levavam 90 horas em uma GPU de última geração agora podem ser concluídas em cerca de 90 minutos em uma CPU padrão.
Os arquitetos atribuem grande importância às superfícies que podem suportar as suas próprias cargas. Alguns exemplos visualmente atraentes são chamados de cascas, que são tradicionalmente feitas de concreto armado. No entanto, os arquitetos modernos estão interessados em limitar o concreto devido ao seu custo, desperdício e falta de transparência visual. Isto levou a um interesse crescente em conchas treliçadas, que utilizam elementos curvos cruzados de metal, vidro ou madeira para abranger vastas áreas sem a necessidade de suportes internos.
Por que o Gridshell está ganhando cada vez mais atenção
As grades são ideais para cobrir grandes espaços públicos sem colunas. Eles aparecem em locais como entradas de estações ferroviárias, pátios históricos restaurados e praças públicas. Exemplos notáveis incluem o Grande Tribunal do Museu Britânico, o telhado de vidro do Museu Marítimo Holandês e o Moynihan Train Hall em Nova Iorque. Embora essas estruturas demonstrem o que as cascas de rede podem alcançar, os projetistas carecem de ferramentas computacionais padrão que possam gerenciar com eficácia as várias formas que desejam construir.
Masaaki Miki, da Universidade de Tóquio, e Toby Mitchell, da empresa de engenharia Thornton Tomasetti, colaboraram para resolver este problema. Seu novo algoritmo determina o formato ideal da casca da malha para suportar geometrias complexas e, ao mesmo tempo, manter a confiabilidade estrutural.
Resolvendo desafios de longa data no design Gridshell
Embora existam projetos de estrutura treliçada, muitos requisitos geométricos, mecânicos, de fabricação e construção os tornam inatingíveis para a maioria dos clientes. Miki e Mitchell introduziram um sistema baseado em NURBS capaz de resolver muitos desses problemas dentro de uma estrutura computacional. No entanto, duas limitações principais permaneceram: os seus métodos anteriores tinham dificuldade em lidar com formas altamente irregulares e o tempo computacional necessário era impraticável. A abordagem atualizada remove essas barreiras, cria um fluxo de trabalho mais eficiente e torna viável a localização avançada de formas de shell de malha para mais arquitetos e designers.
“O projeto começou em 2020 com o interesse em estruturas de casca, geralmente feitas de concreto. Os designs tradicionais buscam formas que carregam seu próprio peso inteiramente por meio da compressão, mas isso limita sua expressividade ou qualidade escultural”, disse Miki. “Decidimos encontrar novas maneiras de projetar invólucros que levem em conta tanto a compressão quanto a tensão, permitindo maior liberdade de projeto. Aplicamos nossa abordagem a invólucros mais modernos de metal e malha de vidro, desenvolvendo métodos para equilibrar confiabilidade mecânica, estética e facilidade de construção. Avanços recentes na velocidade da computação tornam possível usar métodos rigorosos para resolver essas condições complexas.”
Use NURBS para melhorar a precisão e a velocidade
A principal vantagem do novo método é que ele pode lidar diretamente com superfícies NURBS. Ao contrário dos métodos baseados em malha que utilizam milhares de patches triangulares, o NURBS fornece uma representação de superfície suave, contínua e matematicamente precisa. Como o NURBS já é amplamente utilizado em projetos arquitetônicos, é simples integrar esse método aos fluxos de trabalho existentes. A equipe de pesquisa criou um plug-in para o Rhinoceros, um popular programa CAD centrado no NURBS, que permite aos arquitetos usar o método em software familiar.
Este método representa a distribuição de tensões em superfícies NURBS e utiliza um algoritmo recentemente desenvolvido para aumentar a velocidade de processamento em 98%. Essa melhoria elimina a necessidade de uma GPU de última geração e fornece uma maneira mais fácil de gerar formas que atendam aos requisitos geométricos e estruturais. O invólucro treliçado resultante permanece estável sob a gravidade e suporta uma estrutura de metal e vidro de fácil montagem.
“Como estamos resolvendo um problema do mundo real, validamos rigorosamente nossas soluções por meio de vários métodos de teste que desenvolvemos”, disse Miki. “Ficamos estressados quando os testes descobriram que o método falhou. No entanto, agora estamos muito felizes porque todas as soluções passaram no teste”.
direção futura
Embora a pesquisa atual se concentre em estruturas treliçadas de metal e vidro, a equipe planeja expandir a tecnologia para incluir estruturas treliçadas de madeira composta no futuro.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pela Fundação Nomura, JSPS Grant-in-Aid for Scientific Research (KAKENHI; Grant No. 23K17784) e JST ASPIRE (Grant No. JPMJAP2401).
