Um pesquisador da Universidade de Tóquio e um engenheiro estrutural baseado nos Estados Unidos desenvolveram um método computacional de localização de formas que poderia reimaginar como arquitetos e engenheiros projetam estruturas grandes e leves. Sua abordagem tem sido particularmente valiosa para o desenvolvimento de gridshells, que são superfícies curvas e finas formadas a partir de uma grade interconectada de membros estruturais. O método depende de superfícies NURBS, um formato comum usado em design auxiliado por computador (CAD), e reduz significativamente a quantidade de poder de computação necessária. Uma tarefa que antes exigia 90 horas em uma GPU de última geração agora é concluída em cerca de 90 minutos em uma CPU padrão.
Os arquitetos dão alta prioridade a superfícies que possam suportar suas próprias cargas. Alguns exemplos visualmente interessantes são conhecidos como conchas e são tradicionalmente feitos de concreto armado. Os arquitectos modernos, no entanto, estão interessados em limitar o betão devido ao seu custo, desperdício e falta de transparência visual. Isto levou a um interesse crescente em gridshells, que utilizam elementos curvos que cruzam metal, vidro ou madeira em amplas áreas sem suporte interno.
Por que Gridshells estão ganhando interesse
Gridshell é adequado para cobrir amplos espaços públicos sem colunas. Eles podem ser encontrados 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 York. Embora essas estruturas mostrem o que os gridshells podem alcançar, os designers não possuem ferramentas computacionais padrão que possam lidar com eficiência com a ampla gama de formas que desejam criar.
Masaaki Miki, da Universidade de Tóquio, e Toby Mitchell, da empresa de engenharia Thornton Tomasetti, colaboraram para resolver esta lacuna. Seu novo algoritmo identifica formas de gridshell ideais que suportam geometrias complexas, mantendo ao mesmo tempo a confiabilidade estrutural.
Resolvendo desafios de longa data no design gridshell
Embora existam projetos gridshell, os muitos requisitos geométricos, mecânicos, de fabricação e construção tornam-nos difíceis de serem seguidos pela maioria dos clientes. Mickey e Mitchell já introduziram um sistema baseado em NURBS capaz de resolver muitos destes problemas dentro de uma estrutura computacional. No entanto, permanecem duas limitações principais: a abordagem anterior enfrentava formas altamente irregulares e o tempo de cálculo necessário não era prático. A abordagem atualizada remove essas barreiras, criando um fluxo de trabalho mais eficiente e tornando viável a localização avançada de formulários gridshell para um grupo mais amplo de arquitetos e designers.
“O projeto começou em 2020 com um interesse em estruturas de casca, muitas vezes feitas de concreto. Os projetos tradicionais buscam formas que carregam seu próprio peso puramente por meio da resistência à compressão, mas limitam o quão expressivo ou escultural pode ser”, diz Miki. “Nós nos propusemos a encontrar novas maneiras de projetar cascas que considerem tanto as forças de compressão quanto a tensão, permitindo maior liberdade de projeto. Adaptamos nossa abordagem para grades de metal e vidro mais modernas, desenvolvendo métodos que equilibram confiabilidade mecânica, estética e facilidade de construção. Avanços recentes na velocidade computacional tornaram possível resolver condições complexas usando métodos tão complexos. “
Usando NURBS para melhorar a precisão e a velocidade
Um dos principais pontos fortes do novo método é que ele funciona diretamente com superfícies NURBS. Ao contrário dos métodos baseados em malha que utilizam milhares de peças triangulares, o NURBS fornece uma representação suave, contínua e matematicamente precisa de superfícies curvas. Como o NURBS já é amplamente utilizado em projetos arquitetônicos, é fácil integrar esse método aos fluxos de trabalho existentes. A equipe de pesquisa desenvolveu um plug-in para o Rhinoceros, um popular programa CAD centrado no NURBS, que permite aos arquitetos usar o método em software familiar.
O método representa a distribuição de tensões em uma superfície NURBS e utiliza algoritmos recentemente desenvolvidos que aumentam a velocidade de processamento em 98%. Essa melhoria elimina a necessidade de GPUs de última geração e fornece uma maneira mais acessível de criar formas que atendam aos requisitos geométricos e estruturais. As grades resultantes são estáveis em gravidade e suportam uma construção de metal e vidro que é prática de montar.
“Como estamos resolvendo um problema do mundo real, validamos rigorosamente nossas soluções com vários métodos de teste que desenvolvemos”, disse Mickey. “Quando os testes revelaram uma falha no método, foi estressante. Porém, agora estamos completamente felizes porque todas as soluções passaram nos testes.”
Direção futura
Embora a pesquisa atual se concentre em grades de metal e vidro, a equipe planeja expandir a técnica para incluir grades de madeira composta no futuro.
Esta pesquisa foi apoiada em parte pela Fundação Nomura, JSPS Grants-in-Aid for Scientific Research (KAKENHI; número de concessão 23K17784) e JST ASPIRE (número de concessão JPMJAP2401).
