Arquitetos ganham um novo superpoder para projetos curvos complexos

Os arquitetos dão alta prioridade a superfícies que possam suportar sua própria carga. Alguns exemplos visualmente atraentes são conhecidos como conchas e são tradicionalmente feitos de concreto armado. Os arquitetos modernos, entretanto, estão interessados ​​em limitar o concreto devido ao seu custo, desperdício e falta de transparência visual. Isso levou a um interesse crescente em gridshells, que usam elementos curvos de metal, vidro ou madeira que se cruzam para abranger amplas áreas sem suportes internos.

Por que Gridshells estão ganhando interesse

Gridshells são adequados para cobrir amplos espaços públicos sem colunas. Eles são encontrados em locais como entradas de estações ferroviárias, pátios históricos restaurados e praças públicas. Exemplos notáveis ​​incluem o Great Court do Museu Britânico, o telhado de vidro do Museu Marítimo Holandês e o Moynihan Train Hall de Nova York. Embora essas estruturas mostrem o que os gridshells podem alcançar, os projetistas carecem de ferramentas computacionais padrão que possam gerenciar com eficiência a ampla gama de formas que desejam construir.

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 tornaram-nos difíceis de serem executados pela maioria dos clientes. Miki e Mitchell já haviam introduzido um sistema baseado em NURBS capaz de resolver muitos desses problemas dentro de uma estrutura computacional. No entanto, duas limitações principais permaneceram: o método anterior enfrentava formas altamente irregulares e o tempo de computação necessário não era prático. O método atualizado remove esses obstáculos, criando um fluxo de trabalho mais eficiente e tornando viável a localização avançada de formulários em gridshell para um grupo maior de arquitetos e designers.

“O projeto começou em 2020 com um interesse em estruturas de casca, muitas vezes feitas de concreto. Os projetos tradicionais visam formas que carregam seu próprio peso inteiramente através da força de compressão, mas isso limita o quão expressivas ou esculturais elas podem ser”, disse Miki. “Decidimos encontrar novas maneiras de projetar cascas que considerem forças de compressão e também de tensão, permitindo maior liberdade de projeto. Adaptamos nossa abordagem a grades de metal e vidro mais modernas, desenvolvendo métodos para equilibrar confiabilidade mecânica, estética e facilidade de construção. Avanços recentes na velocidade computacional tornaram possível resolver essas condições complexas usando métodos rigorosos.”

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 das abordagens baseadas em malha que utilizam milhares de peças triangulares, o NURBS fornece representações suaves, contínuas e matematicamente precisas de superfícies curvas. Como os NURBS já são amplamente utilizados em projetos arquitetônicos, a integração desse método aos fluxos de trabalho existentes é simples. A equipe de pesquisa criou um plug-in para o Rhinoceros, um programa CAD popular com foco no NURBS, permitindo que os arquitetos usem a abordagem em um 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 gerar formas que atendam aos requisitos geométricos e estruturais. As grades resultantes permanecem estáveis ​​sob a gravidade e suportam uma construção de metal e vidro que é prática de montar.

“Como estamos abordando um problema do mundo real, validamos rigorosamente nossas soluções por meio de vários métodos de teste que também desenvolvemos”, disse Miki. “Quando os testes revelaram falhas no método, foi estressante. Porém, agora estamos totalmente satisfeitos porque todas as soluções passam nos testes.”

Direções Futuras

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 parcialmente apoiada pela Fundação Nomura, pelo JSPS Grants-in-Aid for Scientific Research (KAKENHI; número de concessão 23K17784) e pelo JST ASPIRE (número de concessão JPMJAP2401).