Ερευνητές του MIT ανέπτυξαν μια νέα μέθοδο για τη δημιουργία που γεφυρώνει το χάσμα ανάμεσα στον βελτιστοποιημένο σχεδιασμό και την πραγματική κατασκευή για την εξοικονόμηση δομικών υλικών.
Το 2022, η παγκόσμια παραγωγή δομικών υλικών αντιπροσώπευε περισσότερο από το 7% των συνολικών εκπομπών άνθρακα. Πόσα όμως από αυτά τα υλικά ήταν πραγματικά απαραίτητα για την κατασκευή σπιτιών, κτιρίων και γεφυρών;
Μια τεχνική που ονομάζεται «τοπολογική βελτιστοποίηση» μπορεί να σχεδιάσει κατασκευές που μειώνουν την ποσότητα του υλικού που χρησιμοποιείται, σε ορισμένες περιπτώσεις έως και κατά 90%, κάτι που θα αντιστοιχούσε σε μείωση των εκπομπών από τον κατασκευαστικό τομέα της τάξης των πολλών γιγατόνων. Δυστυχώς, η τοπολογική βελτιστοποίηση χρησιμοποιείται κυρίως από ερευνητές για εφαρμογές όπως η τρισδιάστατη εκτύπωση και όχι από μηχανικούς που σχεδιάζουν σε κλίμακα κτιρίων και γεφυρών.
Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η τοπολογική βελτιστοποίηση δεν δημιουργεί κατασκευές που μπορούν εύκολα να υλοποιηθούν εντός χρονοδιαγράμματος και προϋπολογισμού, παράγοντες που ενδιαφέρουν πραγματικά τους κατασκευαστές.
Πλέον, ερευνητές του MIT έχουν δημιουργήσει έναν τρόπο για να καταστούν τα σχέδια τοπολογικής βελτιστοποίησης πιο εφαρμόσιμα. Το πλαίσιο εργασίας τους, το οποίο περιγράφεται σε άρθρο που δημοσιεύεται στο περιοδικό «Automation in Construction», επιτρέπει στους χρήστες να εφαρμόζουν περιορισμούς σε δομές που δημιουργούνται αλγοριθμικά, προκειμένου να περιορίσουν την πολυπλοκότητά τους. Για παράδειγμα, η προσέγγιση αυτή επιτρέπει στους χρήστες να περιορίσουν τον αριθμό των στοιχείων που συναντώνται σε κάθε σημείο του σχεδίου τους, καθώς και το μέγεθος των μικρότερων τμημάτων τους.
Επιπλέον, βασίζεται σε προηγούμενη έρευνα, σχεδιάζοντας κατασκευές με πολλαπλά υλικά και λαμβάνοντας υπόψη τις ιδιότητες των υλικών για την κατανομή του φορτίου και τον καθορισμό των συνδέσεων μεταξύ των τμημάτων.
Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την προσέγγισή τους για να σχεδιάσουν κατασκευές από χάλυβα, ξύλο και πολυυλικά δικτυώματα που υποστηρίζουν φορτία σε κτίρια και γέφυρες, δείχνοντας ότι οι εκπομπές άνθρακα που σχετίζονται με τα υλικά μεταβάλλονται σημαντικά όταν εφαρμόζονται διαφορετικοί περιορισμοί. Ελπίζουν ότι το πλαίσιο εργασίας τους θα φέρει τη βελτιστοποίηση τοπολογίας πιο κοντά στην εφαρμογή της στις πραγματικές κατασκευές.
Η υπολογιστική βελτιστοποίηση τοπολογίας υπάρχει εδώ και δεκαετίες. Χρησιμοποιεί προγράμματα υπολογιστών για τη βέλτιστη κατανομή υλικού σε έναν δεδομένο χώρο, δημιουργώντας, για παράδειγμα, τις ισχυρότερες δυνατές κατασκευές με το ελάχιστο δυνατό βάρος. Τα σχέδια που προκύπτουν είναι συχνά πολύπλοκες κατασκευές που μοιάζουν με ιστό αράχνης, η κατασκευή των οποίων θα αποτελούσε πρόκληση ακόμη και για τους πιο ικανούς μηχανικούς.
Τα τελευταία χρόνια, αρκετοί ερευνητές έχουν αναπτύξει μεθόδους για να καταστήσουν τη βελτιστοποίηση τοπολογίας πιο εύκολη στη χρήση.
Για να δημιουργήσουν το πλαίσιο τους, χρησιμοποίησαν μια κατηγορία εξισώσεων που ονομάζονται αλγόριθμοι μικτών ακέραιων, οι οποίοι βοηθούν στη λήψη δυαδικών αποφάσεων σχετικά με θέματα όπως τα υλικά και οι συνδέσεις.
Οι αποφάσεις του συστήματος λαμβάνουν επίσης υπόψη τις ιδιότητες των υλικών. Για παράδειγμα, οι χαλύβδινες αντηρίδες μπορούν να αντέξουν φορτία συμπίεσης, αλλά τα χαλύβδινα καλώδια δεν μπορούν. Το μοντέλο διαθέτει επίσης πιο ρεαλιστική προσομοίωση του τρόπου σύνδεσης των εξαρτημάτων σε σύγκριση με προηγούμενες προσεγγίσεις.
Οι χρήστες μπορούν επίσης να αποφασίσουν πόσο περίπλοκο θέλουν να είναι το σχέδιό τους, καθορίζοντας τον μέγιστο αριθμό συνδέσεων σε κάθε αρμό και την ελάχιστη γωνία μεταξύ των συνδεόμενων εξαρτημάτων. Το μοντέλο καθορίζει επίσης ελάχιστα όρια μεγέθους για τα εξαρτήματα, βελτιώνοντας περαιτέρω την κατασκευαστική του δυνατότητα.
Οι ερευνητές συνέκριναν κατασκευές που σχεδιάστηκαν με τη μέθοδο τους με κατασκευές που σχεδιάστηκαν με τη συμβατική βελτιστοποίηση τοπολογίας, αποκαλύπτοντας δραματικές διαφορές στα τελικά σχέδια, οι οποίες μεταμόρφωσαν τον τρόπο κατασκευής των κατασκευών. Χρησιμοποιώντας ως παράδειγμα την «ανάποδη» σιδηροδρομική γέφυρα του Λόκπορτ, κοντά στο Μπάφαλο της Νέας Υόρκης, εφάρμοσαν μεμονωμένους περιορισμούς —όπως μια ελάχιστη γωνία στις συνδέσεις των τμημάτων ή ελάχιστα μεγέθη τμημάτων— στον σχεδιασμό του δικτυώματος της γέφυρας, προκειμένου να κατανοήσουν καλύτερα πώς κάθε περιορισμός επηρέαζε τα τελικά σχέδια.
Τέλος, δημιούργησαν σχέδια δικτυωμάτων που χρησιμοποιούσαν μόνο ξύλο, μόνο χάλυβα και συνδυασμό ξύλου και χάλυβα, δείχνοντας πώς διαφορετικά έργα παρουσίαζαν συμβιβασμούς όσον αφορά τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις και την κατασκευαστική δυνατότητα.
Από την έρευνα στη βιομηχανία
Οι ερευνητές αναφέρουν ότι η προσέγγισή τους απαιτεί μεγαλύτερο υπολογιστικό φόρτο σε σύγκριση με ορισμένες άλλες, αλλά κατάφεραν να χρησιμοποιήσουν ένα MacBook Pro για την εκτέλεση των προγραμμάτων στο πείραμά τους και πιστεύουν ότι είναι εφικτή για τις περισσότερες εταιρείες πολιτικών μηχανικών.
Εάν οι χρήστες διαθέτουν περισσότερους υπολογιστικούς πόρους, οι ερευνητές αναφέρουν ότι η προσέγγισή τους θα μπορούσε να εφαρμοστεί σε έναν μεγάλο κατάλογο υλικών και σε δομές πολύ μεγαλύτερες από κατοικίες, μικρά κτίρια και γέφυρες.
Η ομάδα σχεδιάζει να κατασκευάσει δομές σε μικρότερη κλίμακα, σχεδιασμένες από το μοντέλο, για να επικυρώσει περαιτέρω τις προβλέψεις του. Θέλει επίσης να προσθέσουν περιορισμούς στο μοντέλο τους, ώστε να γίνει ακόμη πιο εύχρηστο για τους πολιτικούς μηχανικούς κατά το σχεδιασμό των υποδομών παγκοσμίως.
Το έργο χρηματοδοτήθηκε από την Morningside Academy for Design του MIT.
