Um pesquisador da Universidade de Tóquio e um engenheiro estrutural dos Estados Unidos criaram um método computacional de localização de formas que pode mudar a forma como arquitetos e engenheiros projetam estruturas grandes e leves. Sua abordagem é particularmente importante para o projeto de malhas, que são superfícies curvas e finas formadas a partir de uma rede interconectada de elementos estruturais. O método depende de superfícies NURBS, um formato comum usado em sistemas de design auxiliado por computador (CAD), e reduz bastante 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 sua própria carga. Alguns exemplos visualmente atraentes são conhecidos como cascas e são tradicionalmente feitos de concreto armado. Os arquitetos contemporâneos, no entanto, estão interessados em limitar o concreto devido ao seu custo, desperdício e falta de transparência visual. Isto levou a um interesse crescente em redes que utilizam elementos curvos de metal, vidro ou madeira que se cruzam para abranger grandes áreas sem suportes internos.
Por que Gridshells está ganhando interesse
As grades são adequadas para cobrir grandes espaços públicos sem colunas. Eles podem ser encontrados em locais como entradas de estações ferroviárias, pátios históricos restaurados e praças públicas. Exemplos famosos incluem o Grande Tribunal do Museu Britânico, o telhado de vidro do Museu Marítimo Holandês e o Trem Moynihan em Nova York. Embora essas estruturas demonstrem o que os gridshells podem alcançar, os designers não tinham ferramentas computacionais padrão que pudessem gerenciar com eficácia a ampla gama de formas que desejassem criar.
Masaaki Miki, da Universidade de Tóquio, e Toby Mitchell, da empresa de engenharia Thornton Tomasetti, colaboraram para preencher esta lacuna. Seu novo algoritmo identifica formas de malha ideais que suportam geometrias complexas, mantendo a integridade estrutural.
Resolvendo problemas antigos no design Gridshell
Embora existam projetos gridshell, os muitos requisitos geométricos, mecânicos, de fabricação e estruturais os tornam difíceis de implementar para a maioria dos clientes. Mickey e Mitchell já apresentaram um sistema baseado em NURBS capaz de resolver muitos desses problemas dentro de uma única estrutura computacional. No entanto, duas limitações principais permaneceram: o método anterior enfrentava formas altamente irregulares e o tempo computacional necessário era impraticável. O método atualizado remove esses obstáculos, criando um fluxo de trabalho mais eficiente e possibilitando pesquisas avançadas de formulários na web 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. As estruturas tradicionais tendem a formas que carregam seu próprio peso apenas por meio da compressão, mas isso limita sua expressividade e esculturalidade”, disse Miki. “Decidimos encontrar novas maneiras de projetar cascas que levem em conta as forças de compressão e de tração, permitindo maior liberdade de projeto. Adaptamos nossa abordagem a redes mais modernas de metal e vidro, desenvolvendo métodos para equilibrar confiabilidade mecânica, estética e simplicidade de construção. Avanços recentes na velocidade computacional tornaram possível lidar com condições tão complexas com métodos rigorosos.”
Usando NURBS para melhorar a precisão e a velocidade
A principal vantagem do novo método é que ele funciona diretamente com superfícies NURBS. Ao contrário das abordagens baseadas em grade que utilizam milhares de peças triangulares, o NURBS fornece uma representação suave, contínua e matematicamente precisa de superfícies curvilíneas. Como o NURBS já é amplamente utilizado 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 popular programa CAD orientado para NURBS, permitindo aos arquitetos usar a abordagem em software familiar.
O método mapeia 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 permanecem estáveis sob a gravidade e suportam uma estrutura de metal e vidro fácil de montar.
“Como estamos diante de um problema do mundo real, testamos exaustivamente nossas soluções usando vários métodos de teste que também desenvolvemos”, disse Mickey. “Quando os testes revelaram falhas no método, foi estressante. Porém, agora estamos completamente felizes porque todas as soluções foram testadas.”
Direções futuras
Embora a pesquisa atual se concentre em treliças de metal e vidro, a equipe planeja expandir a técnica para incluir treliças compostas de madeira 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).
