Um pesquisador da Universidade de Tóquio e um engenheiro estrutural baseado nos Estados Unidos desenvolveram um método computacional de busca de formas que pode transformar a maneira como arquitetos e engenheiros projetam grandes estruturas leves. Sua abordagem é particularmente valiosa para o desenvolvimento de gridshells, que são superfícies curvas e finas formadas por uma grade interligada de membros estruturais. O método utiliza superfícies NURBS, um formato comum em design assistido por computador (CAD), e reduz significativamente a quantidade de poder computacional necessário. Uma tarefa que antes levava 90 horas em uma GPU de ponta agora é concluída em cerca de 90 minutos em uma CPU padrão.
Os arquitetos dão alta prioridade a superfícies que podem suportar seu próprio peso. Alguns exemplos visualmente atraentes são conhecidos como conchas, que tradicionalmente foram feitas de concreto armado. No entanto, arquitetos modernos estão interessados em limitar o uso de concreto devido ao seu custo, desperdício e falta de transparência visual. Isso levou a um crescente interesse por gridshells, que utilizam elementos curvados intersecados de metal, vidro ou madeira para cobrir grandes áreas sem suportes internos.
Por que os Gridshells Estão Ganhando Interesse
Os gridshells são bem adequados para cobrir grandes espaços públicos sem colunas. Eles podem ser encontrados em locais como entradas de estações de trem, pátios históricos restaurados e praças públicas. Exemplos notáveis incluem o Grande Pátio 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 tinham ferramentas computacionais padrão que pudessem gerenciar eficientemente a ampla gama de formas que desejavam construir.
Masaaki Miki, da Universidade de Tóquio, e Toby Mitchell, da empresa de engenharia Thornton Tomasetti, colaboraram para abordar essa lacuna. Seu novo algoritmo identifica formas ideais de gridshell que suportam geometries complexas enquanto mantêm a confiabilidade estrutural.
Resolvendo Desafios Permanentes no Design de Gridshells
Embora projetos de gridshell já existam, os muitos requisitos geométricos, mecânicos, de fabricação e de construção tornaram-nos difíceis para a maioria dos clientes. Miki e Mitchell já haviam introduzido um sistema baseado em NURBS capaz de abordar muitas dessas questões dentro de uma única estrutura computacional. No entanto, duas limitações importantes permaneceram: seu método anterior tinha dificuldades com formas altamente irregulares e o tempo de computação requerido não era prático. O método atualizado elimina esses obstáculos, criando um fluxo de trabalho mais eficiente e tornando a busca por formas avançadas de gridshell viável para um grupo maior de arquitetos e designers.
“O projeto começou em 2020 com um interesse em estruturas de conchas, muitas vezes feitas de concreto. Os designs tradicionais buscam formas que carregam seu próprio peso unicamente através da força de compressão, mas isso limita como podem ser expressivas ou esculturais,” disse Miki. “Nos propusemos a encontrar novas maneiras de projetar conchas que considerem as forças de compressão assim como a tensão, permitindo maior liberdade de design. Adaptamos nossa abordagem para gridshells mais modernas de metal e vidro, desenvolvendo métodos para equilibrar confiabilidade mecânica, estética e facilidade de construção. Avanços recentes na velocidade computacional tornaram possível resolver tais condições complexas utilizando métodos rigorosos.”
Usando NURBS para Melhorar Precisão e Velocidade
Uma grande força do novo método é que ele trabalha diretamente com superfícies NURBS. Ao contrário das abordagens baseadas em malha que utilizam milhares de peças triangulares, as NURBS fornecem representações suaves, contínuas e matematicamente precisas de superfícies curvas. Como as NURBS já são amplamente utilizadas no design arquitetônico, integrar este método nos fluxos de trabalho existentes é simples. A equipe de pesquisa criou um plug-in para o Rhinoceros, um popular programa CAD focado em NURBS, permitindo que os arquitetos utilizem a abordagem dentro de um software familiar.
O método representa a distribuição de estresse 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 ponta e oferece um modo mais acessível de gerar formas que atendem tanto aos requisitos geométricos quanto estruturais. Os gridshells resultantes permanecem estáveis sob a gravidade e suportam construções de metal e vidro que são práticas de montar.
“Como estamos abordando um problema do mundo real, temos validado rigorosamente nossas soluções por diversos métodos de teste que também desenvolvemos,” disse Miki. “Quando os testes revelaram falhas no método, foi estressante. No entanto, agora estamos totalmente felizes porque todas as soluções passaram nos testes.”
Direções Futuras
Embora a pesquisa atual se concentre em gridshells de metal e vidro, a equipe planeja expandir a técnica para incluir gridshells compostas de madeira no futuro.
Esta pesquisa foi parcialmente apoiada pela Fundação Nomura, pelos Subsídios de Pesquisa Científica da JSPS (KAKENHI; número do subsídio 23K17784) e JST ASPIRE (número do subsídio JPMJAP2401).