Un investigador de la Universidad de Tokio y un ingeniero estructural radicado en los Estados Unidos han desarrollado un método computacional de búsqueda de formas que podría reimaginar cómo los arquitectos e ingenieros diseñan estructuras grandes y livianas. Su enfoque ha sido particularmente valioso para el desarrollo de gridshells, que son superficies delgadas y curvas formadas a partir de una cuadrícula interconectada de miembros estructurales. El método se basa en superficies NURBS, un formato común utilizado en el diseño asistido por ordenador (CAD), y reduce significativamente la cantidad de potencia informática necesaria. Una tarea que antes requería 90 horas en una GPU de alta gama ahora se completa en unos 90 minutos en una CPU estándar.
Los arquitectos dan gran importancia a las superficies que puedan soportar sus propias cargas. Algunos ejemplos visualmente interesantes se conocen como conchas, y tradicionalmente se fabrican con hormigón armado. Los arquitectos modernos, sin embargo, desean limitar el hormigón debido a su coste, desperdicio y falta de transparencia visual. Esto ha llevado a un creciente interés en las rejillas, que utilizan elementos curvos que cruzan metal, vidrio o madera en áreas amplias sin soporte interno.
Por qué los Gridshells están ganando interés
Gridshell es adecuado para cubrir amplios espacios públicos sin columnas. Se pueden encontrar en lugares como entradas de estaciones de tren, patios históricos restaurados y plazas públicas. Ejemplos notables incluyen el Gran Patio del Museo Británico, el techo de cristal del Museo Marítimo Holandés y el Moynihan Train Hall en Nueva York. Aunque estas estructuras muestran lo que pueden lograr los gridshells, los diseñadores carecen de herramientas computacionales estándar que puedan manejar de manera eficiente la amplia gama de formas que desean crear.
Masaaki Miki de la Universidad de Tokio y Toby Mitchell de la firma de ingeniería Thornton Tomasetti colaboraron para abordar esta brecha. Su nuevo algoritmo identifica formas ideales de rejilla que admiten geometrías complejas y al mismo tiempo mantienen la confiabilidad estructural.
Resolviendo desafíos de larga data en el diseño de gridshell
Aunque existen proyectos de gridshell, los numerosos requisitos geométricos, mecánicos, de fabricación y de construcción hacen que sea difícil de seguir para la mayoría de los clientes. Mickey y Mitchell ya han introducido un sistema basado en NURBS capaz de resolver muchos de estos problemas dentro de un marco computacional. Sin embargo, persisten dos limitaciones importantes: su enfoque anterior luchaba con formas muy irregulares y el tiempo de cálculo necesario no era práctico. El enfoque actualizado elimina estas barreras, creando un flujo de trabajo más eficiente y haciendo factible la búsqueda avanzada de formas de gridshell para un grupo más amplio de arquitectos y diseñadores.
“El proyecto comenzó en 2020 con un interés en las estructuras de concha, a menudo hechas de hormigón. Los diseños tradicionales apuntan a formas que soportan su propio peso únicamente a través de la resistencia a la compresión, pero limitan lo expresivo o escultórico que puede ser”, dice Miki. “Nos propusimos encontrar nuevas formas de diseñar estructuras que tengan en cuenta las fuerzas de compresión y la tensión, permitiendo una mayor libertad de diseño. Adaptamos nuestro enfoque a estructuras de rejilla de metal y vidrio más modernas, desarrollando métodos que equilibren la confiabilidad mecánica, la estética y la facilidad de construcción. Los avances recientes en la velocidad computacional han hecho posible resolver condiciones complejas utilizando métodos tan complejos”.
Uso de NURBS para mejorar la precisión y la velocidad
Una de las principales ventajas del nuevo método es que funciona directamente con superficies NURBS. A diferencia de los métodos basados en mallas que utilizan miles de piezas triangulares, NURBS proporciona una representación suave, continua y matemáticamente precisa de superficies curvas. Dado que NURBS ya se utiliza ampliamente en el diseño arquitectónico, es fácil integrar este método en los flujos de trabajo existentes. El equipo de investigación desarrolló un complemento para Rhinoceros, un popular programa CAD centrado en NURBS, que permite a los arquitectos utilizar el método dentro de un software familiar.
El método representa la distribución de tensiones en una superficie NURBS y utiliza algoritmos recientemente desarrollados que aumentan la velocidad de procesamiento en un 98%. Esta mejora elimina la necesidad de GPU de alta gama y proporciona una forma más accesible de crear formas que cumplan con los requisitos geométricos y estructurales. Las rejillas resultantes son estables a la gravedad y soportan una construcción de metal y vidrio que es práctica de montar.
“Debido a que estamos resolviendo un problema del mundo real, estamos validando rigurosamente nuestras soluciones con varios métodos de prueba que hemos desarrollado”, dijo Mickey. “Cuando las pruebas revelaron un fallo en el método, fue estresante. Sin embargo, ahora estamos muy contentos porque todas las soluciones pasan las pruebas.”
Dirección futura
Si bien la investigación actual se centra en rejillas de metal y vidrio, el equipo planea ampliar la técnica para incluir rejillas de madera compuesta en el futuro.
Esta investigación fue apoyada en parte por la Fundación Nomura, JSPS Grants-in-Aid for Scientific Research (KAKENHI; número de subvención 23K17784) y JST ASPIRE (número de subvención JPMJAP2401).
