مدل کامپیوتری میتواند پلها و ساختمانهایی را فعال کند که از مواد کمتری استفاده میکنند | اخبار MIT
در سال 2022، تولید جهانی مصالح ساختمانی به خود اختصاص داده است بیش از 7 درصد از مجموع انتشار کربن اما چه تعداد از آن مواد واقعاً برای ساختن خانهها، ساختمانها و پلها ضروری بودند؟
تکنیکی به نام بهینهسازی توپولوژی میتواند سازههایی را طراحی کند که مقدار مواد مصرفی را در برخی موارد تا 90 درصد کاهش میدهد، که نشاندهنده کاهش چند گیگاتونی در انتشار گازهای گلخانهای ساختمان است. متأسفانه، بهینه سازی توپولوژی بیشتر توسط محققان برای کاربردهایی مانند چاپ سه بعدی به جای مهندسانی که در مقیاس ساختمان ها و پل ها طراحی می کنند، استفاده می شود.
این به این دلیل است که بهینه سازی توپولوژی ساختارهایی را ایجاد نمی کند که بتوان به راحتی در زمان و بودجه ساخته شود، این موارد واقعاً مورد توجه سازندگان است.
اکنون محققان MIT راهی برای ساختن طرح های بهینه سازی توپولوژی ایجاد کرده اند. چارچوب آنها، شرح داده شده در a کاغذ جدید در اتوماسیون در ساخت و ساز امروزه، به کاربران اجازه می دهد تا محدودیت هایی را برای ساختارهای ایجاد شده به صورت الگوریتمی اعمال کنند تا پیچیدگی آنها را محدود کنند. به عنوان مثال، این رویکرد به کاربران اجازه میدهد تا تعداد اجزایی را که در هر نقطه از طراحی خود با هم ملاقات میکنند و کوچکترین قطعات خود را میخواهند، محدود کنند. همچنین با طراحی سازه هایی با مواد متعدد و در نظر گرفتن خواص مواد برای توزیع بار و مشخص کردن اتصالات، بر روی کارهای قبلی استوار است.
ژوزفین کارستنسن، نویسنده ارشد، گیلبرت دبلیو وینسلو (1937) پروفسور توسعه شغلی MIT در مهندسی عمران میگوید: «تعاملی بین موادی که استفاده میکنید، قابلیت ساخت طرحها و بهینهسازی ساختار وجود دارد. “شما باید بتوانید هر سه را به طور همزمان مورد بررسی قرار دهید. این چیزی است که ما در اینجا سعی کردیم انجام دهیم.”
محققان از رویکرد خود برای طراحی سازههای خرپایی فولادی، چوبی و چند مادهای استفاده کردند که بارها را در ساختمانها و پلها تحمل میکنند و نشان دادند که انتشار کربن مرتبط با مواد با اعمال محدودیتهای مختلف بهطور قابلتوجهی تغییر کرده است. آنها امیدوارند چارچوب آنها بهینه سازی توپولوژی را به استفاده در ساخت و ساز در دنیای واقعی نزدیک تر کند.
کارستنسن میگوید: «در ادبیات، گاهی اوقات بین صرفهجویی در کربنی که میتوانید در رایانه به دست آورید و صرفهجویی واقعی کربنی که میتوانید برای سازههای ساخته شده به دست آورید، یک گسست وجود دارد – به ویژه وقتی صحبت از فناوریهای طراحی مانند بهینهسازی توپولوژی میشود.» “مشکل در فقدان قابلیت ساخت طرح هاست. این طرح ها برای انجام با روش های مرسوم بسیار دشوار تلقی می شوند، بنابراین حتی هرگز تلاشی برای آنها انجام نمی شود. این چیزی است که در مورد رویکرد ما هیجان انگیز است: ما می توانیم محدودیت هایی را اضافه کنیم تا هرگز در شرایطی قرار نگیرید که طرحی که بیرون می آید انجام آن خیلی سخت باشد.”
اولین نویسنده و دانشجوی دکتری مهندسی عمران و محیط زیست، زین شیمر، به کارستنسن در مقاله پیوست.
طرح های قابل ساخت بیشتر
بهینهسازی توپولوژی مبتنی بر کامپیوتر دهههاست که وجود داشته است. از برنامه های کامپیوتری برای توزیع بهینه مواد در یک فضای معین استفاده می کند، به عنوان مثال ایجاد قوی ترین ساختارهای ممکن با کمترین وزن. طرحهای بهدستآمده اغلب ساختارهایی پیچیده و شبیه به تار عنکبوت هستند که حتی برای تواناترین مهندسان هم برای ساختن آنها چالشبرانگیز است.
“یک سوال بزرگ جوزفین و من می پرسیدیم این است که چرا صنعت از آن استفاده نمی کند؟” Schemmer به یاد می آورد. موانعی که صنعت را از طراحی کارآمدتر کارها باز می دارد، چیست و چگونه می توانیم شکاف بین تحقیق و زندگی واقعی را پر کنیم؟
در سالهای اخیر، چندین محقق راههایی را برای سهولت استفاده از بهینهسازی توپولوژی توسعه دادهاند. Schemmer و Carstensen برای مطالعه خود می خواستند این رویکردها را کنار هم بیاورند و قابلیت های جدیدی مانند ایجاد طرح هایی که از مواد متعدد استفاده می کنند، اضافه کنند، که چالش دیگری در این زمینه بوده است.
Schemmer می گوید: «یک جنبه بزرگ پایداری در آینده نه تنها استفاده از مواد کمتر، بلکه اجرای کارآمد مواد بر اساس ملاحظاتی مانند جایی که در جهان هستید، دسترسی شما به مواد و هر یک از هزینه های کربن مرتبط با آنها خواهد بود.
برای ساخت چارچوب خود، آنها از یک کلاس معادلات به نام الگوریتم های عدد صحیح مختلط استفاده کردند که به تصمیم گیری باینری در مورد چیزهایی مانند مواد و اتصالات کمک می کند.
Schemmer می گوید: “شما نمی توانید قطعه ای داشته باشید که 72 درصد چوب و 28 درصد فولاد باشد.” در عوض، میگوید: «این خرپا یا کابل از این ساخته میشود» و سپس بر اساس آن تصمیم، چگونه مطمئن شویم که همه این اتصالات استانداردهای استحکام خود را دارند؟»
تصمیمات سیستم همچنین خواص مواد را در نظر می گیرد. به عنوان مثال، پایه های فولادی می توانند بارهای فشاری را تحمل کنند، اما کابل های فولادی نمی توانند. این مدل همچنین مدلسازی واقعیتری از نحوه اتصال قطعات نسبت به رویکردهای قبلی دارد.
کارستنسن میگوید: «در پرینت سهبعدی، نحوه کنار هم قرار گرفتن چیزها آسان است. در ساخت و ساز، اینطور نیست. اگر با چوب میسازید، قوانین خاصی وجود دارد، در مقابل فولاد قوانین متفاوتی دارد.
کاربران همچنین می توانند با تعیین حداکثر تعداد اتصالات در هر اتصال و حداقل زاویه بین اجزای متصل تصمیم بگیرند که چقدر می خواهند طراحی آنها پیچیده باشد. این مدل همچنین حداقل محدودیتهای اندازه را برای قطعات ایجاد میکند و قابلیت ساخت آن را بیشتر بهبود میبخشد.
Schemmer میگوید: «دادن این طرحهای پیچیده و پیچیده به یک پیمانکار دشوار است، زیرا ساخت آن بسیار دشوار خواهد بود. “بسیاری از مواقع پیمانکاران برای شروع چنین پروژه ای را انتخاب نمی کنند.”
محققان سازههای طراحیشده را با رویکردشان با سازههای طراحیشده با بهینهسازی توپولوژی معمولی مقایسه کردند و تفاوتهای چشمگیری را در طرحهای نهایی نشان دادند که نحوه ساخت سازهها را تغییر داد. با استفاده از Lockport “Upside-Down Bridge” در نزدیکی بوفالو، نیویورک، به عنوان مثال، آنها محدودیت های فردی، مانند حداقل زاویه در اتصالات قطعات یا حداقل اندازه قطعات، را برای طراحی خرپای پل اعمال کردند تا درک بهتری از تاثیر هر محدودیت بر طرح های نهایی داشته باشند.
در نهایت، آنها طرحهای خرپا را ساختند که فقط از چوب، فقط فولاد، و ترکیب چوب و فولاد استفاده میکردند و نشان میدادند که چگونه پروژههای مختلف با توجه به تأثیرات زیستمحیطی و قابلیت ساخت، معاوضههایی را ارائه میکنند.
Schemmer میگوید: «ما دیدیم که چگونه سیستم میدانست که شما میتوانید پلی از فولاد خالص طراحی کنید، اما این ممکن است از نظر کربن بهترین نباشد. “یا میتوانید پل را از چوب کاملاً طراحی کنید، اما ممکن است قویترین پل نباشد. اما این مواد میتوانند با هم کار کنند، بنابراین از چوب برای صرفهجویی در کربن و فولاد در جایی که به استحکام بیشتری نیاز دارید، استفاده میکنید و تعادلی وجود دارد که میتوانید در این سازهها پیدا کنید.”
از تحقیق تا صنعت
محققان می گویند رویکرد آنها از نظر محاسباتی فشرده تر از برخی دیگر است، اما آنها توانستند از مک بوک پرو برای اجرای برنامه ها در آزمایش خود استفاده کنند و معتقدند که این روش برای اکثر شرکت های مهندسی عمران عملی است.
Schemmer میگوید: «حل کردن آن از نظر محاسباتی کمی سختتر است، اما امروزه ابزارهای زیادی در دسترس هستند که این مشکلات را بسیار عملیتر میکنند. این رویکرد در گذشته توسط صنعت اجتناب شده است، اما اکنون ما فکر میکنیم که این یک راه عملی برای حل مشکلات مربوط به محدودیتهای متغیر است.
اگر کاربران منابع محاسباتی بیشتری داشته باشند، محققان میگویند رویکرد آنها میتواند با فهرستی طولانی از مواد و سازههای بسیار بزرگتر از خانهها، ساختمانهای کوچک و پلها کار کند.
کارستنسن میگوید که تیم قصد دارد ساختارهای کوچکتری را که توسط این مدل طراحی شده است بسازد تا پیشبینیهایش را بیشتر تأیید کند. آنها همچنین میخواهند محدودیتهایی را به مدل خود اضافه کنند تا استفاده از آن را برای مهندسین عمران در طراحی زیرساختهای جهان حتی یکپارچهتر کنند.
Schemmer می گوید: «به عنوان یک مهندس سازه با آموزش، هرگز به من یاد ندادند که چگونه برای کربن کم طراحی کنم. “برای مقابله با مشکلی به بزرگی تغییر آب و هوا، پرداختن به محیط ساخته شده مکانی عالی برای شروع است. یکی از ملموس ترین کارهایی که می توانیم انجام دهیم این است که در لایه ساخت و ساز، در مرحله طراحی کار کنیم، زیرا این یک گام اساسی است که می توانیم کنترل کنیم. تصمیمات زیادی وجود دارد که در اوایل تصمیم گیری می کنیم که ما را به استفاده از مواد اضافی که به آن نیاز نداریم، سوق می دهد.”
این کار توسط آکادمی طراحی مورنینگ ساید MIT تامین شده است.