弯曲的玻璃幕墙可以令人叹为观止,但传统的建造方法非常昂贵。窗格通常通过“热弯曲”制成,在这种情况下,玻璃是使用模具或专用机器加热和成型的,这是一种能源密集型过程,会以单个模具的形式产生多余的废物。
冷弯玻璃是一种较便宜的替代方法,在该方法中,将玻璃平板弯曲并固定在施工现场的框架上中国建材网cnprofit.com。然而,鉴于材料的脆弱性,提出一种既美观又可制造的形式是极具挑战性的。现在,交互式的,数据驱动的设计工具使架构师可以做到这一点。
该软件由来自IST Austria,TU Wien,UJRC和KAUST的科学家团队创建,该软件使用户可以交互操作立面设计并立即收到有关面板化的可加工性和美观性的反馈,这是一种导航各种实现方式的非常便捷的方法设计师的意图。
该软件基于经过特殊物理模拟训练的深度神经网络,可以预测玻璃面板的形状和可加工性。除了允许用户以交互方式适应预期的设计外,它还可以自动优化给定的设计,并且可以轻松地集成到架构师的常规工作流程中。该软件和研究结果已在SIGGRAPH Asia 2020上展出。
冷弯玻璃
热弯玻璃自19世纪以来一直在使用,尽管直到1990年代才开始普遍使用。然而,该方法仍然非常昂贵,并且运输弯曲玻璃的后勤工作很复杂。大约十年前开发了一种替代的冷弯玻璃。它制造便宜,易于运输,并且几何和视觉质量都比热弯玻璃好。该技术还允许建筑师使用特殊类型的玻璃,并准确估算面板上的变形应力。
问题是设计冷弯玻璃幕墙代表了巨大的计算问题。IST Austria博士后和第一作者之一Ruslan Guseinov解释说:“虽然可以计算单个面板何时破裂,或提供额外荷载的安全裕度,但要使用整个立面(通常包含数千个面板) -对于传统的设计器工具来说太简单了。” 此外,使用具有传统计算方法的计算机来获取每次更改时的应力和形状将花费太长时间而无法使用。
启用新技术
因此,该团队的目标是创建一种软件,该软件将允许(非专家)用户交互式地编辑曲面,同时接收有关弯曲形状的实时信息以及每个单独面板的相关应力。他们决定采用数据驱动的方法:该团队进行了超过一百万次模拟,以建立可能的弯曲玻璃形状的数据库,以建筑中传统的计算机辅助设计(CAD)格式表示。
然后,在此数据上训练了一个深度神经网络(DNN)。对于给定的四边形边界框架,此DNN可以精确预测一种或两种可能的玻璃面板形状;然后可以将它们用于由建筑师绘制的立面中。
维也纳工业大学联合第一作者兼研究员康斯坦丁诺斯·加夫里尔补充说,DNN预测了几种形状是“ DNN最令人惊讶的方面之一”。“我们知道给定的边界并不能唯一地定义面板,但是我们没想到DNN能够找到多个解决方案,即使它从未为单个边界看到两个替代面板。” 该程序从解决方案集中选择最适合立面设计的窗格几何形状,同时考虑了诸如框架的平滑度和反射性之类的特征。
然后,用户可以调整他们的模型以减少压力并以其他方式改善整体外观。如果这太困难了,用户可以在任何时候自动优化设计,从而提供了“最佳配合”解决方案,从而大大减少了不可行的面板数量。最后,可以安全地构造所有面板,或者用户可以选择热弯其中的一些面板。一旦用户对表格感到满意,程序就会导出建筑立面所需的平板形状和框架几何形状。
准确性和效率
为了测试模拟的准确性,该团队制造了框架和玻璃面板,包括承受极高应力的面板。在最坏的情况下,他们观察到与预测形状的微小偏差(小于面板厚度),并且所有面板均按预期制造。该团队进一步验证了数据驱动模型如实(有效)再现了模拟输出。
IST Austria教授Bernd Bickel总结道:“我们相信,我们已经创建了一个新颖的,实用的系统,该系统将几何和制造感知设计结合在一起,并使设计师能够有效地在经济,美学和工程标准之间找到平衡。” 将来,该程序可以扩展为包括适用于实际建筑设计的其他功能,或者用于探索不同的材料和更复杂的机械模型。