更堅固輕巧持續的3D建筑結構技術

構建方法的重大突破并不經常出現。一些改變世界的例子包括法國加爾浮板設計，以及胡佛水壩。經過幾個世紀的設計創新，混凝土一直是人造結構的堅固材料。但是，隨著3D打印和人工智能（AI）等新技術有望使混凝土更輕，更耐用，甚至最重要的是更加可持續發展，舊的配方和方法也在不斷發展。



結構工程師首席執行官；他和他的團隊正在牽頭一個項目，他們希望該項目將有助于發展可持續的混凝土施工技術。正在將概念設計應用于鋼筋混凝土結構（從概念驗證的混凝土深梁開始），以探索節省材料的方法以及該過程的其他潛在好處。

位于多倫多的技術中心的AEC集中居住的生成設計，以開發概念，然后與波士頓的機器人專家合作，建造了鋼筋混凝土并了解3D打印。張爾維拉說，該項目是他的博士學位論文的“生活，呼吸應用”，“旨在利用生成的設計，人工智能和機器人技術重塑鋼筋混凝土結構的設計和建造過程”。

關于傳統的混凝土設計和施工，張爾維拉說：“這完全不是問題，而是一個局限性，因為它基于設計師的經驗和傳統制造工藝的局限性。”取而代之的是，“細微結構”方法通過有限元分析（FEA）觀察混凝土結構的行為，然后使用計算對其進行整形并在合適的位置進行加固。他說：“基本上，我們將設計負載分為多個步驟。”“我們沒有提議和計算等效的桁架來表示復雜的形狀，而是采用拉桿和拉桿的方法，而是分析了每個荷載步驟，增加了荷載步驟以了解需要加固的最薄弱點。”

該團隊在溫莎大學的結構實驗室中構建了幾種具體形式，將它們附加到液壓框架上以施加壓力，并使用相機應用數字圖像關聯（DIC）系統來記錄測試，這使得分析應變成為可能。然后在一定的壓力條件下施加壓力。然后，他們又回到了生成設計算法中，提出了新的代碼行，以進一步改善結構行為與下一批元素所用材料之間的關系。

可持續混凝土小規模深梁樣品設計有不同約束條件但使用相同方法的小規模深光束樣品。該過程直接節省了材料。“這意味著設計過程是基于壓力的，”張爾維拉說。壓力是力除以面積。如果增加應力強度，則可以減小面積，如果減小面積，則可以減少內部材料量。”

這導致了非典型，不規則形狀的桁架特征生成設計算法眾所周知：怪異但最優。從該算法生成的1,000多個模型中選擇了10種主要設計。該團隊開始使用拓撲優化作為生成設計方法的觸發器。換句話說，該要素被分為小要素（FEA流程）。理解給定元素的行為并對其施加壓力，可以得出計算結果，這些計算結果相結合，就可以得出整個零件的行為。對于負載的每一步，該算法分析了哪些小元素可以被排除而又不影響整個集合的結構行為。之后，它一次又一次地運行，直到達到設計目標。

發現生成設計在建筑中的應用。

最終結果是深光束僅包含傳統人為設計過程中使用的材料的55％。在證明了減少材料的可能性之后，下一個合乎邏輯的步驟是探索更好的材料科學，結合增材制造，并使整個過程變得更加智能（綠色）。

使用的超高性能混凝土比傳統混合物更堅韌，更昂貴，但與常規混凝土相比，所需的數量更少-并且由于生成設計所提供的材料節省，它變得更加實惠。它還使用更具可持續性的模板進行構造，從而進一步節省了金錢和材料。

3D打印等技術正在改變制造過程。將混凝土限制在直線上的傳統模板可能已經成為過去。研究正在繼續進行3D打印在混凝土結構內部發現的鋼筋。同時，張爾維表示，各公司進行小規模印刷鋼的研究正在為越來越復雜的混凝土鋼筋結構打開大門。其他人正在嘗試用更輕和更強的碳纖維化合物制造鋼筋

可持續混凝土DAQ（數據采集）系統測試集：黑匣子是DAQ（數據采集）系統。作為概念的證明，正在使用生成設計算法和機器人制造商來設計鋼筋混凝土人行天橋。開發這種結構將使團隊能夠處理超出當前技術范圍的形狀，形式和尺寸。

在使用常規模板時，我們僅限于某些形狀，因此我們必須在設計過程中使用這些限制，。“將來，鋼筋籠的設計可以由性能要求決定，而不受當前裝配技術的限制。”行人天橋是一直在進行的所有工作的理想應用，因為從公司研究中得出的預應力混凝土可以制成與傳統建筑中使用的形狀完全不同的形狀。他說：“此應用程序可能是打破鋼筋混凝土世界中有關增材制造和生成設計范例的好機會。”

目標是在兩三年內完成該項目。這座橋不僅將展示一切可能性。它還將成為證明該方法的局限性，機遇和特殊性的教學工具。張爾維說，這些技術可以應用于世界各地的各種結構。他說：“我們的目標是生產整棟建筑，高層建筑，金屬建筑。”“當您使用人工智能設計結構元素的位置時，您可以走得很遠。”

這些類型的創新可能會導致外觀看起來完全不同的世界，因為該體系結構將部分由算法提供驅動，這些算法提供了傳統設計實踐無法實現的選擇。 張爾維拉說：“將來，我們可以使用這種方法來確定元素的體系結構和位置，因此形狀將與今天有很大的不同，并且性能會更好。”“一旦我們可以使用成千上萬的解決方案，我們就可以找到要提高性能并減少材料量的要點。

 隨著3D打印和機器人技術使建造速度加快，生成設計將減少材料并創建新的范例以使建筑組件更好。諸如為建筑賦予了新的可持續的生命。