建筑师有了设计复杂曲线造型的“超能力”

建筑师高度重视能自我承重的表面。一些视觉吸引力强的例子被称为壳体，传统上由钢筋混凝土制成。然而，现代建筑师因混凝土的成本、浪费和缺乏视觉透明性而希望限制其使用。这使得格栅壳结构的关注度日益提升，它采用金属、玻璃或木材的交叉弯曲构件，无需内部支撑即可跨越广阔区域。

为何格栅壳备受关注
格栅壳非常适合覆盖无柱的大型公共空间，常见于火车站入口、修复的历史庭院和公共广场。著名例子包括大英博物馆大中庭、荷兰海事博物馆的玻璃屋顶和纽约莫伊尼汉列车大厅。尽管这些结构展示了格栅壳的潜力，但设计师缺乏能高效处理各种所需形状的标准计算工具。

东京大学的三木正明与 Thornton Tomasetti 工程公司的托比·米切尔合作填补了这一空白。他们的新算法能确定理想的格栅壳形状，在支持复杂几何结构的同时保持结构可靠性。

解决格栅壳设计的长期挑战
尽管已有格栅壳项目，但几何、力学、制造和施工等多方面要求使大多数客户难以开展。三木和米切尔此前已引入基于NURBS的系统，能在一个计算框架内解决许多此类问题。然而，仍存在两个主要限制：早期方法难以处理高度不规则的形状，且所需计算时间不切实际。更新后的方法消除了这些障碍，创建了更高效的工作流程，使更多建筑师和设计师能够进行先进的格栅壳形态找形。

“该项目始于2020年，当时我们对通常由混凝土制成的壳体结构产生了兴趣。传统设计旨在使形状完全通过压缩力承受自身重量，但这限制了它们的表现力或雕塑感，”三木说。“我们着手寻找新的壳体设计方法，同时考虑压缩力和拉力，以获得更大的设计自由度。我们将方法调整为更现代的金属玻璃格栅壳，开发出平衡机械可靠性、美学和施工便利性的方法。计算速度的最新进展使使用严谨方法解决此类复杂条件成为可能。”

利用NURBS提高精度和速度
新方法的一大优势是直接处理NURBS曲面。与使用数千个三角形片的基于网格的方法不同，NURBS能提供平滑、连续且数学精确的曲面表示。由于NURBS已广泛用于建筑设计，将此方法整合到现有工作流程中非常简单。研究团队为流行的NURBS专注CAD软件Rhino创建了插件，使建筑师能在熟悉的软件中使用该方法。

该方法在NURBS曲面上表示应力分布，并使用新开发的算法将处理速度提高了98%。这一改进消除了对高端GPU的需求，提供了一种更易获取的方式来生成满足几何和结构要求的形状。生成的格栅壳在重力作用下保持稳定，支持易于组装的金属玻璃结构。

“由于我们正在解决现实世界的问题，我们通过自己开发的多种测试方法对解决方案进行了严格验证，”三木说。“当测试发现方法存在缺陷时，压力很大。但现在我们非常高兴，因为所有解决方案都通过了测试。”

未来方向
虽然当前研究专注于金属玻璃格栅壳，但团队计划未来将该技术扩展到复合木材格栅壳。

本研究得到野村基金会、日本学术振兴会科学研究费助成事业（KAKENHI； grant number 23K17784）和JST ASPIRE（grant number JPMJAP2401）的部分支持。