AI model za mostove i zgrade s manje materijala

U 2022. godini, globalna proizvodnja građevinskog materijala činila je više od 7 posto ukupnih emisija ugljika. Ali koliko je tih materijala zaista bilo potrebno za izgradnju kuća, zgrada i mostova?

Tehnika nazvana optimizacija topologije može dizajnirati strukture koje smanjuju količinu korištenog materijala, u nekim slučajevima i do 90 posto, što bi predstavljalo smanjenje emisija zgrada za više gigatona. Nažalost, optimizaciju topologije uglavnom koriste istraživači za primjene poput 3D ispisa, a ne inženjeri koji dizajniraju u mjerilu zgrada i mostova.

To je zato što optimizacija topologije ne stvara strukture koje se mogu lako izgraditi na vrijeme i u okviru proračuna, što su stvari koje su graditeljima zaista važne.

Istraživači s MIT-a sada su stvorili način da dizajne optimizacije topologije učine lakšim za izgradnju. Njihov sustav, opisan u novom radu u časopisu Automation in Construction, omogućuje korisnicima primjenu ograničenja na algoritamski generirane strukture kako bi se ograničila njihova složenost.

Na primjer, pristup omogućuje korisnicima da ograniče koliko se komponenti susreće u svakoj točki svog dizajna i koliko male žele da budu njihovi najmanji dijelovi. Također se nadovezuje na prethodni rad dizajniranjem struktura s više materijala i uzimanjem u obzir svojstava materijala za raspodjelu opterećenja i određivanje spojeva dijelova.

Istraživači su koristili svoj pristup za projektiranje čeličnih, drvenih i višematerijalnih rešetkastih konstrukcija koje podupiru opterećenja u zgradama i mostovima, pokazujući da se emisije ugljika povezane s materijalima značajno mijenjaju kada su primijenjena različita ograničenja. Nadaju se da će njihov okvir približiti optimizaciju topologije korištenju u stvarnoj gradnji. 

Za izgradnju svog sustava koristili su klasu jednadžbi zvanih mješoviti cjelobrojni algoritmi koji pomažu u donošenju binarnih odluka o stvarima poput materijala i veza.

Odluke sustava također uzimaju u obzir svojstva materijala. Na primjer, čelični podupirači mogu izdržati tlačna opterećenja, ali čelični kabeli ne mogu. Model također ima realističnije modeliranje načina spajanja dijelova nego prethodni pristupi.

Istraživači su usporedili strukture projektirane njihovim pristupom sa strukturama projektiranim konvencionalnom optimizacijom topologije, pokazujući dramatične razlike u konačnim nacrtima koje su transformirale način na koji će se strukture graditi.

Koristeći Lockport "Upside-Down Bridge" u blizini Buffala u New Yorku kao primjer, primijenili su pojedinačna ograničenja, poput minimalnog kuta na spojevima dijelova ili minimalnih veličina dijelova, na nacrt rešetke mosta kako bi bolje razumjeli kako svako ograničenje utječe na konačne nacrte.

Konačno, izradili su nacrte rešetki koje su koristile samo drvo, samo čelik i kombinirale drvo i čelik, pokazujući kako različiti projekti nude kompromise u pogledu utjecaja na okoliš i izvedivosti.

Tim planira u budućnosti izgraditi smanjene strukture dizajnirane modelom kako bi dodatno potvrdili njegova predviđanja. Također žele dodati ograničenja svom modelu kako bi ga građevinski inženjeri mogli još lakše koristiti prilikom projektiranja svjetske infrastrukture.