Un nuevo método revolucionario para el diseño de estructuras arquitectónicas

Un investigador de la Universidad de Tokio y un ingeniero estructural estadounidense crearon un nuevo método computacional de búsqueda de formas que podría transformar la manera en que arquitectos e ingenieros diseñan estructuras ligeras y de forma libre que cubren grandes espacios. Esta técnica resulta especialmente útil para crear gridshells, superficies delgadas y curvas cuyas partes forman una red interconectada. El método utiliza superficies NURBS, un formato de representación de superficies ampliamente utilizado en el diseño asistido por computadora (CAD), y reduce drásticamente el costo computacional: una tarea que antes requería 90 horas en una GPU de alta gama ahora se completa en aproximadamente 90 minutos en una CPU estándar.

Los arquitectos priorizan las superficies que pueden soportar su propio peso. Ejemplos visualmente atractivos son conocidos como shells, que tradicionalmente se fabrican con hormigón reforzado. Sin embargo, los arquitectos modernos buscan limitar el uso de hormigón debido a su costo, desechos y falta de transparencia visual. Esto ha llevado a un creciente interés en los gridshells, que utilizan elementos curvos de metal, vidrio o madera para cubrir amplias áreas sin soportes interiores.

El auge de los gridshells

Los gridshells son ideales para cubrir espacios públicos extensos sin columnas. Se encuentran en lugares como entradas de estaciones de tren, patios históricos restaurados y plazas públicas. Ejemplos notables incluyen el Gran Patio del British Museum, el techo de vidrio del Museo Marítimo de los Países Bajos y el Moynihan Train Hall en Nueva York. Aunque estas estructuras demuestran lo que los gridshells pueden lograr, los diseñadores han carecido de herramientas computacionales estándar que puedan gestionar eficientemente la amplia gama de formas que desean construir.

Colaboración para la innovación

Masaaki Miki de la Universidad de Tokio y Toby Mitchell de la firma de ingeniería Thornton Tomasetti colaboraron para abordar esta brecha. Su nuevo algoritmo identifica formas ideales de gridshell que soportan geometrías complejas mientras mantienen la fiabilidad estructural.

Desafíos en el diseño de gridshells

A pesar de la existencia de proyectos de gridshell, los numerosos requisitos geométricos, mecánicos, de fabricación y construcción han dificultado que la mayoría de los clientes los persigan. Miki y Mitchell ya habían introducido un sistema basado en NURBS capaz de abordar muchos de estos problemas dentro de un marco computacional. Sin embargo, dos limitaciones importantes persistían: su método anterior tenía dificultades con formas altamente irregulares y el tiempo de computación requerido no era práctico. El método actualizado eliminó estos obstáculos, creando un flujo de trabajo más eficiente y haciendo que la búsqueda de formas avanzadas de gridshell sea factible para un grupo más amplio de arquitectos y diseñadores.

"El proyecto comenzó en 2020 con un interés en estructuras de shell, a menudo hechas de hormigón. Los diseños tradicionales buscan formas que soporten su propio peso completamente a través de la fuerza de compresión, pero esto limita cuán expresivas o escultóricas pueden ser", comentó Miki. "Nos propusimos encontrar nuevas formas de diseñar shells que consideren fuerzas de compresión así como tensión, permitiendo una mayor libertad de diseño. Adaptamos nuestro enfoque a gridshells más modernas de metal y vidrio, desarrollando métodos para equilibrar la fiabilidad mecánica, la estética y la facilidad de construcción. Los recientes avances en velocidad computacional han hecho posible resolver tales condiciones complejas utilizando métodos rigurosos."

Mejoras en precisión y velocidad

Una de las principales fortalezas del nuevo método es que trabaja directamente con superficies NURBS. A diferencia de los enfoques basados en mallas que utilizan miles de piezas triangulares, las NURBS proporcionan representaciones suaves, continuas y matemáticamente precisas de superficies curvas. Dado que las NURBS ya son ampliamente utilizadas en el diseño arquitectónico, integrar este método en flujos de trabajo existentes es sencillo. El equipo de investigación creó un complemento para Rhinoceros, un popular programa CAD centrado en NURBS, permitiendo a los arquitectos utilizar el enfoque dentro de un software familiar.

El método representa la distribución de tensiones en una superficie NURBS y utiliza algoritmos recién desarrollados que aumentan la velocidad de procesamiento en un 98%. Esta mejora elimina la necesidad de GPUs de alta gama y proporciona una forma más accesible de generar formas que cumplen tanto con los requisitos geométricos como estructurales. Los gridshells resultantes permanecen estables bajo la gravedad y soportan construcciones de metal y vidrio que son prácticas de ensamblar.

"Dado que estamos abordando un problema del mundo real, hemos estado validando rigurosamente nuestras soluciones mediante varios métodos de prueba que también desarrollamos", afirmó Miki. "Cuando las pruebas revelaron fallos en el método, fue estresante. Sin embargo, ahora estamos totalmente felices porque todas las soluciones pasan las pruebas."

Direcciones futuras

Si bien la investigación actual se centra en gridshells de metal y vidrio, el equipo planea expandir la técnica para incluir gridshells de madera compuesta en el futuro.

Esta investigación fue parcialmente apoyada por la Fundación Nomura, las Subvenciones JSPS para la Investigación Científica (KAKENHI; número de subvención 23K17784) y JST ASPIRE (número de subvención JPMJAP2401).

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