Modellizzazione matematica per una progettazione architettonica ottimale
Il Programma delle Nazioni Unite per l’ambiente (UNEP) stima che il settore dell’edilizia valga il 10 % del prodotto interno lordo globale e che dia lavoro a 111 milioni di persone. Inoltre, gli edifici utilizzano circa il 40 % dell’energia globale, il 40 % delle risorse globali e producono circa il 33 % delle emissioni globali di gas serra. «Gli architetti di solito definiscono “design ottimale” la scelta tra un insieme molto limitato di alternative progettuali, dettata dalla loro esperienza e intuizione, ma la moderna progettazione richiede che si tenga conto di un gran numero di criteri derivanti da più discipline, spesso in conflitto con la natura», afferma Nikos Lagaros, coordinatore del progetto OptArch. «Il vasto numero di scelte alternative aumenta la possibilità di arrivare a un risultato ottimale grazie all’integrazione di strumenti intelligenti e automatici nel processo progettuale, che orientano ulteriormente l’intuizione dei progettisti». Il progetto OptArch, finanziato dall’UE, si è posto l’obiettivo di definire un contesto per applicare la progettazione assistita da computer al fine di ottimizzare la progettazione di edifici moderni. Intrapreso con il supporto del programma RISE Marie Skłodowska-Curie, il progetto ha coinvolto architetti, ingegneri civili e matematici per creare metodologie che applicano tecniche di ottimizzazione in ogni fase della progettazione di strutture civili. OptArch mirava a creare sinergie tra un team variegato del mondo accademico e dell’industria in Grecia, Francia, Italia, Canada, Cipro, Egitto, Giordania e Turchia.
Usare la matematica per una progettazione ottimale
I ricercatori hanno utilizzato tecniche di ottimizzazione della forma e della topologia per creare un progetto architettonico assistito da computer e applicarlo ad applicazioni di vita reale che affrontavano le idee dei team multidisciplinari coinvolti. Hanno preso in considerazione criteri che derivano da variabili che includono meccanica strutturale, eco-design, progettazione bioclimatica e prestazioni acustiche. «È ora possibile esprimere in termini matematici i criteri e i vincoli di progettazione architettonica in modo che l’ottimizzazione sia applicabile in modo realistico», osserva Lagaros. «Le sinergie hanno inoltre portato a forti collegamenti tra partner e beneficiari che saranno la base della futura collaborazione». Il progetto ha testato e definito numericamente diversi nuovi criteri dedicati alla progettazione architettonica. I membri del gruppo di ricerca hanno dimostrato che la topologia e la forma sono importanti per ampliare l’ambito di applicazione di un design ottimale nella progettazione architettonica. Grazie a questa conoscenza, hanno formulato tre nuovi vincoli della geometria delle forme per una progettazione architettonica ottimale. OptArch ha studiato la resistenza al collasso progressivo delle strutture in cemento armato utilizzando modelli numerici basati su elementi solidi. Dopo aver progettato con cura una substruttura lastra, trave, colonna in cemento armato, il team è andato oltre l’istinto e ha utilizzato un metodo di ottimizzazione per ridisegnarla, aumentandone così la durata. Oltre a sviluppare modelli numerici per i vincoli geometrici di topologia e forma nella progettazione architettonica ottimale, il team di OptArch ha anche creato metodologie per migliorare le qualità estetiche e la producibilità di strutture ottimizzate. I ricercatori hanno quindi affrontato i problemi acustici sin dalla progettazione, per le condizioni di pressione minima e massima in un edificio ottimizzato.
Design ottimale per il futuro
In futuro, OptArch mira a mettere a punto le proprie formulazioni per la progettazione ottimale ed espanderla toccando aspetti più esigenti quali la progettazione generativa, le strutture cinetiche e l’ottimizzazione delle prestazioni acustiche. Il team prevede di sviluppare una metodologia olistica sull’ottimizzazione applicata in quasi tutti gli aspetti della progettazione architettonica, dalla forma strutturale alle strutture ibride.
Parole chiave
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