Modelowanie matematyczne na potrzeby optymalnego projektowania architektonicznego
Program Narodów Zjednoczonych ds. Ochrony Środowiska (UNEP) szacuje, że wartość sektora budowlanego stanowi 10 % globalnego produktu krajowego brutto i zapewnia zatrudnienie 111 milionom ludzi. Ponadto budynki zużywają około 40 % światowej energii, 40 % światowych zasobów i odpowiadają za około 33 % światowej emisji gazów cieplarnianych. „Mianem »optymalnego projektu« architekci określają zazwyczaj wybór spośród bardzo ograniczonego zbioru alternatyw projektowych, podyktowany ich doświadczeniem i intuicją, jednak nowoczesne projektowanie wymaga uwzględnienia licznych kryteriów wynikających z wielu dziedzin, często sprzecznych z naturą”, mówi koordynator projektu OptArch Nikos Lagaros. „Mnogość alternatyw zwiększa możliwość osiągnięcia optimum dzięki zastosowaniu w procesie projektowania inteligentnych, automatycznych narzędzi, które dodatkowo nakierowują intuicję projektantów”. Celem finansowanego ze środków UE projektu OptArch było określenie ram stosowania projektowania wspomaganego komputerowo w celu optymalizacji procesu projektowania nowoczesnych budynków. Program RISE, realizowany przy wsparciu działań „Maria Skłodowska-Curie”, połączył siły architektów, inżynierów budownictwa i matematyków w celu stworzenia metod, które wykorzystują techniki optymalizacji na każdym etapie projektowania obiektów budowlanych. Celem projektu OptArch było osiągnięcie synergii pomiędzy różnymi zespołami akademickimi i przemysłowymi z Grecji, Francji, Włoch, Kanady, Cypru, Egiptu, Jordanii i Turcji.
Wykorzystanie matematyki do optymalnego projektowania
W celu stworzenia wspomaganej komputerowo metody projektowania architektonicznego i użycia jej w rzeczywistych zastosowaniach, które były odpowiedzią na pomysły biorących udział w projekcie multidyscyplinarnych zespołów, badacze wykorzystali techniki optymalizacji kształtu i topologii. Uwzględnili oni kryteria, które pochodzą ze zmiennych obejmujących mechanikę strukturalną, założenia ekoprojektu, projektowanie bioklimatyczne i właściwości akustyczne. „Obecnie w celu zastosowania optymalizacji w sposób realistyczny możliwe jest wyrażanie kryteriów i ograniczeń projektu architektonicznego w kategoriach matematycznych”, zauważa Lagaros. „Ponadto działanie synergistyczne doprowadziło do powstania silnych powiązań między partnerami i beneficjentami, które będą stanowiły podstawę przyszłej współpracy”. W ramach projektu przetestowano i określono w sposób numeryczny szereg nowych kryteriów poświęconych projektowaniu architektonicznemu. Członkowie zespołu dowiedli, że topologia i kształt są ważne w rozszerzaniu zakresu, w jakim w ramach projektowania architektonicznego można zastosować projektowanie optymalne. Dzięki tej wiedzy sformułowali oni trzy nowe ograniczenia geometrii kształtów dla optymalnego projektowania architektonicznego. W ramach projektu OptArch badano wytrzymałość na postępujące zawalenie konstrukcji żelbetowych przy użyciu modeli numerycznych opartych na elementach bryłowych. Po starannym zaprojektowaniu żelbetowej konstrukcji stropu płytowo-słupowego, zespół wykroczył poza swój instynkt i zastosował metodę optymalizacji w celu przeprojektowania konstrukcji, co zwiększyło jej trwałość. Oprócz opracowywania modeli numerycznych pod kątem geometrycznych ograniczeń topologii i kształtu w optymalnym projektowaniu architektonicznym zespół projektu OptArch opracował również metody mające na celu zwiększenie walorów estetycznych i możliwości wytwarzania zoptymalizowanych konstrukcji. Następnie naukowcy zajęli się problemami akustycznymi, tworząc projekty dla warunków minimalnego i maksymalnego ciśnienia w zoptymalizowanym budynku.
Optymalne projektowanie przyszłości
W przyszłości zespół projektu OptArch zamierza dostosować swoje opracowania na potrzeby optymalnego projektowania i rozszerzyć je o bardziej wymagające aspekty, takie jak projektowanie generatywne, struktury kinetyczne i optymalizacja parametrów akustycznych. Zespół planuje opracować holistyczną metodę stosowanej optymalizacji w niemal wszystkich aspektach projektowania architektonicznego, od kształtu konstrukcji po konstrukcje hybrydowe.
Słowa kluczowe
OptArch, projektowanie architektoniczne, budynek, projektowanie optymalne, topologia, parametry akustyczne, modelowanie matematyczne, projektowanie wspomagane komputerowo, nowoczesne budynki
