تتيح الخوارزمية الجديدة للمهندسين المعماريين تصميم هياكل منحنية مذهلة في دقائق

تعمل خوارزمية جديدة قائمة على NURBS على إحداث ثورة في تصميم الشبكة من خلال تمكين العثور على الشكل بشكل أسرع وأكثر سلاسة ومرونة.

ما كان يتطلب في السابق 90 ساعة من وقت وحدة معالجة الرسومات، أصبح الآن يستغرق 90 دقيقة فقط على وحدة المعالجة المركزية القياسية، مما يفتح إمكانيات معمارية جريئة.

طريقة أسرع لتشكيل الهياكل خفيفة الوزن ذات الشكل الحر

ابتكر باحث في جامعة طوكيو ومهندس إنشائي مقيم في الولايات المتحدة طريقة حسابية جديدة لإيجاد الشكل والتي قد تؤثر بشكل كبير على كيفية تصميم الهياكل المعمارية الكبيرة وخفيفة الوزن. تم تصميم هذا النهج خصيصًا للهياكل الشبكية، وهي عبارة عن أسطح رفيعة ومنحنية تتكون من شبكة من الأعضاء الهيكلية المتقاطعة. تعتمد تقنيتهم ​​على أسطح NURBS، وهي تنسيق سطحي رقمي مألوف في التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD)، وتقلل بشكل كبير من كمية الحوسبة المطلوبة. العملية التي كانت تحتاج في السابق إلى 90 ساعة على وحدة معالجة الرسومات المتطورة، تنتهي الآن في حوالي 90 دقيقة على وحدة المعالجة المركزية القياسية.

يولي المهندسون المعماريون أهمية كبيرة للأسطح التي يمكنها تحمل وزنها. تندرج العديد من الهياكل المذهلة بصريًا ضمن فئة القذائف التي تم بناؤها تقليديًا من الخرسانة المسلحة. ومع ذلك، يحاول المصممون اليوم الحد من استخدام الخرسانة بسبب التكلفة والهدر والاهتمام المتزايد بمواد أكثر شفافية أو جذابة بصريًا مثل الزجاج. وقد شجع هذا التحول على استكشاف أوسع للأصداف الشبكية، التي تستخدم منحنيات متقاطعة مصنوعة من المعدن أو الزجاج أو الخشب لتغطية مساحات واسعة دون دعم داخلي.

لماذا تعتبر Gridshells جذابة للأماكن العامة الكبيرة

تعمل هياكل Gridshell بشكل جيد لتغطية المساحات الداخلية الواسعة بدون أعمدة. تظهر في مواقع مثل مداخل محطة القطار، والساحات المحدثة في المباني التاريخية، والساحات العامة المفتوحة. تشمل الأمثلة المعروفة المحكمة الكبرى بالمتحف البريطاني، والسقف الزجاجي للمتحف البحري الهولندي، وقاعة قطار موينيهان في نيويورك. في حين أن هذه المشاريع تظهر مدى فعالية الشبكات، إلا أن المصممين افتقروا إلى طريقة حسابية موحدة قادرة على التعامل مع مجموعة كاملة من الأشكال التي يرغبون في إنتاجها.

وقد تعاون ماساكي ميكي من جامعة طوكيو وتوبي ميتشل من شركة الهندسة الأمريكية ثورنتون توماسيتي على تقنية توفر قدرًا أكبر من الحرية في تشكيل هذه الهياكل. وتحدد الخوارزمية الخاصة بهم الشكل الهندسي الأمثل للأصداف الشبكية، حتى عندما يكون الشكل العام معقدًا للغاية، مع الحفاظ على الموثوقية الهيكلية.

إزالة الحواجز التي كانت ذات يوم محدودة في تصميم Gridshell

على الرغم من أن الهياكل الشبكية قد تم بناؤها من قبل، إلا أن القيود الهندسية والهيكلية والتصنيعية والبناءية المعنية جعلتها غير واقعية بالنسبة للعديد من العملاء. سبق أن قدم ميكي وميتشل منهجًا قائمًا على NURBS والذي عالج العديد من هذه الصعوبات ضمن إطار حسابي واحد. ومع ذلك، بقي هناك عائقان: طريقتهم السابقة كانت تعاني من أشكال غير منتظمة للغاية، وكان وقت الحوسبة المطلوب طويلًا جدًا للاستخدام العملي. يعمل الإصدار الجديد على حل كلتا المشكلتين، مما يؤدي إلى إنشاء سير عمل أكثر كفاءة ويمكن الوصول إليه ويسمح للعديد من المصممين بالتفاعل مع البحث المتقدم عن نماذج الشبكة.

قال ميكي: “بدأ المشروع في عام 2020 مع الاهتمام بالهياكل الصدفية، التي غالبًا ما تكون مصنوعة من الخرسانة. وتهدف التصميمات التقليدية إلى الأشكال التي تحمل وزنها بالكامل من خلال قوة الضغط، ولكن هذا يحد من مدى تعبيرها أو نحتها”. “لقد شرعنا في إيجاد طرق جديدة لتصميم الأصداف التي تأخذ في الاعتبار قوى الضغط والتوتر، مما يسمح بمزيد من حرية التصميم. لقد قمنا بتكييف نهجنا مع الأصداف الشبكية المعدنية والزجاجية الأكثر حداثة، وتطوير أساليب لتحقيق التوازن بين الموثوقية الميكانيكية والجماليات وسهولة البناء. وقد أتاحت التطورات الحديثة في السرعة الحسابية حل مثل هذه الظروف المعقدة باستخدام أساليب صارمة. “

العمل مباشرة مع أسطح NURBS لتحسين تكامل سير العمل

تتمثل القوة الرئيسية للطريقة المحدثة في أنها تعمل مباشرة على أسطح NURBS. تعتمد النمذجة التقليدية المبنية على الشبكات على آلاف العناصر المثلثة، لكن NURBS توفر تمثيلات سطحية سلسة ومستمرة وعالية الدقة. كما أنها تستخدم على نطاق واسع في التصميم المعماري. قام الباحثون بدمج تقنيتهم ​​في Rhinoceros، وهي منصة CAD شائعة الاستخدام تركز على NURBS، كمكون إضافي. يتيح هذا التكامل للمهندسين المعماريين اعتماد الطريقة بسهولة أكبر في الممارسة اليومية.

المفهوم المركزي وراء هذه الطريقة هو التقاط توزيع الضغط باستخدام سطح NURBS مع خوارزميات جديدة تعمل على تحسين سرعة الحساب بنسبة 98٪. تلغي هذه الكفاءة الحاجة إلى وحدات معالجة الرسومات المتطورة وتوفر مسارًا أكثر سهولة لإنتاج أغلفة شبكية تلبي المتطلبات الهندسية والهيكلية. تظل الأشكال الناتجة مستقرة تحت الجاذبية وتدعم البناء المعدني والزجاجي الذي يعتبر عمليًا للبناء.

وقال ميكي: “نظرًا لأننا نتعامل مع مشكلة حقيقية، فقد قمنا بالتحقق من صحة حلولنا بدقة من خلال العديد من طرق الاختبار التي قمنا بتطويرها أيضًا”. “عندما كشفت الاختبارات عن فشل في الطريقة، كان الأمر مرهقًا. لكننا الآن سعداء تمامًا لأن جميع الحلول تجتاز الاختبارات.”

توسيع الأسلوب إلى ما هو أبعد من التصاميم المعدنية والزجاجية

على الرغم من أن العمل الحالي يركز على الأصداف الشبكية المعدنية والزجاجية، إلا أن الفريق يعتزم توسيع الطريقة لتشمل الأصداف الخشبية المركبة في المستقبل.

المرجع: “العثور على نموذج قشرة الشبكة المستندة إلى NURBS في المجالات ذات الحدود التعسفية الطوبولوجية” 3 ديسمبر 2025، المعاملات على الرسومات Siggraph عدد خاص.
دوى: 10.1145/3763284

تم دعم هذا البحث جزئيًا من قبل مؤسسة نومورا، ومنح JSPS للمساعدة في البحث العلمي (KAKENHI؛ رقم المنحة 23K17784)، وJST ASPIRE (رقم المنحة JPMJAP2401).

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.