弯曲,不要折断:新工具可实现经济的玻璃设计



用户可以轻松地调整他们的原始概念,以创建令人印象深刻的冷弯玻璃幕墙

用户可以轻松地调整他们的原始概念,以创建令人印象深刻的冷弯玻璃幕墙。

计算机科学家开发了一种设计工具,为曲面玻璃面板开辟了使用具有成本效益的技术的大门。该工具基于深度神经网络,允许对漂亮的玻璃幕墙进行自由形式的设计。

曲面玻璃幕墙可以美得惊人,但传统的施工方法极其昂贵。窗格通常是通过“热弯”制成的,其中使用模具或专用机器加热和成型玻璃,这是一个能源密集型过程,会以单个模具的形式产生多余的废物。

冷弯玻璃是一种更便宜的替代方案,其中平板玻璃在施工现场弯曲并固定到框架上。然而,鉴于材料的脆弱性,想出一种既美观又可制造的形式极具挑战性。现在,一个交互式的、数据驱动的设计工具允许建筑师做到这一点。

该软件由来自奥地利 IST、TU Wien、UJRC和KAUST的科学家团队创建,允许用户交互操作立面设计,并立即收到有关面板的可制造性和美感的反馈——这是一种非常方便的导航各种实现方式的方式设计师的意图。

该软件基于经过特殊物理模拟训练的深度神经网络,可预测玻璃面板的形状和可加工性。除了允许用户以交互方式调整预期设计之外,它还可以自动优化给定的设计,并且可以轻松集成到建筑师的通常工作流程中。该软件和研究成果已在 SIGGRAPH Asia 2020 上展示。

热弯和冷弯玻璃

热弯玻璃从 19 世纪就开始使用,但直到 1990 年代才普遍可用。尽管如此,该过程仍然非常昂贵,并且运输弯曲玻璃的物流也很复杂。大约十年前开发了另一种冷弯玻璃。它制造成本低廉,易于运输,几何和视觉质量优于热弯玻璃。该技术还允许建筑师利用特殊类型的玻璃并准确估计面板上的变形应力。

问题是设计冷弯玻璃幕墙代表了一个巨大的计算问题。IST 奥地利博士后和共同第一作者 Ruslan Guseinov 解释说:“虽然可以计算单个面板何时会断裂,或为额外负载提供安全裕度,但与整个立面(通常由数千个面板组成)一起工作是可能的。对传统的设计工具来说太复杂了。” 此外,每次进行更改时,使用具有传统计算方法的计算机来获取应力和形状将花费太长时间而无法使用。

启用新技术

因此,该团队的目标是创建软件,允许(非专家)用户交互式编辑表面,同时接收有关每个单独面板的弯曲形状和相关应力的实时信息。他们决定采用数据驱动的方法:该团队运行了超过一百万次模拟,以构建一个可能的曲面玻璃形状的数据库,以建筑中传统的计算机辅助设计 (CAD) 格式表示。然后,在此数据上训练深度神经网络 (DNN)。对于给定的四边形边界框架,该 DNN 可以精确地预测一种或两种可能的玻璃面板形状;然后可以将这些用于建筑师绘制的立面。

TU Wien 的共同第一作者和研究员 Konstantinos Gavriil 补充说,DNN 预测了几种形状是“DNN 最令人惊讶的方面之一”。“我们知道给定的边界不能唯一地定义面板,但我们没有预料到 DNN 能够找到多个解决方案,即使它从未见过单个边界的两个替代面板。” 该程序从一组解决方案中选择最适合外墙设计的窗格几何形状,同时考虑到框架的平滑度和反射等特征。

然后,用户可以调整他们的模型以减少压力并以其他方式改善整体外观。如果这证明太困难,用户可以随时自动优化设计,从而提供“最适合”的解决方案,显着减少不可行面板的数量。最后,要么可以安全地构建所有面板,要么用户可以选择热弯其中的一些。一旦用户对形式感到满意,程序就会导出建造外墙所需的平板形状和框架几何形状。

准确性和效率

为了测试模拟的准确性,该团队制造了框架和玻璃面板,包括承受极高压力的面板。在最坏的情况下,他们观察到与预测形状的微小偏差(小于面板厚度),并且所有面板都可以按预期制造。该团队进一步验证了数据驱动模型忠实地(并且有效地)再现了模拟的输出。

“我们相信我们已经创建了一个新颖、实用的系统,将几何和制造感知设计结合起来,让设计师能够有效地在经济、美学和工程标准之间找到平衡,”奥地利 IST 教授 Bernd Bickel 总结道。将来,该程序可以扩展为包括用于实际建筑设计的附加功能,或用于探索不同的材料和更复杂的机械模型。

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