2022年全球建筑材料生产产生的碳排放量占全球碳排放总量的7%以上。然而在建造住宅、楼宇和桥梁时这些材料究竟有多少是真正必要的一种名为拓扑优化的技术能够设计出大幅减少材料用量的结构降幅在某些情况下高达90%这意味着建筑排放量可减少数十亿吨。然而拓扑优化目前主要被研究人员用于3D打印等应用领域而非由工程师应用于建筑和桥梁的实际设计中。原因在于拓扑优化生成的结构往往难以在预算和工期内顺利建造而这恰恰是施工方最关心的问题。近日麻省理工学院的研究人员找到了一种让拓扑优化设计更具可建造性的方法。他们在《建筑自动化》期刊发表的最新论文中介绍了这一框架——允许用户对算法生成的结构施加约束条件以限制其复杂程度。例如该方法可以限制每个节点处汇聚的构件数量以及最小构件的尺寸。此外该框架还在此前研究的基础上支持多材料结构设计并综合考虑材料特性来分配荷载与规范构件连接方式。你所使用的材料、设计的可建造性以及结构优化三者之间存在相互制约的关系论文通讯作者、麻省理工学院土木工程系Gilbert W. Winslow1937届职业发展教席教授Josephine Carstensen表示必须同时兼顾这三个方面这正是我们此次研究所努力实现的目标。研究人员利用该方法设计了用于建筑和桥梁承重的钢结构、木结构及多材料桁架结构结果显示在施加不同约束条件时与材料相关的碳排放量发生了显著变化。他们希望这一框架能够推动拓扑优化技术向实际建筑工程领域进一步迈进。在学术文献中计算机上可实现的碳减排量与实际建成结构中可实现的碳减排量之间有时存在明显脱节这在拓扑优化等设计技术上尤为突出Carstensen说问题的根源在于设计方案缺乏可建造性。这些设计被认为难以用传统方法实现因此从未被付诸实践。我们方法的令人兴奋之处正在于此通过添加约束条件确保输出的设计方案始终处于可建造的范围之内。论文第一作者为土木与环境工程系博士生Zane Schemmer。更具可建造性的设计基于计算机的拓扑优化技术已有数十年历史它通过计算机程序在给定空间内对材料分布进行最优化处理例如以最低重量实现最强结构。由此产生的设计方案往往呈现出复杂的蛛网状结构即便是最有经验的工程师也难以付诸建造。Josephine和我一直在思考的一个核心问题是为什么业界没有采用这项技术Schemmer回忆道是哪些障碍阻碍了行业更高效地进行设计我们又如何弥合研究与实践之间的差距近年来多位研究人员已开发出简化拓扑优化应用的方法。在本项研究中Schemmer和Carstensen希望整合这些方法并增加新功能例如支持多材料设计——这一直是该领域的另一难题。未来可持续发展的一个重要方面不仅在于减少材料用量还在于根据所处地区、材料获取条件及各材料的碳排放成本等因素高效合理地使用材料Schemmer说。为构建该框架研究团队采用了一类称为混合整数算法的方程组以便在材料选型和连接方式等问题上做出明确的二元决策。你不可能有一个72%是木材、28%是钢材的构件Schemmer说系统会直接判定这根桁架或缆索将由某种材料制成然后基于这一决定确保所有连接节点都满足强度标准。系统的决策还会考虑材料特性。例如钢撑杆能承受压缩荷载而钢缆则不能。与以往方法相比该模型对构件连接方式的建模也更贴近实际情况。在3D打印中构件之间的连接方式相对简单Carstensen说但在建筑施工中则不然。木结构和钢结构各有其不同的规则体系。用户还可以通过指定每个节点处的最大连接数量以及相邻构件之间的最小夹角来控制设计的复杂程度。该模型同样为构件设定了最小尺寸限制进一步提升了设计的可建造性。把那些复杂精细的设计交给承包商是非常困难的因为施工难度极高Schemmer说很多时候承包商一开始就不愿接这类项目。研究人员将采用该方法设计的结构与传统拓扑优化设计的结构进行了对比发现最终设计方案存在显著差异深刻影响了结构的建造方式。以纽约州布法罗附近的洛克波特倒置桥为例他们对桥梁桁架设计分别施加各项约束条件——如构件连接的最小角度或构件的最小尺寸——以分析每项约束对最终设计的影响。最后他们分别设计了纯木结构、纯钢结构以及木钢组合结构的桁架方案展示了不同方案在环境影响与可建造性方面的权衡取舍。我们发现系统知道可以设计一座纯钢桥梁但从碳排放角度来看这未必是最优选择Schemmer说也可以设计一座纯木桥梁但强度可能不够。然而这两种材料可以协同发挥作用——用木材获取碳减排收益在需要更高强度的部位使用钢材从而在结构中找到一种平衡。从研究走向工业应用研究人员表示该方法的计算量比某些方案更大但他们在实验中仅使用一台MacBook Pro便完成了程序运行认为该方法对大多数土木工程公司而言具有实际可行性。计算上确实难度稍高但如今涌现出了许多工具使这类问题变得更加可行Schemmer说过去业界对这种方法有所回避但我们现在认为这是解决涉及可变约束问题的一种切实可行的途径。研究人员表示如果用户拥有更强的计算资源该方法可以支持更多材料类型并应用于远超住宅、小型建筑和桥梁规模的大型结构。展望未来Carstensen表示团队计划按比例缩小建造由该模型设计的实体结构以进一步验证其预测结果。他们还希望为模型增加更多约束条件使其在土木工程师进行基础设施设计时更加易用流畅。作为一名土木工程专业出身的结构工程师我从未受过如何进行低碳设计的系统训练Schemmer说要应对气候变化这样的重大挑战从建筑环境入手是一个很好的切入点。我们能做的最直接的事情之一就是在施工层面、在设计阶段发力因为这是我们可以掌控的关键环节。很多在早期做出的决策最终导致我们使用了大量并不必要的额外材料。本研究由麻省理工学院晨兴设计学院资助。QAQ1拓扑优化技术为什么没有被建筑行业广泛采用A拓扑优化虽然能大幅减少材料用量但它生成的结构往往呈现出复杂的蛛网状形态难以在预算和工期内按照传统施工方法建造。承包商面对过于复杂的设计方案往往直接拒绝接单导致该技术长期停留在研究层面未能在实际工程中推广应用。Q2麻省理工学院的新框架如何提升设计的可建造性A该框架允许用户为算法生成的结构施加多项约束条件包括限制每个节点处的最大连接数量、设定构件之间的最小夹角以及构件的最小尺寸。此外框架还支持多材料设计综合考虑钢材、木材等不同材料的特性来分配荷载从而在优化结构性能的同时确保最终设计方案在现实施工中切实可行。Q3木钢组合结构设计能带来哪些好处A木钢组合结构能在环境效益与结构强度之间取得平衡。木材碳排放成本较低可用于承受拉力的构件钢材强度高可用于需要承压的关键部位。通过混合整数算法系统能自动为每个构件选择最合适的材料在降低整体碳排放的同时保证结构安全可靠。