更坚固轻巧持续的3D建筑结构技术

构建方法的重大突破并不经常出现。一些改变世界的例子包括法国加尔浮板设计，以及胡佛水坝。经过几个世纪的设计创新，混凝土一直是人造结构的坚固材料。但是，随着3D打印和人工智能（AI）等新技术有望使混凝土更轻，更耐用，甚至最重要的是更加可持续发展，旧的配方和方法也在不断发展。



结构工程师首席执行官；他和他的团队正在牵头一个项目，他们希望该项目将有助于发展可持续的混凝土施工技术。正在将概念设计应用于钢筋混凝土结构（从概念验证的混凝土深梁开始），以探索节省材料的方法以及该过程的其他潜在好处。

位于多伦多的技术中心的AEC集中居住的生成设计，以开发概念，然后与波士顿的机器人专家合作，建造了钢筋混凝土并了解3D打印。张尔维拉说，该项目是他的博士学位论文的“生活，呼吸应用”，“旨在利用生成的设计，人工智能和机器人技术重塑钢筋混凝土结构的设计和建造过程”。

关于传统的混凝土设计和施工，张尔维拉说：“这完全不是问题，而是一个局限性，因为它基于设计师的经验和传统制造工艺的局限性。”取而代之的是，“细微结构”方法通过有限元分析（FEA）观察混凝土结构的行为，然后使用计算对其进行整形并在合适的位置进行加固。他说：“基本上，我们将设计负载分为多个步骤。”“我们没有提议和计算等效的桁架来表示复杂的形状，而是采用拉杆和拉杆的方法，而是分析了每个荷载步骤，增加了荷载步骤以了解需要加固的最薄弱点。”

该团队在温莎大学的结构实验室中构建了几种具体形式，将它们附加到液压框架上以施加压力，并使用相机应用数字图像关联（DIC）系统来记录测试，这使得分析应变成为可能。然后在一定的压力条件下施加压力。然后，他们又回到了生成设计算法中，提出了新的代码行，以进一步改善结构行为与下一批元素所用材料之间的关系。

可持续混凝土小规模深梁样品设计有不同约束条件但使用相同方法的小规模深光束样品。该过程直接节省了材料。“这意味着设计过程是基于压力的，”张尔维拉说。压力是力除以面积。如果增加应力强度，则可以减小面积，如果减小面积，则可以减少内部材料量。”

这导致了非典型，不规则形状的桁架特征生成设计算法众所周知：怪异但最优。从该算法生成的1,000多个模型中选择了10种主要设计。该团队开始使用拓扑优化作为生成设计方法的触发器。换句话说，该要素被分为小要素（FEA流程）。理解给定元素的行为并对其施加压力，可以得出计算结果，这些计算结果相结合，就可以得出整个零件的行为。对于负载的每一步，该算法分析了哪些小元素可以被排除而又不影响整个集合的结构行为。之后，它一次又一次地运行，直到达到设计目标。

发现生成设计在建筑中的应用。

最终结果是深光束仅包含传统人为设计过程中使用的材料的55％。在证明了减少材料的可能性之后，下一个合乎逻辑的步骤是探索更好的材料科学，结合增材制造，并使整个过程变得更加智能（绿色）。

使用的超高性能混凝土比传统混合物更坚韧，更昂贵，但与常规混凝土相比，所需的数量更少-并且由于生成设计所提供的材料节省，它变得更加实惠。它还使用更具可持续性的模板进行构造，从而进一步节省了金钱和材料。

3D打印等技术正在改变制造过程。将混凝土限制在直线上的传统模板可能已经成为过去。研究正在继续进行3D打印在混凝土结构内部发现的钢筋。同时，张尔维表示，各公司进行小规模印刷钢的研究正在为越来越复杂的混凝土钢筋结构打开大门。其他人正在尝试用更轻和更强的碳纤维化合物制造钢筋

可持续混凝土DAQ（数据采集）系统测试集：黑匣子是DAQ（数据采集）系统。作为概念的证明，正在使用生成设计算法和机器人制造商来设计钢筋混凝土人行天桥。开发这种结构将使团队能够处理超出当前技术范围的形状，形式和尺寸。

在使用常规模板时，我们仅限于某些形状，因此我们必须在设计过程中使用这些限制，。“将来，钢筋笼的设计可以由性能要求决定，而不受当前装配技术的限制。”行人天桥是一直在进行的所有工作的理想应用，因为从公司研究中得出的预应力混凝土可以制成与传统建筑中使用的形状完全不同的形状。他说：“此应用程序可能是打破钢筋混凝土世界中有关增材制造和生成设计范例的好机会。”

目标是在两三年内完成该项目。这座桥不仅将展示一切可能性。它还将成为证明该方法的局限性，机遇和特殊性的教学工具。张尔维说，这些技术可以应用于世界各地的各种结构。他说：“我们的目标是生产整栋建筑，高层建筑，金属建筑。”“当您使用人工智能设计结构元素的位置时，您可以走得很远。”

这些类型的创新可能会导致外观看起来完全不同的世界，因为该体系结构将部分由算法提供驱动，这些算法提供了传统设计实践无法实现的选择。 张尔维拉说：“将来，我们可以使用这种方法来确定元素的体系结构和位置，因此形状将与今天有很大的不同，并且性能会更好。”“一旦我们可以使用成千上万的解决方案，我们就可以找到要提高性能并减少材料量的要点。

 随着3D打印和机器人技术使建造速度加快，生成设计将减少材料并创建新的范例以使建筑组件更好。诸如为建筑赋予了新的可持续的生命。