Огънете, не чупете: нова програма позволява икономичен дизайн на стъклото

paneli

Компютърни учени разработват програма за проектиране, която използва  икономична технология за извити стъклени панели. Програмата се основава на дълбока невронна мрежа и дава възможност за свободен дизайн на красиви стъклени фасади.

Извитите стъклени фасади могат да бъдат изумително красиви, но традиционните строителни методи са изключително скъпи. Стъклата обикновено се правят с „горещо огъване“, където стъклото се нагрява и формира с помощта на матрица или специализирани машини – енергоемък процес, който генерира излишни отпадъци.

Студено огънатото стъкло е по-евтина алтернатива, при която плоските стъкла се огъват и фиксират към рамки на строителната площадка. Въпреки това, като се има предвид крехкостта на материала, постигането на форма, която е едновременно естетична и  възможна за изработка, е изключително предизвикателство. Сега интерактивна програма за проектиране позволява на архитектите да правят точно това.

Софтуерът е създаден от екип от учени от IST Austria, TU Wien, UJRC и KAUST. Той позволява на потребителите интерактивно да създават фасаден дизайн и да получават незабавна обратна връзка за възможностите за производство и естетическите качества на панелите. Това е много удобен начин за управление на различни реализации на намеренията на дизайнера.

Софтуерът се основава на дълбока невронна мрежа, обучена на специални физически симулации, за да предскаже формите и производствеността на стъклени панели. Освен че позволява на потребителите да адаптират интерактивно дадения дизайн, той може автоматично да оптимизира даден дизайн и може лесно да се интегрира в обичайния работен процес на архитекта. Софтуерът и резултатите от изследването бяха представени на SIGGRAPH Asia 2020.

Топло огънато и студено огънато стъкло
Топло огънатото стъкло се използва отXIX век, макар че едва през 90-те години на миналия век става широко достъпно. И все пак процесът остава прекалено скъп и логистиката за транспортиране на огънато стъкло е сложна. Алтернативата – студено огънато стъкло, е разработена преди около десет години. То е евтино, лесно се транспортира, а геометричните и визуалните му качества са по-добри от тези на горещо огънатото стъкло. Техниката също така позволява на архитектите да използват специални видове стъкло и точно да преценяват деформационното напрежение върху панелите.

Въпросът беше в това, че проектирането на студено огънати стъклени фасади представлява огромен изчислителен проблем. Руслан Гусейнов от IST Austria обяснява: „Въпреки че е възможно да се изчисли кога отделен панел ще се счупи или да се осигури резерв за безопасност при допълнителни товари, когато се работи с цялата фасада – която често включва хиляди панели, – задачата е твърде сложна за конвенционалните дизайнерски програми.“ Освен това използването на компютър с традиционни изчислителни методи за получаване на напрежения и форми всеки път, когато е направена промяна, би отнело твърде много време, за да може да се прилага.

Включване на нова технология
Целта на екипа беше да създаде софтуер, който да позволи на (неекспертен) потребител да прави интерактивно промени в повърхността, докато получава информация в реално време за огънатата форма и свързаните напрежения за всеки отделен панел. Създателите избират подход, основан на данни. Екипът провежда повече от милион симулации, за да изгради база данни с възможни извити форми на стъкло, представена в конвенционалния за архитектурата компютърно подпомаган дизайн (CAD). След това на тези данни беше обучена дълбока невронна мрежа (DNN). Тази DNN точно предсказва една или две възможни форми на стъклен панел за дадена четириъгълна гранична рамка; след това те могат да бъдат използвани във фасада, скицирана от архитект.

Това, че DNN прогнозира няколко форми, е „един от най-изненадващите му аспекти“, добавя Константинос Гавриил, съавтор и изследовател в TU Wien. „Знаехме, че дадена граница не дефинира уникално панела, но не предполагахме, че DNN ще може да намери множество решения, въпреки че никога не е виждал два алтернативни панела за една граница.“ От набора от решения програмата избира геометрията на стъклото, която най-добре отговаря на дизайна на фасадата, като се вземат предвид характеристики като гладкост на рамките и отражения.

След това потребителят може да адаптира своя модел, за да намали натоварването и да подобри цялостния външен вид. Ако това се окаже твърде трудно, потребителят може автоматично да оптимизира дизайна по всяко време, което дава „най-подходящото“ решение, което значително намалява броя на неизползваемите панели. В крайна сметка или всички панели могат да бъдат безопасно конструирани, или потребителят може да избере да огъне горещо няколко от тях. След като потребителят е доволен от формата, програмата експортира плоските форми на панела и геометрията на рамката, необходими за изграждането на фасадата.

Точност и ефективност
За да тества точността на симулациите, екипът произвежда рамки и стъклени панели, включително панели под изключително голямо напрежение. В най-лошия случай те наблюдават незначително отклонение от предвидените форми (по-малко от дебелината на панела) и всички панели са произведени според очакванията. Освен това екипът провери, че моделът, управляван от данни, вярно (и ефективно) възпроизвежда резултатите от симулациите.

„Ние вярваме, че сме създали нова, практична система, която съчетава геометричен дизайн и дизайн, съобразен с производството. Тя позволява ефективен баланс между икономически, естетически и инженерни критерии“, заключава Бернд Бикел, професор в IST Austria. В бъдеще програмата може да бъде разширена, за да включва допълнителни функции за практически архитектурен дизайн или да бъде използвана за изследване на различни материали и по-сложни механични модели.

Може да харесате още...