Программное обеспечение, созданное группой ученых из IST Austria, TU Wien, UJRC и KAUST, позволяет пользователям интерактивно управлять дизайном фасада и получать немедленную обратную связь о технологичности и эстетике панелизации – очень удобный способ навигации по различным реализациям. намерений дизайнера. Программное обеспечение основано на глубокой нейронной сети, обученной на специальном физическом моделировании для прогнозирования формы и технологичности стеклянных панелей.
Помимо того, что пользователи могут интерактивно адаптировать предполагаемый дизайн, он может автоматически оптимизировать данный дизайн и может быть легко интегрирован в обычный рабочий процесс архитектора. Программное обеспечение и результаты исследований были представлены на SIGGRAPH Asia 2020.
Гнутые горячим и холодным способом стекла
Гнутое горячим способом стекло используется с XIX века, но только в 1990-х годах оно стало общедоступным. Тем не менее, этот процесс остается непомерно дорогим, а логистика транспортировки гнутого стекла сложна. Альтернативное стекло, гнутое в холодном состоянии, было разработано около десяти лет назад.
Это было дешево в изготовлении, легко транспортировать, а геометрические и визуальные качества были лучше, чем у горячегнутого стекла. Этот метод также позволил архитекторам использовать специальные виды стекла и точно оценить деформационное напряжение на панелях.
Проблема заключалась в том, что проектирование фасадов из холодногнутого стекла представляет собой огромную вычислительную проблему. Руслан Гусейнов, постдок IST Austria и соавтор, объясняет: «Хотя можно рассчитать, когда отдельная панель сломается, или обеспечить запас прочности для дополнительных нагрузок, работая с полным фасадом, который часто состоит из тысяч панелей. – просто слишком сложно для обычных дизайнерских инструментов."Более того, использование компьютера с традиционными вычислительными методами для получения напряжений и форм каждый раз, когда вносятся изменения, займет слишком много времени, чтобы их можно было использовать.
Включение новой технологии
Таким образом, цель команды заключалась в создании программного обеспечения, которое позволило бы пользователю (не являющемуся экспертом) интерактивно редактировать поверхность, получая в режиме реального времени информацию о изогнутой форме и связанных напряжениях для каждой отдельной панели. Они выбрали подход, основанный на данных: команда провела более миллиона симуляций для создания базы данных возможных изогнутых форм стекла, представленных в формате автоматизированного проектирования (САПР), принятом в архитектуре.
Затем на этих данных была обучена глубокая нейронная сеть (DNN). Эта DNN точно предсказывает одну или две возможные формы стеклянных панелей для данной четырехугольной граничной рамки; затем их можно использовать в фасаде, нарисованном архитектором.
То, что DNN предсказало несколько форм, было «одним из самых удивительных аспектов DNN», – добавляет Константинос Гавриил, соавтор и исследователь TU Wien. «Мы знали, что данная граница не определяет панель однозначно, но мы не ожидали, что DNN сможет найти несколько решений, хотя никогда не видел двух альтернативных панелей для одной границы.«Из набора решений программа подбирает геометрию оконного стекла, которая наилучшим образом соответствует дизайну фасада, с учетом таких характеристик, как плавность рам и отражения.
Затем пользователь может адаптировать свою модель, чтобы уменьшить стресс и иным образом улучшить внешний вид. Если это окажется слишком сложным, пользователь может автоматически оптимизировать конструкцию в любое время, что дает наиболее подходящее решение, которое значительно сокращает количество недопустимых панелей. В конце концов, либо все панели могут быть безопасно сконструированы, либо пользователь может выбрать горячее изгибание некоторых из них.
Когда пользователь удовлетворен формой, программа экспортирует формы плоских панелей и геометрию каркаса, необходимые для строительства фасада.
Точность и эффективность
Чтобы проверить точность моделирования, команда изготовила рамы и стеклянные панели, в том числе панели, подвергающиеся чрезвычайно высокой нагрузке. В худшем случае они наблюдали незначительное отклонение от прогнозируемой формы (меньше толщины панели), и все панели были изготовлены, как и ожидалось.
Команда также подтвердила, что модель, управляемая данными, точно (и эффективно) воспроизводит результаты моделирования.
«Мы считаем, что создали новую, практичную систему, которая сочетает в себе геометрический и ориентированный на производство дизайн и позволяет дизайнерам эффективно находить баланс между экономическими, эстетическими и инженерными критериями», – заключает Бернд Бикель, профессор IST Austria.
В будущем программа может быть расширена за счет включения дополнительных функций для практического архитектурного проектирования или может использоваться для изучения различных материалов и более сложных механических моделей.