在2022年，全球建筑材料的生产占总碳排放的超过7%。但究竟有多少材料是建造房屋、建筑和桥梁所必需的呢？一种名为拓扑优化的技术可以设计出在某些情况下减少多达90%材料使用的结构，这将代表数十亿吨的建筑排放减少。
目前，拓扑优化主要被研究人员用于3D打印等应用，而并未广泛应用于建筑和桥梁的设计。这是因为拓扑优化生成的结构通常难以在时间和预算内建造，而这些正是建筑商所关注的重点。麻省理工学院的研究人员开发了一种方法，使拓扑优化设计更易于建造。他们在《建筑自动化》期刊中描述的这一框架，允许用户对算法生成的结构施加约束，以限制其复杂性。
例如，该方法允许用户限制每个设计点的组件数量以及最小部件的大小。此外，该方法在设计多种材料结构时考虑了材料的属性，以分配负载和指定部件连接。“你需要能够同时解决材料、设计的可建造性和结构的优化，”资深作者Josephine Carstensen表示。
研究人员使用他们的方法设计了支持建筑和桥梁负载的钢、木材和多材料桁架结构，展示了在施加不同约束时材料的碳排放显著变化。他们希望这一框架能使拓扑优化更接近于实际建筑的应用。
“在文献中，计算机上可以实现的碳节省与实际建筑中可以实现的碳节省之间有时存在脱节，”Carstensen说。研究者们的框架比以往更具可建造性，用户可以通过指定连接的最大数量和最小角度来决定设计的复杂性。
研究者们比较了使用新方法设计的结构与传统拓扑优化设计的结构，展示了最终设计的显著差异。以纽约水牛城附近的“倒置桥”为例，他们应用了单独的约束，以更好地理解每个约束如何影响最终设计。
研究团队计划构建缩小版的结构，以进一步验证其预测，并希望在模型中添加更多约束，使其在设计基础设施时对土木工程师更为友好。
“作为一名结构工程师，我从未学过如何设计低碳建筑，”Schemmer表示。为了应对气候变化这一重大问题，改善建筑环境是一个重要的起点，因为我们可以在设计阶段控制许多早期决策，这些决策会导致不必要的额外材料使用。该项目得到了麻省理工学院晨曦设计学院的资助。
博主点评： 这项研究不仅在理论上推进了拓扑优化的应用，还通过实际可建造性约束的引入，极大地增强了其在建筑行业的实用性。随着可持续发展理念的深入，如何有效利用材料，减少碳排放，将成为未来建筑设计的关键因素。