Development of a double step optimization workflow for Architectural Design Optimization

L'esigenza umana di sfidare la fisica e realizzare strutture complesse e spettacolari ha portato architetti come Gaudi, Gehry e Zaha Hadid a progettare sistemi free-form che coprono lunghe campate senza colonne intermedie (strutture a campata libera). Le strutture a campata libera sono solitamente modellate come gusci (in inglese “shells”) , specialmente nel caso della progettazione di coperture. I gusci sono definiti come membrane esterne curve, e rappresentano un caso particolare di piastre. Dal punto di vista strutturale, i gusci sono soggetti solo a sforzi normali, il che è vantaggioso in quanto non si considera il momento flettente. Inoltre, un particolare tipo di guscio può essere definito, la gridshell, che è una griglia di travi che funziona come una shell; quindi, tutte le travi sono soggette unicamente a sforzi assiali. Le strutture definite precedentemente non possono essere modellate con il classico software CAD, ma è necessario adottare strumenti per lavorare con parametri variabili. Pertanto, è fondamentale passare dai metodi di progettazione classici al disegno algoritmico, in cui la struttura si evolve in funzione di alcune variabili (definite come parametri). La complessità delle forme ottenuta grazie all' Algorithm Aided Design viene poi sottoposta ad analisi strutturali grazie al collegamento diretto che prevede la possibilità di implementare il FEM. Tuttavia, c'è un problema nell'interazione tra i processi di ingegneria e architettura, poiché non c'è una connessione diretta tra il modello strutturale e quello architettonico. Per esempio, supponiamo che l'utente cambi alcuni parametri nella progettazione architettonica. In questo caso, è necessaria una nuova definizione strutturale: si tratta di un problema critico in quanto aumenta i tempi e le fasi necessarie per ottenere il progetto finale, soprattutto quando si tratta di ottimizzazione. L'obiettivo della tesi è semplificare questo processo utilizzando diversi strumenti incorporati in Grasshopper. Quest'ultimo, fornito da McNeel&Associates, consente all'utente di lavorare con strumenti di Analisi degli Elementi Finiti come Karamba3D e Sofistik all'interno del programma, utilizzando quindi ancora l'approccio di modellazione algoritmica. In termini di tensioni e deformazioni, la valutazione dei risultati strutturali è funzione dei parametri imposti dal progettista, e sarà eseguita in diverse fasi. Al fine di implementare una metodologia che consideri i fattori di progettazione (parametri) connessi alla modellazione degli elementi finiti, con la relativa ottimizzazione strutturale, è stato sviluppato un modello iniziale, rappresentato da un guscio in calcestruzzo. Questo progetto iniziale applica un'ottimizzazione in due fasi: la geometria iniziale è soggetta alla forma-finding tramite l'add-on Kangaroo (basato sulla dynamic relaxation), in seguito ci sono fasi successive di ottimizzazione strutturale con l'obiettivo di minimizzare la massa e le tensioni all'interno dell'oggetto strutturale. La seconda fase di ottimizzazione strutturale utilizza un solutore genetico-evolutivo. Questa procedura viene ripetuta nel modello finale, in questo caso l'oggetto in studio è una gridshell con una campata più ampia. Una gridshell è una griglia costituita da travi, quindi il processo di ottimizzazione è più facile da applicare, in quanto vi è un gran numero di elementi di dimensioni ridotte; tuttavia, a causa della presenza di un numero elevato di componenti strutturali, è più complesso comprendere la stato tensionale.