Optimizaciones Estructurales en Modelos Paramétricos Manuel Araya S. AQD1222 Modelación y Representación Digital Avanzada - Prof. Rodrigo Culagovski - ARQ PUC 2010
1 Introducción
2 Ramificaciones Estructurales Mínimas
Las tecnologías actuales han posibilitado la construcción de estructuras de formas libres y complejas, en donde las técnicas de cálculo estructural se utilizan para comprobar la validez de soluciones planteadas según el criterio y experiencia del diseñador. Estas soluciones se obtienen habitualmente por procesos iterativos de prueba y error entre ingeniero y diseñador en un proceso lento y costoso. Últimamente, y debido al avance en la velocidad de los cálculos computacionales, la optimización de estructuras a derivado en la aplicación de modelos matemáticos en búsqueda de la mejor solución estructural posible. Junto con esto ha nacido la optimización topológica, la cual pretende obtener la distribución óptima de material según condiciones rigurosas establecidas por el diseñador. Estas optimizaciones permiten informar y modificar el diseño, aunque siguen siendo un proceso iterativo y lento en su forma de actuar, en donde muchas veces se deben pasar por multiples plataformas de información (softwares) y que son incompatibles entre ellas.
Para testear la capacidad del plugin Kangaroo de ser llevado al tema de las optimizaciones estructurales, se realizó un modelo paramétrico sencillo que crea una estructura ramificada según unos puntos aleatorios en un plano. Esta estructura inicial no tienen ningún tipo de optimización, por lo que se utilizó el plugin Kangaroo para calcular la estructura mínima entre los puntos base y los últimos puntos de la ramificación con los mismos elementos de esta estructura, generando una nueva estructura optimizada. Adicionalmente y como una herramienta de análisis, compruebo que elementos son comprimidos y traccionados con respecto a la situación original y los represento gráficamente en colores distintos.
El problema a desarrollar se plantea dentro de este contexto, buscando la integración de estos nuevos procesos de optimización estructural en las plataformas de diseño, como una forma de poder integrar estas optimizaciones en el proceso de diseño, específicamente en modelos paramétricos. El trabajo desarrollado esta dividido en varias etapas: 1. Probar la capacidad del simulador de físicas 3D “Kangaroo” para el plugin paramétrico Grasshopper del software Rhinoceros. 2. Formular una hipótesis con respecto a la simulación obtenida de manera de obtener análisis de esto y poder llevarlo a una optimización estructural. 3. La modelación de una estructura paramétrica que permita realizar estos análisis. 4. La incorporación de estós análisis a esta estructura y obtener las primeras optimizaciones estructurales.
Figura 2: Estructura ramificada inicial.
Figura 1: (a) Sagrada Familia. Antoni Gaudí. Optimización estructural manual por medio de maquetas de catenarias invertidas. (b) Manantiales. Izquierdo Lehmann. Mútiples iteraciones entre arquitectos e ingenieros (prueba y error).
Para la estructura ramificada inicial se generan una serie de puntos aleatorios en un plano, los cuales se conectan según la proximidad entre si. Esta conexión se evalúa en el punto medio entre los puntos y se mueve en una altura definida. Se itera 5 veces el proceso con los puntos y ramificaciones resultantes, obteniendo 5 niveles de ramificación. 1