مدل رایانه‌ای می‌تواند پل‌ها و ساختمان‌هایی با مصرف مصالح کمتر را ممکن سازد

پژوهشگران MIT رویکردی برای تولید سازه‌هایی با قابلیت ساخت بهتر توسعه داده‌اند که شکاف میان طراحی بهینه و ساخت‌وساز در دنیای واقعی را پر می‌کند.
در سال ۲۰۲۲، تولید جهانی مصالح ساختمانی بیش از ۷ درصد از کل انتشار کربن را به خود اختصاص داد. اما چه میزان از این مصالح برای ساخت خانه‌ها، ساختمان‌ها و پل‌ها واقعاً ضروری بودند؟

تکنیکی به نام «بهینه‌سازی توپولوژی» می‌تواند سازه‌هایی را طراحی کند که مقدار مصالح مصرفی را در برخی موارد تا ۹۰ درصد کاهش می‌دهند؛ این امر می‌تواند منجر به کاهش چندین گیگاتنی در انتشار کربن ساختمان‌ها شود. متأسفانه، بهینه‌سازی توپولوژی عمدتاً توسط پژوهشگران برای کاربردهایی مانند چاپ سه‌بعدی استفاده می‌شود، نه توسط مهندسانی که در مقیاس ساختمان‌ها و پل‌ها طراحی می‌کنند.

دلیل این امر آن است که بهینه‌سازی توپولوژی، سازه‌هایی ایجاد نمی‌کند که به راحتی و در زمان و بودجه تعیین‌شده قابل ساخت باشند؛ مسائلی که برای سازندگان اهمیت حیاتی دارد.

اکنون پژوهشگران MIT راهی یافته‌اند تا طرح‌های حاصل از بهینه‌سازی توپولوژی را «ساختنی‌تر» کنند. چارچوب آن‌ها که امروز در مقاله‌ای جدید در نشریه «اتوماسیون در ساخت‌وساز» (Automation in Construction) شرح داده شده، به کاربران اجازه می‌دهد محدودیت‌هایی را بر سازه‌های تولیدشده توسط الگوریتم اعمال کنند تا پیچیدگی آن‌ها کنترل شود. برای مثال، این رویکرد به کاربران اجازه می‌دهد تعداد اجزایی که در هر نقطه از طراحی به هم می‌رسند و همچنین حداقل اندازه قطعات را محدود کنند. این پژوهش همچنین بر پایه کارهای قبلی، سازه‌هایی با چندین نوع مصالح را طراحی کرده و با در نظر گرفتن ویژگی‌های مواد، بار را توزیع و اتصالات قطعات را مشخص می‌کند.

جوزفین کارستنسن، نویسنده ارشد مقاله و استاد مهندسی عمران در MIT می‌گوید: «تعاملی میان مصالحی که استفاده می‌کنید، قابلیت ساخت طرح‌ها و بهینه‌سازی سازه وجود دارد. شما باید بتوانید به هر سه مورد به طور همزمان رسیدگی کنید. این کاری است که ما سعی کردیم در اینجا انجام دهیم.»

پژوهشگران از رویکرد خود برای طراحی سازه‌های خرپایی فولادی، چوبی و چندماده‌ای استفاده کردند که بارهای ساختمان‌ها و پل‌ها را تحمل می‌کنند؛ آن‌ها نشان دادند که با اعمال محدودیت‌های مختلف، میزان انتشار کربن مرتبط با مصالح به طور قابل توجهی تغییر می‌کند. آن‌ها امیدوارند که این چارچوب، بهینه‌سازی توپولوژی را به استفاده در ساخت‌وساز واقعی نزدیک‌تر کند.

کارستنسن می‌گوید: «در ادبیات فنی، گاهی اوقات عدم ارتباطی بین صرفه‌جویی کربنی که می‌توانید در کامپیوتر به دست آورید و صرفه‌جویی کربنی واقع‌بینانه‌ای که برای سازه‌های ساخته‌شده به دست می‌آید وجود دارد؛ به‌ویژه زمانی که بحث فناوری‌های طراحی مانند بهینه‌سازی توپولوژی مطرح است. مشکل در نبود قابلیت ساخت طرح‌ها نهفته است. این طرح‌ها به عنوان سازه‌هایی بیش از حد دشوار برای ساخت با روش‌های مرسوم تلقی شده‌اند، بنابراین حتی تلاشی هم برای ساخت آن‌ها صورت نمی‌گیرد. این همان چیزی است که رویکرد ما را هیجان‌انگیز می‌کند: ما می‌توانیم محدودیت‌هایی اضافه کنیم تا شما هرگز در موقعیتی قرار نگیرید که طراحیِ حاصل، بیش از حد دشوار باشد.»

زین شمر، دانشجوی دکتری مهندسی عمران و محیط‌زیست و نویسنده اول مقاله، در این پژوهش با کارستنسن همکاری کرده است.
طراحی‌های با قابلیت ساخت بیشتر

بهینه‌سازی توپولوژی مبتنی بر رایانه، دهه‌هاست که وجود دارد. این روش از برنامه‌های کامپیوتری برای توزیع بهینه مصالح در یک فضای مشخص استفاده می‌کند؛ برای مثال، ایجاد مستحکم‌ترین سازه ممکن با کمترین وزن. طرح‌های حاصل اغلب سازه‌های پیچیده و شبیه به تار عنکبوت هستند که ساخت آن‌ها حتی برای توانمندترین مهندسان نیز یک چالش محسوب می‌شود.

شمر به یاد می‌آورد: «پرسش بزرگی که من و جوزفین مطرح می‌کردیم این بود که چرا صنعت از آن استفاده نمی‌کند؟ موانعی که جلوی طراحی کارآمدتر در صنعت را می‌گیرند چیست و چگونه می‌توانیم شکاف میان پژوهش و دنیای واقعی را پر کنیم؟»

در سال‌های اخیر، پژوهشگران روش‌هایی برای تسهیل استفاده از بهینه‌سازی توپولوژی توسعه داده‌اند. شمر و کارستنسن در مطالعه خود قصد داشتند این رویکردها را گرد هم آورده و قابلیت‌های جدیدی به آن‌ها اضافه کنند؛ مانند ایجاد طرح‌هایی که از چندین نوع مصالح استفاده می‌کنند که این خود چالشی دیگر در این حوزه بوده است.

شمر می‌گوید: «بخش بزرگی از پایداری در آینده، نه تنها کاهش مصرف مصالح، بلکه پیاده‌سازی کارآمد مصالح بر اساس ملاحظاتی مانند موقعیت جغرافیایی، دسترسی به مصالح و هزینه کربنِ مرتبط با هر کدام خواهد بود.»

آن‌ها برای ساخت چارچوب خود، از کلاسی از معادلات به نام «الگوریتم‌های عدد صحیح مختلط» استفاده کردند که به اتخاذ تصمیمات دوگانه (بله/خیر) در مورد مسائلی مانند نوع مصالح و اتصالات کمک می‌کند.

شمر می‌گوید: «شما نمی‌توانید قطعه‌ای داشته باشید که ۷۲ درصد چوب و ۲۸ درصد فولاد باشد. در عوض، این سیستم می‌گوید: "این خرپا یا کابل از این جنس ساخته خواهد شد" و سپس بر اساس آن تصمیم، چگونه اطمینان حاصل کنیم که تمام این اتصالات استانداردهای مقاومت خود را رعایت می‌کنند؟»

تصمیمات سیستم همچنین ویژگی‌های مصالح را در نظر می‌گیرد. برای مثال، ستون‌های فولادی می‌توانند بارهای فشاری را تحمل کنند، اما کابل‌های فولادی قادر به این کار نیستند. این مدل همچنین نسبت به رویکردهای قبلی، مدل‌سازی واقع‌بینانه‌تری از نحوه اتصال قطعات دارد.

کارستنسن می‌گوید: «در چاپ سه‌بعدی، نحوه کنار هم قرار گرفتن قطعات آسان است. در ساخت‌وساز، وضعیت این‌گونه نیست. اگر با چوب می‌سازید، مجموعه‌ای از قوانین خاص وجود دارد، در حالی که فولاد قوانین متفاوتی دارد.»

کاربران همچنین می‌توانند با تعیین حداکثر تعداد اتصالات در هر گره و حداقل زاویه بین اجزای متصل، پیچیدگی طرح خود را مشخص کنند. این مدل همچنین محدودیت‌های حداقل اندازه را برای قطعات ایجاد می‌کند که قابلیت ساخت آن را بیش از پیش بهبود می‌بخشد.

شمر می‌گوید: «تحویل دادن این طرح‌های پیچیده و بغرنج به پیمانکار دشوار است، چون ساخت آن‌ها بسیار سخت خواهد بود. اغلب اوقات، پیمانکاران از همان ابتدا چنین پروژه‌ای را قبول نمی‌کنند.»

پژوهشگران سازه‌های طراحی‌شده با رویکرد خود را با سازه‌های طراحی‌شده با بهینه‌سازی توپولوژی مرسوم مقایسه کردند که نشان‌دهنده تفاوت‌های چشمگیر در طرح‌های نهایی بود؛ تفاوت‌هایی که نحوه ساخت سازه‌ها را متحول می‌کرد. آن‌ها با استفاده از نمونه «پل وارونه» لاک‌پورت در نزدیکی بوفالو نیویورک، محدودیت‌های فردی مانند حداقل زاویه در اتصالات یا حداقل اندازه قطعات را بر طراحی خرپای پل اعمال کردند تا بهتر درک کنند که هر محدودیت چگونه بر طرح نهایی تأثیر می‌گذارد.

در نهایت، آن‌ها طرح‌های خرپایی ساختند که فقط از چوب، فقط از فولاد، و ترکیبی از چوب و فولاد استفاده می‌کردند و نشان دادند که پروژه‌های مختلف، مبادلات (Tradeoffs) متفاوتی از نظر تأثیرات زیست‌محیطی و قابلیت ساخت ارائه می‌دهند.

شمر می‌گوید: «ما دیدیم که چگونه سیستم می‌داند که می‌توان یک پل را از فولاد خالص طراحی کرد، اما این ممکن است از نظر کربن بهترین گزینه نباشد. یا می‌توان پلی را صرفاً از چوب طراحی کرد، اما ممکن است مستحکم‌ترین نباشد. اما این مصالح می‌توانند با هم کار کنند، بنابراین شما از چوب برای کاهش کربن و از فولاد در جاهایی که به مقاومت اضافی نیاز دارید استفاده می‌کنید و این تعادلی است که می‌توانید در این سازه‌ها پیدا کنید.»
از پژوهش تا صنعت

پژوهشگران می‌گویند رویکرد آن‌ها از نظر محاسباتی سنگین‌تر از برخی رویکردهای دیگر است، اما آن‌ها توانستند با استفاده از یک مک‌بوک پرو، برنامه‌ها را در آزمایش خود اجرا کنند و معتقدند که این روش برای اکثر شرکت‌های مهندسی عمران کاربردی است.

شمر می‌گوید: «حل این مسائل از نظر محاسباتی کمی دشوارتر است، اما امروزه ابزارهای زیادی در حال عرضه هستند که این کار را بسیار امکان‌پذیرتر می‌کنند. این رویکرد در گذشته توسط صنعت نادیده گرفته شده بود، اما اکنون فکر می‌کنیم که راهی عملی برای حل مسائلی است که با محدودیت‌های متغیر سر و کار دارند.»

پژوهشگران می‌گویند اگر کاربران منابع محاسباتی بیشتری داشته باشند، رویکرد آن‌ها می‌تواند با فهرست بلندبالایی از مصالح و سازه‌هایی بسیار بزرگ‌تر از خانه‌ها، ساختمان‌های کوچک و پل‌ها کار کند.

با نگاه به آینده، کارستنسن می‌گوید که این تیم قصد دارد سازه‌های کوچک‌مقیاس (ماکت) طراحی‌شده توسط این مدل را بسازد تا پیش‌بینی‌های آن را بیشتر اعتبارسنجی کند. آن‌ها همچنین می‌خواهند محدودیت‌هایی را به مدل خود اضافه کنند تا استفاده از آن برای مهندسان عمران هنگام طراحی زیرساخت‌های جهانی، بسیار روان‌تر شود.

شمر می‌گوید: «به عنوان یک مهندس سازه، هیچ‌وقت به من آموزش داده نشد که چگونه با هدف کاهش کربن طراحی کنم. برای مقابله با مشکلی به بزرگی تغییرات اقلیمی، پرداختن به "محیط ساخته‌شده" نقطه شروع بسیار خوبی است. یکی از ملموس‌ترین کارهایی که می‌توانیم انجام دهیم، مداخله در لایه ساخت‌وساز، یعنی در مرحله طراحی است؛ زیرا این یک گام اساسی است که می‌توانیم کنترلش کنیم. ما تصمیمات زیادی در مراحل اولیه می‌گیریم که منجر به مصرف مصالح اضافی می‌شود که نیازی به آن‌ها نداریم.»

این پژوهش توسط «آکادمی طراحی مورنینگ‌ساید MIT» تأمین مالی شده است.