弧形玻璃幕墻雖然非常美觀，但傳統(tǒng)的建造方法成本非常高。玻璃板通常采用 “熱彎”，即用模具或?qū)ｉT(mén)的機(jī)器對(duì)玻璃進(jìn)行加熱和成型，這是一個(gè)非常耗能的過(guò)程，并會(huì)產(chǎn)生多余的廢物。冷彎玻璃是一種更便宜的替代方法，即在施工現(xiàn)場(chǎng)將平板玻璃彎曲并固定在框架上。考慮到材料的脆性，設(shè)計(jì)出一種既美觀又可制造的形式是非常有挑戰(zhàn)性的。現(xiàn)在，一種交互式、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)工具讓建筑師們可以做到這一點(diǎn)。
該軟件由來(lái)自?shī)W地利科學(xué)技術(shù)研究所（IST）等多個(gè)研究機(jī)構(gòu)的科研團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建，用戶可以交互式地操作一個(gè)立面設(shè)計(jì)，并立即收到關(guān)于面板化的可制造性和美學(xué)的反饋，用于瀏覽設(shè)計(jì)師想法的各種實(shí)現(xiàn)方式。該軟件基于一個(gè)在特殊物理模擬上訓(xùn)練的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)玻璃面板的形狀和可制造性。除了允許用戶交互式地調(diào)整意向設(shè)計(jì)外，它還可以自動(dòng)優(yōu)化給定的設(shè)計(jì)，并可以很容易地集成到建筑師的常規(guī)工作流程中。
該軟件和研究成果在SIGGRAPH Asia 2020上進(jìn)行了展示。
熱彎玻璃自19世紀(jì)起就開(kāi)始使用，但直到20世紀(jì)90年代才開(kāi)始普遍使用。不過(guò)，這種工藝仍然非常昂貴，而且運(yùn)輸彎曲玻璃的物流也很復(fù)雜。大約十年前，人們開(kāi)發(fā)出了一種替代產(chǎn)品—冷彎玻璃。它制作成本低，運(yùn)輸方便，幾何和視覺(jué)質(zhì)量也比熱彎玻璃好。這種技術(shù)還允許建筑師使用特殊類型的玻璃，并準(zhǔn)確預(yù)估面板上的變形應(yīng)力。
設(shè)計(jì)冷彎玻璃幕墻需要一個(gè)龐大的計(jì)算。奧地利IST博士后、共同第一作者Ruslan Guseinov解釋說(shuō)：“雖然可以計(jì)算出單個(gè)面板何時(shí)會(huì)破裂，或者為額外的載荷提供安全系數(shù)，但對(duì)于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)工具來(lái)說(shuō)，處理由數(shù)千塊面板組成的整個(gè)立面實(shí)在是太復(fù)雜了。” 此外，使用計(jì)算機(jī)與傳統(tǒng)的計(jì)算方法來(lái)獲得每次改變時(shí)的應(yīng)力和形狀，將花費(fèi)太長(zhǎng)的時(shí)間。
因此，該團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是創(chuàng)建一個(gè)軟件，使用戶（非專家）能夠交互式地編輯一個(gè)表面，同時(shí)接收每個(gè)面板的彎曲形狀和相關(guān)應(yīng)力的實(shí)時(shí)信息。他們采用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的方法：團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了100多萬(wàn)次模擬，以建立一個(gè)可能的曲面玻璃形狀數(shù)據(jù)庫(kù)，用建筑學(xué)中傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）格式表示。然后，在這些數(shù)據(jù)上訓(xùn)練了一個(gè)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）。這個(gè)DNN精確地預(yù)測(cè)了給定的四邊形邊界框架的一個(gè)或兩個(gè)可能的玻璃面板形狀，這些形狀可以用到建筑師繪制的立面草圖中。
共同第一作者Konstantinos Gavriil補(bǔ)充道："我們知道一個(gè)給定的邊界并不能唯一地定義面板，但我們沒(méi)有預(yù)料到DNN能夠找到多個(gè)解決方案，即使它從未見(jiàn)過(guò)一個(gè)邊界的兩個(gè)備選面板。" 從一組解決方案中，程序會(huì)選擇最適合外立面設(shè)計(jì)的面板幾何形狀，同時(shí)考慮到框架的平滑度和反射等特征。
用戶可以調(diào)整模型，以減少應(yīng)力并以其他方式改善整體外觀，此外還可以隨時(shí)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出 “最適合 ”的解決方案，大大減少了不可行的面板數(shù)量。最后，要么所有的面板都可以安全地建造，要么用戶可以選擇對(duì)其中的幾塊面板進(jìn)行熱彎。一旦用戶對(duì)外形滿意，程序就會(huì)導(dǎo)出建造外墻所需的平板形狀和框架幾何形狀。
為了測(cè)試模擬的準(zhǔn)確性，該團(tuán)隊(duì)制造了框架和玻璃面板，包括在極高壓力下的面板。在最壞的情況下，他們觀察到了與預(yù)測(cè)形狀的微小偏差(小于面板厚度)，所有的面板都可以按預(yù)期制造。該團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步驗(yàn)證了數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的模型真實(shí)、有效地再現(xiàn)了模擬的輸出。
該論文標(biāo)題為：Computational design of cold bent glass faades
