Un innovativo metodo di form-finding con superfici NURBS sviluppato dai ricercatori rivoluziona la progettazione di gridshell leggere e strutture a forma libera. L’algoritmo riduce i tempi di calcolo del 98% e permette ad architetti e ingegneri di creare coperture complesse, efficienti e sostenibili con strumenti CAD comuni
Il nuovo strumento che permette a più architetti di creare gridshell spettacolari.
Un ricercatore dell’University of Tokyo e un ingegnere strutturista con sede negli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo metodo computazionale di form-finding che potrebbe cambiare il modo in cui architetti e ingegneri progettano strutture leggere e a forma libera che coprono ampi spazi. La tecnica aiuta in particolare a creare gridshell, superfici sottili e curve i cui elementi formano una griglia interconnessa. Il metodo utilizza superfici NURBS, un formato di rappresentazione delle superfici ampiamente utilizzato nella progettazione assistita da computer (CAD). Riduce inoltre drasticamente i costi computazionali: un compito che in precedenza richiedeva 90 ore su una GPU di fascia alta viene completato in circa 90 minuti su una CPU standard.
Gli architetti prestano particolare attenzione alle superfici capaci di sostenere il proprio peso. Alcune strutture esteticamente gradevoli sono chiamate shell, tradizionalmente realizzate come gusci in cemento armato. Tuttavia, gli architetti contemporanei mirano a ridurre l’uso del cemento a causa dei costi e degli sprechi, e anche perché desiderano utilizzare materiali più attraenti, tra cui il vetro. Ciò ha spinto gli architetti a esplorare quelli che sono noti come gridshell, strutture architettoniche realizzate da sezioni curve e intersecanti di metallo, vetro o legno che coprono ampi spazi senza supporti interni.
Le gridshell sono adatte a coprire ampi spazi pubblici senza l’uso di colonne interne, come gli atrii d’ingresso delle stazioni ferroviarie, i cortili ristrutturati di edifici storici e le piazze pubbliche. Esempi noti includono la Great Court del British Museum, il tetto in vetro del Dutch Maritime Museum e la Moynihan Train Hall di New York. Questi progetti, descritti su ACM Transactions on Graphics (TOG) (1) dimostrano il potenziale delle gridshell, ma finora non esistevano metodi computazionali standardizzati in grado di gestire in modo efficiente l’intera gamma di forme che i progettisti architettonici potrebbero desiderare di creare.
Il dottor Masaaki Miki dell’University of Tokyo e Toby Mitchell, che lavora presso la società di ingegneria statunitense Thornton Tomasetti, hanno collaborato per sviluppare una tecnica che offre a architetti e ingegneri una maggiore libertà creativa. Il loro nuovo algoritmo individua le forme ottimali delle gridshell, capaci di gestire geometrie complesse senza sacrificare la robustezza.
Sebbene esistano precedenti di progetti di gridshell nel mondo, i vari vincoli geometrici, meccanici, di fabbricazione e di costruzione necessari per realizzarli hanno reso le gridshell poco pratiche per la maggior parte dei committenti. Miki e Mitchell avevano precedentemente sviluppato un nuovo metodo basato su NURBS che risolve questi vincoli all’interno di un unico quadro computazionale universale. Tuttavia, rimanevano due ostacoli principali: il loro algoritmo precedente non riusciva a gestire forme altamente irregolari e il costo computazionale era irrealisticamente elevato. Il loro nuovo metodo supera questi ostacoli, portando a un processo di progettazione più accessibile ed efficiente, aprendo la ricerca di forme avanzate per gridshell a una gamma più ampia di progettisti e architetti.
«Il progetto è iniziato nel 2020 con un interesse per le strutture a guscio, spesso realizzate in cemento. I progetti tradizionali puntano a forme che sostengono il proprio peso interamente attraverso la forza di compressione, ma ciò limita quanto possano essere espressive o scultoree», ha detto il dottor Masaaki Miki. «Abbiamo cercato nuovi modi per progettare gusci che considerino sia le forze di compressione sia quelle di trazione, consentendo una maggiore libertà progettuale. Abbiamo adattato il nostro approccio alle più moderne gridshell in metallo e vetro, sviluppando metodi per bilanciare affidabilità meccanica, estetica e facilità di costruzione. I recenti progressi nella velocità computazionale hanno reso possibile risolvere condizioni così complesse utilizzando metodi rigorosi».
Il principale vantaggio del loro metodo è che opera direttamente su superfici NURBS. A differenza della modellazione convenzionale basata su mesh, che utilizza migliaia di faccette triangolari, le NURBS offrono rappresentazioni di superfici lisce, continue e matematicamente precise. Ancora più importante, le superfici NURBS sono anche uno standard nella progettazione architettonica. Il team ha integrato il loro metodo in un’applicazione chiamata Rhinoceros, un diffuso software CAD basato su NURBS, sotto forma di plug-in. Ciò significa che l’approccio può più facilmente diventare parte del normale flusso di lavoro di un progettista architettonico.
L’idea centrale del loro approccio è rappresentare la distribuzione delle sollecitazioni utilizzando una superficie NURBS e alcuni algoritmi innovativi che accelerano il calcolo di un impressionante 98%. Questo incremento elimina la necessità di GPU di fascia alta, offrendo un metodo più accessibile per generare gridshell geometricamente e meccanicamente valide. Garantisce inoltre che le forme ottenute siano rigide sotto l’azione della gravità e, in definitiva, propone un sistema costruttivo in metallo e vetro facile da realizzare.
«Poiché stiamo affrontando un problema reale, abbiamo convalidato rigorosamente le nostre soluzioni attraverso diversi metodi di test che abbiamo sviluppato», ha detto Miki. «Quando i test hanno rivelato delle criticità nel metodo, è stato stressante. Tuttavia, ora siamo completamente soddisfatti perché tutte le soluzioni superano le verifiche».
Sebbene il lavoro attuale si concentri sulle gridshell in metallo e vetro, i ricercatori mirano anche a estendere in futuro il metodo alle gridshell in legno composito.
Riferimenti:
(1) NURBS-Based Grid Shell Form Finding on Domains with Topologically Arbitrary Boundaries
Descrizione foto: Grazie alle tecnologie di fabbricazione a controllo numerico computerizzato (CNC), il metodo può essere applicato anche a gusci di griglie in legno lamellare su disegno. - Credit: ©2025 Masaaki Miki and Toby Mitchell CC-BY-ND.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: Building better, building beautiful Novel method allows more architects to design attractive gridshell structures