トポロジー最適化と3Dプリンティングの組み合わせは、自動車や航空宇宙などの産業ではごく一般的ですが、これまで建築プロジェクトでこの技術の組み合わせが使われることはほとんどありませんでした。デルフト大学の建築学科の学生であるBayu Prayudhiは、トポロジー最適化と3Dプリンティングの共生が建築プロジェクトにもたらす可能性を調査するため、既存の建築プロジェクトを再設計し、設計プロセスの前面にトポロジー最適化を組み込みました。再設計の対象となったのは、アゼルバイジャンのバクー国際空港にある屋外キャノピーです。
オリジナルデザインは、デザイナー、プランナー、エンジニア、コンサルタント、技術専門家など、幅広い専門的なサービスを提供するARUP社が手がけました。アムステルダムにあるARUPのオフィスは、統括コンサルタントの一人としてBayuのプロジェクトに関わっています。
Altairのシミュレーション製品群に含まれる最適化ツールおよび構造ソルバーであるAltair OptiStructと、いくつかの追加ツールを活用することで、構造を再設計し、3Dプリント用に設計を適合させることが可能になりました。
この新しい3Dプリント設計により、約32％の軽量化（約9トン）が可能になりました。大学のプロジェクトの範囲では、再設計したキャノピーを実際に作ることができなかったため、Bayuは新しい構造的アプローチを紹介するために小さなモックアップのプロトタイプを作りました。
プロジェクト期間中、Bayuは、彼の指導者であるミケーラ・トゥリン博士とイング教授にサポートと指導を受け、U. Knaack（デルフト工科大学建築工学科）、Shibo Ren（ARUP社アムステルダム支社シニア構造エンジニア）のサポートを得ました。
デルフト工科大学建築・建築環境学部は1904年に設立されました。それ以来、同学部は、広義の建築教育・研究において常に主導的な役割を担ってきました。約3000人の学生、数百人の研究者、講師、教授が、ダイナミックで個性的、かつ国際的な環境の中で、教育、研究、サポート業務に従事しています。建築学部には、さまざまな専門家集団があり、その中には、学生のための勉強会、同窓会、そしていくつかの活発な実践的な協会が含まれています。
形、機能、効率を兼ね備えた最高の建築ソリューションを生み出す方法
建築家は常に、コスト、設計時間、技術的限界など、与えられた境界条件の中で、機能、形状、革新性を組み合わせることに努めてきました。トポロジー最適化と3Dプリンティングの組み合わせのような革新的なアプローチと技術の使用は、新しい可能性を開きますが、そのようなプロセスを建築家の日常業務に活用する前に評価する必要があります。新しい技術の限界を知ることも同様に重要であるため、事前スタディを実施し、貴重な経験を積むことが一般的なアプローチとなっています。
建築におけるトポロジー最適化と3Dプリンティングの共生の可能性を探るため、Bayuは、アゼルバイジャンのバクー国際空港にあるARUP社設計の屋外キャノピーという既存のプロジェクトを選びました。このキャノピーは、飛行機の前端から建物までの道をカバーし、飛行機に乗降する乗客にシェルターを提供するために建設されたものでした。キャノピーの表面積は417平方メートル、ソフィットの最高部は9.18メートル、長さは29.5メートルです。もちろん、オリジナルの構造はすべての要求を満たしていましたが、重量や材料の削減という点で、まだ改善の余地が残っていました。
建築の主な目標の1つは、美観に優れた建物を設計することですが、キャノピーの再設計のように、静力学、材料使用、重量も重要な役割を果たします。これらの目標を同時に達成するために、建築家はデザインとシミュレーションのソフトウェアを使用して、機能的かつ構造的に効率の良い、驚くべき形状を見つける必要があります。
この研究プロジェクトの目的は、3Dプリンティングとトポロジー最適化が提供する可能性を活用し、より軽量で構造的に効率の良い製品を開発するために、自由形状の建築物外壁の構造システムを設計することでした。
トポロジー最適化と3Dプリンティングで、より軽量で効率的な構造体を実現
Altairの最適化ツールおよびFEソルバーOptiStructは、新しい設計の推進、3Dプリンティングの準備、キャノピーの構造性能の最適化に使用され、同時に重量と必要材料の量も削減されました。OptiStructを使用することで、機能的で視覚的に魅力的な設計を実現し、3Dプリンティングに対応できるようになりました。このプロジェクトで使用された他のツールは、プリプロセッシング用のHyperMesh（現HyperWorks）とポストプロセッシングタスク用のHyperView（現HyperWorks）です。
最初のステップでは、HyperWorksに形状をインポートし、発生する荷重ケースを適用しました。HyperWorksのモデルは1つの独立した節点として作成され、各力は手動でモデル化されました。
そして、支持構造物や印刷方向など、3Dプリンティングで生じる製造上の制約を適用しました。節点の最大サイズは、使用する3D FDMプリンターのビルディングチャンバーのサイズによって決定されました。その後、設計空間が定義されましたが、今回の場合、接続梁は最適化の対象外であるため、節点のみが対象になります。
今回のプロジェクトでは、使用できる計算機容量が限られていたため、Bayu自身で構造物全体の解析を行うことはできませんでした。要素数、荷重ケース数、詳細度などを考慮すると、非常に大きなFEAモデルになってしまい、プロレベルの計算能力、クラスタ分散またはクラウドコンピューティング環境が必要でした。そこでBayuは、異なる発生力の数値データを用いて1節点のみで最適化を行い、その結果を外挿することで、構造全体の最適化がもたらすであろう影響を推定することにしたのです。
元のプロジェクトの3Dモデルがないため、近似と仮定に頼って元の構造の設計を作り直さなければならず、すべての節点の総重量は平均化されました。元の構造と再設計された構造との詳細な重量とコストの比較については、さらなる研究が必要です。
結果、Bayuは新しいキャノピーの設計によって約32％の軽量化に成功し、屋根の総質量は34.9トンから23.7トンになると試算しました。同時に、キャノピーが覆う面積は417平方メートルから423平方メートルに増加しました。さらに、4分割されたパネルデザインは、三角形のデザインに比べて必要な接続ディテール要素の量をバルクボリュームという観点から削減し、グレージングの製造効率を高めることにも役立ちました。プロジェクトの仕上げとして、Bayuは小さなモックアップのプロトタイプを製作し、実際に体験することで構造の特徴をより深く理解することができました。このプロトタイプの目的は、生徒の体重を支えることでしたが、それは見事に達成されました。節点は1:4の縮尺で、約100mmの寸法で製作されました。このモデルの節点は、3Dプリントサービスを提供するShapeways社によってプリントされました。金属の印刷は、直接レーザー焼結ではなく、ブロンズ粉末を40％注入したステンレス鋼粉末のバインダージェットで行いました。