การออกแบบสนามกีฬาสมัยใหม่ที่ได้รับแรงบันดาลใจจาก Topology Optimization

การแข่งขันโอลิมปิกคือการแข่งขันกีฬาระดับนานาชาติที่ใหญ่ที่สุดงานหนึ่งซึ่งจัดการแข่งขันขึ้นทุกๆ 4 ปี จะมีการรวบรวมนักกีฬาและประชาชนผู้เข้าชมหลายพันคนเข้าร่วมในมหกรรมงานนี้ โอกาสของประเทศที่จะเป็นเจ้าภาพการแข่งขันกีฬาโอลิมปิกทำให้พวกเขาได้แสดงออกทางศิลปะเกี่ยวกับวัฒนธรรมของพวกเขาเช่นเดียวกับการแสดงออกถึงนวัตกรรมของพวกเขาอีกด้วย ยกตัวอย่างเช่นสนามโอลิมปิก 2008 ที่มีชื่อเสียงของประเทศจีน ซึ่งมีชื่อเล่นว่า “The Bird’s Nest” หรือ “รังนก” เนื่องจากโครงสร้างที่ใช้รองรับมีลักษณะคล้ายกิ่งไม้ที่ถักทอกันอย่างซับซ้อน ซึ่งเป็นแรงบันดาลใจในการสร้างสนามแห่งนี้

เพื่อเป็นปัจจัยในการสนับสนุนการประมูลเพื่อเป็นเจ้าภาพการจัดการแข่งขันโอลิมปิก ประเทศเจ้าภาพมักจะสร้างสนามกีฬาแห่งใหม่รวมถึงโครงสร้างพื้นฐานอื่นๆ ซึ่งต้องมีการวางแผนอย่างรอบคอบและแน่นอนว่าต้องใช้เงินทุนจำนวนมาก สำหรับโครงการที่ยิ่งใหญ่อย่างการสร้างสนามกีฬาและระยะเวลาเตรียมการที่สั้นเช่นนี้ การออกแบบให้มีความเป็นไปได้ในการสร้าง ความสวยงาม และงบการก่อสร้างต้องอยู่ภายใต้งบประมาณจึงเป็นสิ่งที่สำคัญอย่างยิ่ง

แม้จะมีข้อจำกัดด้านเวลาและงบประมาณ ซอฟต์แวร์ที่ใช้ในการจำลองหรือการทำซิมูเลชั่นมีความสำคัญและเป็นสิ่งที่จะช่วยให้สถาปนิกสามารถสร้างสนามกีฬาที่มีทั้งนวัตกรรมและโครงสร้างที่แข็งแรงได้ ในขณะที่ยังคงสามารถแสดงออกถึงเอกลักษณ์และวัฒนธรรมที่สำคัญของประเทศให้อยู่ภายในการออกแบบนั้นๆ การใช้เทคโนโลยี “Topology Optimization” ทำให้นักออกแบบมีอิสระในการสร้างสรรค์การออกแบบโครงสร้างในรูปแบบต่างๆโดยไม่มีความเสี่ยงด้านปัญหาความแข็งแรงของโครงสร้างที่จะตามมา

Altair Inspire จะช่วยเร่งกระบวนการสร้างสรรค์ผลงาน การเพิ่มประสิทธิภาพของโครงสร้าง และการทำความเข้าใจนวัตกรรมของโครงสร้างต่างๆและการประกอบเข้าด้วยกัน เทคโนโลยี Topology Optimization ได้รับการพัฒนาโดยมีแนวคิดเดียวกับการพัฒนาความแข็งแรงของกระดูกในร่างกายมนุษย์ แนวทางของเทคโนโลยีนี้ได้รับแรงบันดาลใจมาจากไบโอมิมิค เทคโนโลยี (Biomimic Technology) ซึ่งจะช่วยให้วิศวกรออกแบบสามารถเข้าใจถึงพฤติกรรมการรับแรงของโครงสร้างที่กำลังออกแบบและทำให้มั่นใจได้ว่าการออกแบบนั้นเป็นไปตามวัตถุประสงค์ด้านความแข็งแรงและความยืดหยุ่นโดยใช้วัสดุที่น้อยที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ ผลลัพธ์ที่ได้คือการออกแบบที่สวยงามและมีความแข็งแรงสามารถใช้งานได้จริงตามที่ออกแบบไว้ อีกทั้งยังได้ประโยชน์จากการประหยัดต้นทุนทางด้านวัสดุอีกด้วย

วิศวกรที่ Altair ใช้ Inspire ในการสร้างแนวคิดการออกแบบของสนามกีฬาแห่งนี้โดยใช้ Topology Optimization ซึ่งแนวทางนี้มียังมีอิทธิพลต่อโครงการสนามกีฬาโอลิมปิกในหลายๆโครงการที่ผ่านมา

ภาพจำลองของโครงการออกแบบสนามกีฬาขนาดใหญ่ (Colossus Stadium) ที่สร้างด้วย Altair Inspire

เราได้พูดคุยกับกับ Luca Frattari ผู้อำนวยการอาวุโสด้านวิศวกรรมและการก่อสร้างสถาปัตยกรรมระดับโลกของ Altair เพื่อข้อมูลเชิงลึกเพิ่มเติมเกี่ยวกับแรงบันดาลใจของโครงการสนามกีฬาขนาดใหญ่ซึ่งเป็นโครงการปริญญาเอกของเขา รวมถึงข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการประยุกต์ใช้คอมพิวเตอร์มาช่วยงานทางด้านวิศวกรรม (CAE) ในการออกแบบจะมีลักษณะอย่างไรในอนาคต

อะไรคือแรงบันดาลใจสำหรับโครงการนี้? คุณคาดหวังว่าจะแสดงอะไรให้เห็นผ่านทางเทคโนโลยีและวิธีการนี้?

ในโครงการนี้ ฉันพยายามใช้ประโยชน์จากเทคโนโลยีในการช่วยเพิ่มประสิทธิภาพที่เรามีอยู่ ซึ่งเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพด้วยเทคโนโลยี Topology Optimization ที่นำมาใช้กับโมเดลสามมิติ ทุกๆวงแหวนในสนามกีฬาสร้างด้วยรายละเอียดทางสถาปัตยกรรมที่แตกต่างกัน สนามกีฬามีความสมมาตรทั้งสองแกน ดังนั้นหากคุณกลับด้านการออกแบบสองครั้ง มันจะเลียนแบบโครงสร้างการออกแบบทั้งหมด โครงการนี้เริ่มดำเนินการเมื่อปี พ.ศ. 2554 เราไม่มีคอมพิวเตอร์ที่ทรงพลังพอที่จะรองรับโมเดลขนาดนี้ ดังนั้นเราจึงสามารถทำงานได้ครั้งละหนึ่งในสี่เท่าของโครงการเท่านั้น จากมุมมองของการทำวิจัย จุดประสงค์คือการใช้เทคโนโลยี Topology Optimization เพื่อให้เราได้ข้อมูลเชิงลึกมากที่สุด หากคุณลองมองดูดีๆที่วงแหวนรอบนอกของสนามกีฬาแล้ว วงแหวนตรงกลางและวงแหวนด้านล่างจะแตกต่างจากวงแหวนรอบนอก และการรองรับของวงแหวนแต่ละวงมีการออกแบบที่แตกต่างกันเล็กน้อย เป้าหมายของฉันคือการหลีกเลี่ยงข้อจำกัดของเทคโนโลยีเพียงเพื่อที่จะดูว่าผลลัพธ์ที่ฉันจะเป็นเป็นอย่างไรและสร้างการตีความของผลลัพธ์ของแบบจำลอง ฉันไม่ได้หาเหตุผลเข้าข้างตนเอง โครงสร้างที่ทำจากคานขนาดมาตรฐาน เสา หรือส่วนประกอบที่เป็นแท่งตรง ฉันต้องการให้มีการเชื่อมต่อกันให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้และให้รูปทรงของโครงสร้างมีลักษณะเหมือนการไหลจากด้านบนลงด้านล่าง ในขณะที่เป็นนักออกแบบ ฉันต้องการดูว่าสามารถสร้างแนวทางการออกแบบได้มากน้อยเพียงใด สิ่งนั้นนำฉันไปสู่สิ่งที่คุณเห็นในรูปภาพนี้ มันทำให้ฉันได้เรียนรู้ถึงสุนทรียศาสตร์ (ศาสตร์ที่ว่าด้วยธรรมชาติของความงามและรสนิยม) ซึ่งเป็นสิ่งที่คุณมักจะเห็นได้ในการออกแบบเช่นนี้

การออกแบบสนามกีฬาใหม่โดยใช้เทคโนโลยี Topology Optimization

คุณช่วยแนะนำเราเกี่ยวกับกระบวนการออกแบบใหม่ได้หรือไม่?
ด้วย Inspire การออกแบบในครั้งนี้สร้างด้วยคอนกรีตเสริมเหล็ก แต่อย่างเห็น การวิเคราะห์นั้นเป็นเรื่องยากมาก หมายความว่าผู้ออกแบบกำลังดึงข้อมูลจำนวนมากจากการออกแบบในแบบดั้งเดิม และสร้างการออกแบบในรูปแบบใหม่ที่แตกต่างจากแนวคิดเริ่มต้นอย่างมาก จะต้องมีความเข้าใจเชิงโครงสร้างมากกว่าเดิมเพราะเราได้พัฒนาความรู้ของแนวคิดเชิงโครงสร้างและจะต้องไม่ออกนอกกรอบของสุนทรียศาสตร์ที่วางไว้ นั่นคือสิ่งที่ฉันต้องการทำกับการวิเคราะห์ในครั้งล่าสุดของฉัน ขอบเขตของโครงการนี้คือความต้องการที่จะแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีนี้สามารถสร้างแนวคิดประเภทนี้ได้ แต่จะไม่สามารถใช้ทดแทนตัวนักออกแบบได้ การออกแบบทั่วไปอาจดูเหมือนว่าเป็นการดึงตัวนักออกแบบออกจากการออกแบบ แต่ในความเป็นจริงแล้วเป็นการเสริมความสามารถที่นักออกแบบต้องมีความคิดสร้างสรรค์ เทคโนโลยีนี้ช่วยให้นักออกแบบไม่เพียงแต่สามารถเรียนรู้การออกแบบรูปทรงใหม่ๆเพียงเท่านั้น แต่ยังรวมถึงการดึงศักยภาพในการสร้างสรรค์ผลการการออกแบบ “นอกกรอบ” ที่ในทางทฤษฎีเป็นการออกแบบเชิงโครงสร้างที่ดี

การวิเคราะห์การสร้างสนามกีฬาโดยใช้วัสดุคอนกรีตเสริมเหล็ก

เทคโนโลยี Topology Optimization ได้พิจารณาวัสดุที่ใช้ในการออกแบบหรือไม่? ผู้ใช้สามารสามารถประเมินความแตกต่างของวัสดุเพื่อเปรียบเทียบระหว่างประสิทธิภาพและต้นทุนที่ต้องแลกมา?

ในช่วงเริ่มต้นของการออกแบบ ประเภทของวัสดุที่คุณเลือกใช้อาจจะไม่ใช่สิ่งที่ใช้ในการออกแบบในขั้นตอนสุดท้าย ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของวัสดุที่ต้องการสำหรับโครงการ บางทีคุณอาจรู้จักงานในรูปแบบนี้และต้องการให้สนามกีฬาเป็นสนามกีฬาในรูปแบบทั่วๆไปหรือแบบดั้งเดิม เช่น สนามฟุตบอลอังกฤษ หรือแบบธรรมชาติ เช่น สนามกีฬาบางแห่งในตะวันออกกลาง แน่นอนว่ามันจะต้องมีการแลกเปลี่ยนกับการเปลี่ยนวัสดุและการปรับปรุงประสิทธิภาพ  ความแข็งแรง และโดยเฉพาะอย่างยิ่งต้นทุน ข้อจำกัดในการผลิตในบางครั้งส่งผลต่อการออกแบบมากกว่าวัสดุ แต่ในระดับนี้ เราทำงานในระดับมหภาคและพยายามกำหนดว่าต้องใช้วัสดุนี้ตรงจุดไหนมากน้อยเท่าไหร่

มันเป็นเรื่องง่ายมากที่จะค้นพบข้อมูลเชิงลึกของทุกโครงสร้างเหล่านี้ในการการทำวิจัยของฉัน คุณสามารถออกแบบรูปร่างต่างๆได้ซึ่งมันอาจเป็นการออกแบบที่ล้ำหน้ามาก แต่คุณต้องยอมรับถึงแนวโน้มของประสิทธิภาพเชิงโครงสร้างของมัน ด้วยเหตุผลหลายประการคุณอาจพบว่าคุณไม่สามารถผลิตเสาหรือคานที่ยื่นยาวออกมามีความยาวที่แน่นอนได้ เนื่องด้วยไม่เป็นไปตามข้อกำหนดของการใช้วัสดุและเวลา ยิ่งมีรายละเอียดในกระบวนการออกแบบมากเท่าไหร่ คุณจะต้องเผชิญกับข้อจำกัดมากขึ้นเท่านั้น ในขั้นตอนนี้ แนวคิดคือการค้นพบการออกแบบใหม่ๆ ด้วยการใช้การจำลองในระยะแรกคุณสามารถพัฒนามุมมองทางด้านศิลปะและรูปร่างที่เป็นไปได้แบบคร่าวๆ เพื่อที่คุณจะได้ไม่ต้องมีการแก้ไขมากเกินไปจนอาจจะทำลายความสมบูรณ์ทางศิลปะของโครงสร้าง

แม้ว่าความต้องการที่จะผลักดันขีดจำกัดของการออกแบบและการเข้าใจว่าคุณสามารถสร้างอะไรได้ด้วยวัสดุและการออกแบบที่แตกต่างกันเป็นสิ่งที่สำคัญ แต่ผู้สร้างสรรค์ผลงานต้องรำลึกไว้เสมอว่าสนามกีฬาโอลิมปิกเป็นสื่อกลางสำหรับประเทศในการแสดงวัฒนธรรมและความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีของพวกเขา ดังนั้นวัฒนธรรมของประเทศจึงต้องได้รับการพิจารณาเป็นอันดับแรกในการเป็นสัญลักษณ์ของการดำเนินชีวิตและการรวมตัวกันเพื่อการแข่งขันกีฬาโอลิมปิก

ฉันเชื่อว่าเครื่องมืออย่าง Inspire สามารถช่วยในการสร้างแนวคิดการออกแบบของโครงการดังกล่าวได้ เนื่องจากความเป็นสถาปนิกในตัวฉันนั้นมองเห็นข้อดีของการสร้างแนวคิดการออกแบบประเภทนี้ได้อย่างรวดเร็ว ในขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงความเสี่ยงที่จะเกิดข้อผิดพลาดในการออกแบบที่อาจจะต้องเกิดการสูญเสียที่มีมูลค่าสูง
ส่วนไหนของการออกแบบสนามมีความสำคัญมากที่สุดในระหว่างการออกแบบขั้นต้น? มีงานเบื้องหลังด้านไหนที่ได้รับประโยชน์จากการออกแบบโดยการลดน้ำหนัก

โดยทั่วไปในการออกแบบออกแบบสนามกีฬา เห็นได้ชัดว่ามีข้อจำกัดด้านการออกแบบที่จำเป็นบางประการที่ต้องพิจารณา ซึ่งรวมถึงความปลอดภัยของโครงสร้าง การเข้าถึง และค่าใช้จ่าย ในกรณีนี้ขั้นตอนการออกแบบเชิงแนวคิดหรือ Concept ความสนใจของฉันอยู่ที่จุดรองรับต่างๆและเสา สำหรับฉันแล้ว องค์ประกอบเหล่านี้สามารถแสดงให้เห็นศักยภาพของเทคโนโลยีดังกล่าวที่เราได้พูดคุยกันก่อนหน้านี้ เพราะฉันจะบอกว่าแทบจะเป็นไปไม่ได้เลยที่จะนึกภาพองค์ประกอบประเภทเหล่านี้ที่จะต้องเชื่อมต่อจากชั้นแรกไปยังชั้นอื่นๆเช่นเดียวกับในภาพนี้ ความเป็นไปได้ในการสร้างรูปทรงที่หลากหลายนี้เป็นสิ่งที่น่าสนใจสำหรับฉัน หากคุณดูที่วงแหวนที่หนึ่งและที่สองขึ้นไปด้านบน คุณจะเห็นว่ามีความลาดเอียง 45 องศา จุดประสงค์ของส่วนเอียงคือเพื่อให้แน่ใจว่าพื้นจะไม่เลื่อนหรือยุบ ณ จุดใดๆซึ่งเป็นคุณสมบัติของตึกระฟ้าหรืออาคารที่สูงมาก และนี่คือสิ่งที่คุณไม่สามารถคิดได้ในขั้นตอนการออกแบบเชิงแนวคิด และการจำลองและการออกแบบจะช่วยให้นักออกแบบยกระดับความสามารถขึ้นไปในอีกระดับ เมื่อคุณตั้งค่าน้ำหนักหรือภาระที่โครงสร้างจะต้องรองรับเสร็จเรียบร้อยแล้ว คุณจะสามารถค้นพบรูปทรงของโครงสร้างที่ไม่เหมือนใครด้วยเทคโนโลยีนี้

เทคโนโลยี Inspire ช่วยให้สามารถออกแบบโครงสร้างขนาดใหญ่ดังที่แสดงในรูปภาพนี้

ความท้าทายที่สุดของการออกแบบสนามกีฬามีอะไรบ้าง?
 ความปลอดภัยเป็นสิ่งที่สถาปนิก นักออกแบบ และ วิศวกรควรให้ความสำคัญ มีหลายสถานการณ์การออกแบบที่ต้องพิจารณา ด้วย Simsolid Solver ใน Inspire คุณจะสามารถประเมินความเป็นไปได้ของโครงสร้างที่มีความซับซ้อนอย่างเช่นสนามกีฬา และสามารถวิเคราะห์ผลให้กับคุณได้ภายในไม่กี่นาที สำหรับสิ่งก่อสร้าง เช่น สนามกีฬา คุณจะต้องพิจารณาการเกิดแผ่นดินไหว หรือการสั่นสะเทือนที่เกิดจากการกระทำ เช่น การกระทืบหรือกระโดด เพื่อกำหนดว่าการกระทำเหล่านั้นจะส่งผลกกระทบต่อโครงสร้างเมื่อใดและเกิดผลกระทบอย่างไร โครงสร้างขนาดนี้สามารถถูกใช้งานโดยผู้คนหลายหมื่นคนในแต่ละปี และไม่ว่ากรณีใด ฝูงชนสามารถเริ่มเชียร์หรือกระโดดดีใจเพราะทีมของพวกเขาชนะ ดังนั้นคุณจะต้องพิจารณาถึงผลลัพธ์ที่อาจเกิดสถานการณ์เช่นนี้ด้วย

คุณมีการออกแบบสนามกีฬาโอลิมปิกที่คุณชื่นชอบหรือไม่? สนามกีฬาแห่งนี้ให้นวัตกรรมใหม่ๆแก่การออกแบบอย่างไร?
 สนามกีฬาโอลิมปิกที่เมืองมิวนิคในปี ค.ศ. 1972 ซึ่งออกแบบโดย ไฟร อ็อทโท (Frei Otto) มันเป็นการออกแบบที่สวยงามที่รวมทะเลสาบ ภูมิทัศน์ และหลังคาของโครงสร้างประกอบด้วยเชือกเหล็กและแผงกระจกที่ด้านบน มันเป็นโครงสร้างที่สง่างามจริงๆ อ็อทโท เป็นที่รู้จักในด้านการสร้างการออกแบบที่มีน้ำหนักเบา และพวกเขากล้าพอที่จะออกแบบบางสิ่งที่มีความทะเยอทะยานในเวลานั้น โดยมีสไตล์และภูมิหลังทางด้านเทคโนโลยีเป็นอย่างมาก

สนามกีฬาโอลิมปิกที่เมืองมิวนิค

สถาณการณ์ปัจจุบันในการประยุกต์สร้างแบบจำลองสำหรับงานทางด้านวิศกรรมโยธาเป็นอย่างไร? คุณมีความเห็นอย่างไรสำหรับการใช้ CAE สำหรับโครงการที่มีสถาปัตยกรรมขนาดใหญ่ในอนาคต
 ฉันจะบอกว่ามีการใช้ CAE เป็นอย่างมากในงานทางด้านวิศวกรรมโยธา ด้วยความแข็งแกร่งของสามารถในการออกแบบโครงสร้าง 3 มิติและการออกแบบเพิ่มประสิทธิภาพ บริษัททั้งหมดที่ทำงานในระดับการสร้างสนามกีฬาโอลิมปิก พวกเขามีประสบการณ์และเครื่องมือที่จำเป็นอยู่แล้ว โดยส่วนใหญ่ฉันยังบอกว่าพวกเขาเป็นผู้นำในการร่างมาตราฐานการออกแบบในอุตสาหกรรม และปรับปรุงมาตราฐานเหล่านี้สำหรับสาขาวิชาดังกล่าว เช่น การทดสอบลมหรือการออกแบบคลื่นสั่นสะเทือน

CAE จะมีบทบาทสำคัญในการปรับปรุงขั้นตอนการทำงานในโครงสร้างสถาปัตยกรรมขนาดใหญ่ บริษัทในส่วนงานนี้ต้องการวิธีการเปลี่ยนแปลงการออกแบบโดยจะต้องไม่กระทบต่อการทำงานในปัจจุบัน สมมุติว่ามีกระบวนการ 10 ขั้นตอน และไม่ว่าจะมีการเปลี่ยนแปลงการออกแบบอะไร พวกเขาต้องการเครื่องมือที่จะช่วยให้พวกเขาสามารถแก้ไขส่วนที่จำเป็นที่จะต้องแก้ไขในส่วนอื่นทั้งหมดแบบอัตโนมัติ การแก้ไขอาจเป็นการแก้ไขที่ในส่วนของการเลือกใช้วัสดุหรือการแก้ไขในนาทีสุดท้ายก่อนโครงนั้นจะถึงกำหนดส่งมอบ ในการแข่งขันกีฬาโอลิมปิก พวกเขาอาจจัดสวนเสร็จภายใน 24 ชั่วโมง ก่อนพิธีเปิด ดังนั้นเวลาจึงเป็นสิ่งที่สำคัญ หรือการเปลี่ยนแปลงในส่วนของสุนทรียศาสตร์ที่อาจส่งผลต่อโครงสร้าง แต่คุณไม่ต้องการที่จะแก้ไขแบบจำลองซึ่งเป็นงานที่น่าเบื่อหรือการแก้ไขรายละเอียดของแบบจำลองในแต่ละรุ่นด้วยตนเอง (ไม่ใช่แบบอัตโนมัติ)  ซึ่งค่าใช้จ่ายเหล่านี้จะส่งผลต่องานวิศกรรม การให้คำปรึกษา และทีมงานโครงการทั้งหมด

ฉันเห็นการนำ CAE มาใช้อย่างชาญฉลาดยิ่งขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับการแลกเปลี่ยนของข้อมูลระหว่างแพลตฟอร์มต่างๆ บริษัทต่างๆมีการใช้จ่ายมากขึ้นเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหาคอขวดในการออกแบบทั่วไป เนื่องจากพวกเขาต้องการให้มีการเปลี่ยนผ่านเทคโนโลยีต่างๆของพวกเขา พวกเขากำลังค้นหาเครื่องมือที่ดีที่สุดจากผู้ให้บริการที่ดีที่สุด และด้วย Altair คุณจะสามารถเข้าถึงเครื่องมือวิเคราะห์โครงสร้างและเพิ่มประสิทธิภาพที่จำเป็นทั้งหมดภายใต้แพลตฟอร์มเพียงแพลตฟอร์มเดียว ด้วยการทำงานร่วมกับโมเดล CAD แบบเต็มรูปแบบและการถ่ายโอนแบบจำลองที่เตรียมไว้ให้คุณ

ที่มา: https://www.altair.com/newsroom/articles/modern-stadium-design-inspired-by-topology-optimization/