MIT開發拓撲優化演算法，橋梁設計用料可減少90%並大幅降低碳足跡

MIT突破傳統橋梁設計，材料減量革新落地應用

美國麻省理工學院土木工程學系助理教授卡斯騰森（Josephine Carstensen）領導的研究團隊，近日發表一套革命性的橋梁設計優化系統，可將建材用量削減達90%，同時大幅降低結構碳足跡。這項成果將於《Automation in Construction》期刊刊登，標誌著學術研究與工程實務的重要交匯點。

拓撲優化如何改變設計邏輯

拓撲優化技術並非新概念，長期應用於學術研究與3D列印領域。這種方法透過電腦演算法，在有限空間內精確計算材料的最優配置位置，以最輕重量達成最強結構性能。然而，傳統拓撲優化生成的設計方案往往過於複雜——呈現蜘蛛網般的交叉結構——使得現場施工困難重重，工程成本隨之飆升。

MIT團隊的創新之處在於，他們在演算法層面嵌入了真實世界的施工限制條件。工程師可在設計初期直接定義：每個節點的最大構件接合數、最小構件間夾角、構件最小尺寸等實務參數。如此一來，電腦模型優化出的方案，從一開始就符合現場施工的實際可行性。

卡斯騰森解釋道：「材料選用、設計可施工性與結構優化三者必須同步考量，這正是我們這次試圖達成的。」

材料混搭策略：用木減碳，用鋼補強

該系統的另一突破在於支援多材料混合設計，特別是鋼材與木材的協同運用。研究團隊博士生謝默（Zane Schemmer）指出，系統確保每個構件採用單一材料，避免複合材料混用造成的施工複雜性。

為驗證此方法，研究人員針對紐約州水牛城附近的Lockport「倒橋」（Upside-Down Bridge）進行重設設計，分別產生純木材、純鋼材與混合木鋼三種方案。結果顯示，強度最優的純鋼設計可能無法達到碳排減目標，而純木設計則可能面臨強度不足的問題。

透過混搭策略，框架能在碳減效益最顯著的位置採用木材（具低碳足跡），僅在需要額外承載能力的關鍵部位補強鋼材。謝默表示：「這兩種材料可以協同運作——你用木材來省碳，用鋼材來補強，在這些結構中可以找到完美的平衡點。」

從學術到實務：運算可行性確認

過去業界之所以迴避拓撲優化方法，主要源於其龐大的運算負擔。然而，MIT研究人員發現，整個優化過程竟能在一台標準MacBook Pro筆記型電腦上完成，這對有志採用該技術的工程公司而言意義深遠——表示該方法具有實際部署的可行性，無需投資昂貴的超級運算設施。

謝默在研究結論中指出：「拓撲優化方法過去一直被業界迴避，但我們現在認為，它是解決具有可變限制條件問題的實用方式。」此言暗示，隨著這套框架的開源或商業化推進，業界採納率有望大幅提升。

碳中和目標的務實路徑

隨著全球淨零承諾與建築營造業碳排規範日益嚴苛，材料用量最小化與低碳材料替代成為迫切課題。MIT的這套系統提供了一個量化、可驗證且施工可行的解決方案——不僅減少了資源浪費，更在結構安全、成本控制與環保目標間達成三贏。