MIT研發電腦模型可將橋梁建材用量削減達90%，大幅降低碳排放

MIT電腦模型革新橋梁設計，用料可減少達90%

美國麻省理工學院（MIT）研究團隊開發出一套全新電腦模型，能將橋梁與建築物所需的建材用量削減最多90%，同時讓未來結構設計更具效率。

此一研究由土木工程學系Gilbert W. Winslow（1937屆）職涯發展助理教授Josephine Carstensen博士主導。該方法以「拓撲優化」（topology optimization）為核心，這是一種透過電腦運算確定最佳材料配置位置的技術，目標在彌合優化數位設計與實際施工之間的落差。

Carstensen表示，此技術有望大幅降低建造成本與碳排放。「材料的選用、設計的可施工性以及結構優化三者之間環環相扣，」她說，「你必須能同時兼顧這三點，這正是我們這次嘗試做到的事。」

更聰明的設計方法

拓撲優化技術透過電腦程式，在特定空間內以最佳方式配置材料，例如以最輕的重量打造最堅固的結構。然而，這項技術過去多應用於學術研究與3D列印領域，在橋梁與建築工程實務中鮮少採用。

原因在於這類設計往往過於複雜且造價高昂——如同蜘蛛網般的複雜結構，即便是最有經驗的工程師也難以施工。

為解決這一難題，MIT團隊開發出一套框架，讓使用者在設計之初就能定義實際的施工限制條件。工程師可以指定每個節點的最大構件接合數、最小連接角度以及最小構件尺寸。

該系統支援多種材料，並可將鋼材與木材混合搭配使用，同時確保每個結構部件採用單一材料，並驗證所有接合點是否符合工程標準。「你不可能有一個部件是72%木材、28%鋼材，」研究所博士生、本研究第一作者Zane Schemmer表示。

從設計到落地實現

為驗證此方法的可行性，研究團隊以紐約州水牛城附近的Lockport「倒橋」（Upside-Down Bridge）為對象進行重新設計，分別生成純木材、純鋼材以及木鋼混合桁架設計方案，並測試不同施工限制條件對最終結構的影響。

結果顯示，結構強度最高的設計並非最易施工。「我們看到系統知道可以設計出一座純鋼橋，但從碳排放角度來看那可能並非最佳選擇，」Schemmer解釋，「或者可以設計一座純木橋，但那可能強度不足。」

Schemmer認為，透過策略性地混搭材料，框架能在碳排放效益最顯著之處採用木材，僅在需要額外強度的地方使用鋼材。「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一個平衡點，」他在一份聲明中表示。

這套優化方法雖比某些現有方法需要更多運算資源，但研究人員表示，實驗僅在一台標準MacBook Pro上運行，對工程公司而言具有實際應用的可行性。

「這種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，」Schemmer總結道。

本研究已發表於學術期刊《Automation in Construction》。

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