O Futuro Paradigma da Arquitetura do Arranha-céu - Método Digital e Integração

O Futuro Paradigma da Arquitetura do Arranha-céu – Método Digital e Integração

O que está dirigindo o futuro paradigma das estruturas altas? O edifício mais alto do mundo, o Burj Khalifa, com 828 metros (2.717 pés) de altura, é uma das maiores realizações de design e engenharia na história das estruturas altas. Na classificação de edifícios altos, é considerado um mega alto como uma estrutura que ultrapassa os 600 metros (1.969 pés) de altura. É um trabalho revolucionário de arquitetura com a aplicação de concreto reforçado de alta resistência e um sistema estrutural diferente de qualquer outro edifício no mundo. A configuração estrutural geral em “Y” consiste em um núcleo de contraforte hexagonal com três asas irradiando para fora a 120 graus em cada direção. O núcleo de concreto, juntamente com as três alas, trabalham em conjunto como um sistema de contraforte para resistir à torção das forças laterais, tanto do vento quanto da sísmica. Cada uma das asas inclui duas paredes de concreto armado com uma pesada parede de martelo em cada extremidade, o que faz com que seja uma viga em I vertical alta, em princípio. À medida que o edifício se torna mais alto, cada nível recua em uma sequência de degraus em espiral para reduzir as forças e vórtices do vento. Para atingir sua altura, o sistema estrutural de coroas inclui uma torre de aço que se estende por mais de 182 metros (600 pés) acima da estrutura de concreto mais alta. O tamanho e a forma real do Burj Khalifa são um testemunho das alturas ambiciosas que a humanidade conseguiu alcançar usando engenhosidade, sistemas materiais e tecnologias de engenharia comprovadas.

Burj Khalifa, Dubai – Foto de Nick Merrick Cortesia de SOM
“Construída em concreto armado e revestida de vidro, a torre é composta de volumes esculpidos dispostos em torno de um núcleo central reforçado. À medida que a torre se eleva a partir de uma base plana, os contratempos ocorrem em um padrão de espiral ascendente, reduzindo a massa do edifício quando ele atinge o céu. ”- SOM
Determinar as magnitudes, direções e distribuições das forças que atuam em estruturas de todas as escalas, mas especialmente em mega edifícios altos como o Burj, é primordial no início do processo de projeto estrutural. É então a escala e a forma da arquitetura que coloca em movimento como a engenharia evolui à medida que os sistemas estruturais, materiais, configurações e massa são calibrados para uma solução ótima. Por exemplo, a massa na estrutura acima do solo somente do Burj inclui uma estimativa de 450.000 toneladas métricas e é suportada por mais de 110.000 toneladas métricas de concreto nas fundações reforçadas com aço. São as cargas gravitacionais (cargas vivas e cargas mortas) e cargas laterais que impulsionam o projeto geral e as relações entre os sistemas de construção diferenciados. As cargas de uma mega-altura que incluem o peso da estrutura desempenham um papel crítico na determinação da configuração, escala e distribuição de sistemas de materiais. Mas são as cargas laterais que são uma força definidora na calibração da forma, articulação e escala de um edifício alto. À medida que a estrutura se torna mais alta, suas forças laterais (vento ou sísmica) ditam cada vez mais o design. À medida que as forças do vento envolvem o edifício, formam vórtices, gerando movimento perpendicular à direção do vento, alternando em magnitude à medida que as forças aumentam ou diminuem. Se esses movimentos fossem oscilar o sistema de construção na sua frequência natural, essas vibrações atingiriam a ressonância máxima do sistema. Quanto maiores os deslocamentos, maiores as tensões em todos os sistemas estruturais, causando danos e possíveis falhas.

Como as cargas externas são aplicadas ao sistema estrutural geral, elas causam forças internas que transmitem por todo o edifício, afetando todas as estruturas. As forças experimentadas podem ser agrupadas em tensão, compressão, flexão e torção. Cada um desses comportamentos pode ser controlado pela aplicação de princípios e configurações estruturais otimizados para responder sob cada uma dessas condições. O que vemos no design hoje em dia é que esses tipos de comportamentos associados a forças podem ser simulados computacionalmente, permitindo que designers e engenheiros validem com um certo grau de aproximação uma solução que funcione. Esta abordagem avançada de projeto computacional foi comprovada em vários cenários em diferentes escalas, especialmente em estruturas altas.

Sistemas altamente articulados de diversas qualidades comportamentais, como no Burj Khalifa, na Torre de Xangai ou no World Trade Center de Guiyang, são mais desafiadores quando aplicados a estruturas de grande porte que atingem essas alturas super altas. O super alto como uma tipologia fornece uma plataforma para examinar as várias relações entre o design digital e sistemas de materiais que só podem emergir de um feito de construção em grande escala altamente integrado. Os sistemas de construção e as forças físicas estão cada vez mais concentrados dentro de uma área de construção restrita e isso continua a aumentar à medida que os edifícios continuam a alcançar novas alturas. A Torre de Jeddah, na Arábia Saudita que planeja abrir em 2020, já em construção, será em breve a mais alta do mundo a 1 quilômetro de altura. À medida que continuamos a canalizar a complexidade crescente para a expressão da arquitetura e sua escala, novas metodologias de design inteligente tornam-se necessárias para alcançar estruturas super altas. Essa intensidade de qualidades em estruturas de grandes escalas exige que associações entre construções geométricas, análogos analíticos e seus procedimentos físicos se tornem mais precisos e rastreáveis.

Técnicas computacionais discretas nos permitem construir grandes quantidades de informações rapidamente e, com projetos de grande escala, esses processos numéricos podem assumir requisitos computacionais intensivos. Na era da computação em nuvem, a largura de banda necessária para executar grandes cálculos numéricos é menos trabalhosa e leva menos tempo para ser executada. Mais importante, as metodologias computacionais nos fornecem os meios para manter as relações de sistema de construção entre geometria, análogos analíticos e os numerosos elementos derivados de cada mudança de variável em valores paramétricos discretos. Internalizamos fórmulas matemáticas e científicas na medida em que as relações entre forma e elementos discretos revelam condições problemáticas como função de causa e efeito dos objetivos para os quais estamos otimizando. Assim, por exemplo, no caso do projeto estrutural, estabelecemos uma ligação direta entre a topologia de um edifício, zonas, áreas, massa, altura e os elementos que servem para hospedar sistemas estruturais para que possamos calcular e simular cargas, resistência, rigidez e a massa associada de qualquer solução estrutural. Cada solução nos dá uma visão de como cada parâmetro de direção afeta o desempenho geral de cada objetivo. Se estivermos otimizando para a funcionalidade flexível de um espaço e minimizando a massa estrutural, o espaço da solução indicará que projetar o sistema estrutural no perímetro tem um benefício duplo. Em alguns casos, essa solução atinge um limite, em cujo caso podemos começar a incorporar parâmetros de desempenho adicionais para calibrar a solução. Estes podem incluir transformações geométricas, iluminação natural, dimensões centrais, sistemas de piso, sistemas estruturais, etc. A introdução de tantas variáveis ​​na metodologia computacional é imperativa para produzir uma solução integrada para um desafio de construção em grande escala.

Torre de Xangai – Gensler
Os recursos de simulação e plataformas computacionais não são mais ferramentas para a validação de um processo de design desconectado, mas agora mais do que nunca são ferramentas para pensar. Enquanto alguns análogos analíticos podem servir para dar forma a uma ideia, outros estão lá para calibrá-lo. No caso da Torre de Xangai com 632 metros (2.073 pés) de altura, o caráter do edifício é uma expressão impulsionada pela idéia de que a geometria e a torção, como uma lâmina, podem atenuar os efeitos das cargas de vento e vórtices em um arranha-céu. A modelagem da torre é impulsionada por transformações de forma não linear, afilando-se com um perfil seccional arredondado que gira 120 graus de baixo para cima. A forma, escala e sistemas geométricos discretos só podem ser calibrados usando lógica associativa e técnicas paramétricas. A validação do desempenho dos edifícios neste caso foi rotineiramente testada até que uma redução de carga de vento refinada de 24% fosse alcançada. Como exemplo do uso de forças para moldar um edifício, o conceito é claro, mas o método é o que permite a construção dessa idéia na escala de uma supertela.

O paradigma estabelecido de troca de informações entre Arquitetura e Engenharia é predominantemente caracterizado pela tradução e reconstrução de informações entre ambientes de modelagem distintos. Essa migração de dados e separação de agência resulta em perda de inteligência digital e associação entre elementos de design e suas propriedades analíticas. Esse é um desafio para o projeto integrado e torna-se mais necessário desfocar os limites entre as disciplinas por meio do design computacional, que é um dos maiores pontos fortes que as empresas de Arquitetura e Engenharia, como o SOM, incorporam.

Quanto maiores e mais complexos forem os edifícios, mais desafiadores se tornam a geração de modelos analíticos precisos que caracterizem os comportamentos estruturais. Para descrever o desempenho de qualquer ideia estrutural, devemos aplicar técnicas de computação intensiva de uma maneira que envolva o processo de projeto em paralelo. A aplicação do método dos elementos finitos (FEA) é especialmente importante quando se tenta construir formas não convencionais a partir de materiais bem compreendidos. A discretização por elementos finitos de domínios geométricos com relações geométricas complexas é essencial para provar que uma solução pode ser adaptada a uma condição de projeto específica. A mecânica das forças estruturais deve ser incorporada na expressão e desempenho da arquitetura. A FEA faz uso de uma série de equações internalizadas em plataformas analíticas. Estes incluem equações como Naiver-Strokes, Euler-Bernoulli Beam, Diferencial Parcial e equação de calor. Aplicar os princípios por trás de cada um deles para tomar decisões informadas sobre o comportamento físico de nossos projetos nos aproxima mais da maximização inteligente do potencial dos sistemas materiais.

O World Trade Center de Guiyang serve como outro exemplo da capacidade de resolver o desafio da escala usando técnicas de projeto computacional. Este edifício atinge uma altura de mais de 380 metros com 79 andares. Este edifício é caracterizado por uma geometria afinada que é derivada de transformações escalares não lineares para otimizar a distribuição das forças de carga, maximizar a área da placa de piso e diminuir o espaçamento da coluna em resposta aos requisitos programáticos. O quadro de momento reforçado de perímetro expresso é revestido em aproximadamente 30.300 painéis com uma combinação de tipos duplamente curvos, curvos e planares. Os painéis curvos duplos neste caso variam em tamanho de 2700×1300 mm a 6200×1300 mm e representam um grande desafio para encontrar uma solução para a entrega de informações que possam permitir a facilidade de construção. Ele foi superado com o uso de ferramentas paramétricas personalizadas, que poderiam propagar entradas localizadas (vetores, datums e amplitudes) em cada elemento discreto. Isso é conhecido como modelagem esquelética, que fornece um desempenho aprimorado no processamento. Primeiro, o formulário é otimizado para cargas estruturais e, em seguida, é usado como uma entrada para mapear elementos discretos, automatizando a geometria de controle e instanciando recursos no nível do sistema. Esses são elementos do edifício, como sistemas de fechamento que são limitados por requisitos de desempenho para cargas ambientais e facilidade de construção. O resultado é um análogo digital detalhado que captura e descreve a torre em sua totalidade.

Continuaremos a ver o advento de estruturas ainda mais altas à medida que a tecnologia avança, mas o que é mais intrigante são as possibilidades que novas tecnologias, especialmente ferramentas digitais, permitem descobrir soluções para os maiores desafios de escala. Apenas alcançaremos estruturas mais altas, melhorando as relações entre continuidade geométrica e singularidades discretas, nas quais a forma, a estrutura, o caráter e os processos de produção são altamente integrados. O arranha-céu é uma tipologia de construção fundamental para implementar e descobrir esse continuum. Além disso, essas metodologias devem ir além do digital, permitindo que a ingenuidade surja a partir do imprevisível. É uma tipologia de construção em que a interconectividade das forças físicas compete para produzir os efeitos externos da elegância na forma e na estrutura.

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