Kaltbiegen: Neues Werkzeug ermöglicht wirtschaftliches gebogenes Glasdesign

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Gebogene Glasfassaden können atemberaubend schön sein, aber traditionelle Konstruktionsmethoden sind extrem teuer. Die Scheiben werden in der Regel durch “Heißbiegen” hergestellt, bei dem das Glas erhitzt und mithilfe einer Form oder spezieller Maschinen geformt wird – ein energieintensiver Prozess, bei dem überschüssiger Abfall in Form von einzelnen Formen entsteht.

Kalt gebogenes Glas ist eine kostengünstigere Alternative, bei der flache Glasscheiben gebogen und auf der Baustelle an Rahmen befestigt werden. Angesichts der Zerbrechlichkeit des Materials ist es jedoch eine große Herausforderung, eine Form zu finden, die sowohl ästhetisch ansprechend als auch herstellbar ist. Ein interaktives, datengesteuertes Design-Tool ermöglicht es Architekten nun, genau das zu tun.
Die Software wurde von einem Team von Wissenschaftlern des IST Austria, der TU Wien, der UJRC und der KAUST entwickelt und ermöglicht es den Benutzern, einen Fassadenentwurf interaktiv zu bearbeiten und sofortiges Feedback über die Herstellbarkeit und Ästhetik der Verkleidung zu erhalten – eine sehr bequeme Art, durch verschiedene Realisierungen der Absichten des Designers zu navigieren.

Die Software basiert auf einem tiefen neuronalen Netzwerk, das auf speziellen physikalischen Simulationen trainiert wurde, um die Form und Verarbeitbarkeit von Glaspaneelen vorherzusagen.

Sie ermöglicht dem Benutzer nicht nur die interaktive Anpassung eines beabsichtigten Designs, sondern kann auch automatisch ein gegebenes Design optimieren und lässt sich leicht in den üblichen Arbeitsablauf eines Architekten integrieren.

Die Software und die Forschungsergebnisse wurden auf der SIGGRAPH Asia 2020 vorgestellt.
Heiß gebogenes und kalt gebogenes Glas
Heiß gebogenes Glas wird bereits seit dem 19. Jahrhundert verwendet, obwohl es erst in den 1990er Jahren allgemein verfügbar wurde. Dennoch ist das Verfahren nach wie vor unerschwinglich teuer und die Logistik des Transports von gebogenem Glas ist kompliziert.

Eine Alternative, kalt gebogenes Glas, wurde vor etwa zehn Jahren entwickelt.

Es war billig in der Herstellung, leicht zu transportieren und die geometrische und visuelle Qualität war besser als bei warm gebogenem Glas.

Die Technik ermöglichte es Architekten außerdem, spezielle Glastypen zu verwenden und die Verformungsbelastung der Scheiben genau abzuschätzen.

Das Problem war, dass der Entwurf von kalt gebogenen Glasfassaden ein enormes Rechenproblem darstellt. Ruslan Guseinov, IST Austria Postdoc und Co-Erstautor, erklärt: “Es ist zwar möglich, zu berechnen, wann ein einzelnes Paneel bricht, oder eine Sicherheitsmarge für zusätzliche Belastungen zu berechnen, aber die Arbeit mit der gesamten Fassade – die oft aus Tausenden von Paneelen besteht – ist einfach zu komplex für die herkömmlichen Konstruktionswerkzeuge.” Außerdem würde es zu lange dauern, einen Computer mit traditionellen Berechnungsmethoden zu verwenden, um Spannungen und Formen bei jeder Änderung zu erhalten.
Ermöglichung einer neuen Technologie
Daher war es das Ziel des Teams, eine Software zu entwickeln, die es einem (nicht fachkundigen) Benutzer ermöglicht, eine Oberfläche interaktiv zu bearbeiten und gleichzeitig Echtzeitinformationen über die gebogene Form und die damit verbundenen Spannungen für jede einzelne Platte zu erhalten.

Sie entschieden sich für einen datengesteuerten Ansatz: Das Team führte mehr als eine Million Simulationen durch, um eine Datenbank möglicher gebogener Glasformen zu erstellen, die in einem in der Architektur üblichen CAD-Format (Computer-Aided Design) dargestellt wurden.

Dann wurde ein tiefes neuronales Netzwerk (DNN) auf diesen Daten trainiert.

Dieses DNN sagt für einen gegebenen viereckigen Begrenzungsrahmen genau ein oder zwei mögliche Glasscheibenformen voraus, die dann in einer von einem Architekten skizzierten Fassade verwendet werden können.
Dass das DNN mehrere Formen vorhersagte, war “einer der überraschendsten Aspekte des DNN”, ergänzt Konstantinos Gavriil, Co-Erstautor und Forscher an der TU Wien. “Wir wussten, dass eine gegebene Begrenzung die Platte nicht eindeutig definiert, aber wir haben nicht erwartet, dass das DNN in der Lage sein würde, mehrere Lösungen zu finden, obwohl es noch nie zwei alternative Platten für eine einzige Begrenzung gesehen hatte.” Aus der Menge der Lösungen wählt das Programm die Scheibengeometrie aus, die am besten zum Fassadendesign passt, wobei es Merkmale wie die Glattheit der Rahmen und Reflexionen berücksichtigt.
Der Anwender kann dann sein Modell anpassen, um Spannungen zu reduzieren und das Gesamtbild anderweitig zu verbessern.

Wenn sich dies als zu schwierig erweist, kann der Anwender das Design jederzeit automatisch optimieren, was eine “Best Fit”-Lösung ergibt, die die Anzahl der nicht realisierbaren Paneele deutlich reduziert.

Am Ende können entweder alle Paneele sicher konstruiert werden, oder der Benutzer kann sich entscheiden, einige von ihnen warm zu biegen. Sobald der Anwender mit der Form zufrieden ist, exportiert das Programm die flachen Plattenformen und Rahmengeometrien, die für die Konstruktion der Fassade erforderlich sind.
Genauigkeit und Effizienz
Um die Genauigkeit der Simulationen zu testen, fertigte das Team Rahmen und Glaspaneele, darunter auch Paneele unter extrem hoher Belastung.

Im schlimmsten Fall beobachteten sie minimale Abweichungen von den vorhergesagten Formen (weniger als die Paneeldicke), und alle Paneele waren wie erwartet herstellbar.

Das Team verifizierte außerdem, dass das datengesteuerte Modell die Ergebnisse der Simulationen getreu (und effizient) reproduzierte.
“Wir glauben, dass wir ein neuartiges, praktisches System geschaffen haben, das geometrisches und fertigungsgerechtes Design miteinander verbindet und es Designern ermöglicht, effizient ein Gleichgewicht zwischen wirtschaftlichen, ästhetischen und technischen Aspekten zu finden.

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