美國研究人員開發的一種新電腦模型，有望將橋樑和建築所需材料減少多達 90%，從而使未來的結構更加高效。此方法由麻省理工學院（MIT）的一個研究團隊設計，基於稱為拓撲優化的過程，這是一種計算方法，用於確定材料的最有效配置。該項目由土木工程的 Gilbert W. Winslow（1937）職業發展教授 Josephine Carstensen 博士主導。根據團隊的説法，這一方法彌合了優化數字設計與實際建設之間的鴻溝。
Carstensen 相信，這項技術可以顯著降低成本和碳排放。她表示：「所使用的材料、設計的可建造性以及結構的優化之間存在著相互作用。您需要能夠同時解決這三者的問題。這就是我們在這裡所嘗試做的。」
智能設計拓撲優化利用計算機程序在特定空間內最佳分配材料，從而創造出最堅固的結構並保持最低的重量。然而，該方法主要用於研究和 3D 打印，而不是土木工程師在建設橋樑和建築時使用。這是因為這些設計往往過於複雜且建造成本高昂，挑戰甚至是最有能力的工程師。位於紐約州布法羅附近的 Lockport 拱形橋便是如此，該橋跨越伊利運河。
麻省理工學院開發的新框架將改變建築材料的使用方式
為瞭解決這一挑戰，麻省理工學院的團隊開發了一個框架，允許用户從設計過程的開始就定義實際的建設限制。工程師可以指定結構成員在一個接頭處的最大數量、最小連接角度以及最小組件尺寸。該系統支持多種材料，並將鋼材和木材結合在一起。然而，它為每個結構部件選擇一種材料，然後檢查所有連接是否足夠強大，以符合工程標準。該研究所的博士生 Zane Schemmer 表示：「您不能有一個部件由 72%木材和 28%鋼材組成。」
從設計到現實為了演示這一方法，研究團隊重新設計了位於紐約州布法羅附近的 Lockport“顛倒橋”。他們生成了僅由木材、僅由鋼材以及混合木鋼的拱形設計，並測試了不同建設約束對最終結構的影響。結果證明，較強的設計並不總是最容易建造的。Schemmer 解釋説：「我們看到系統知道您可以設計一座由純鋼製成的橋，但從碳的角度來看，這可能不是最佳選擇。或者您可以設計一座純木製的橋，但這可能不是最堅固的選擇。」
Schemmer 認為，通過戰略性地結合材料，該框架可以在碳節省最重要的地方使用木材，而在需要額外強度的地方則依賴鋼材。他在一份聲明中表示：「這些材料可以協同工作，因此您可以在需要額外強度的地方使用鋼，而在碳節省方面使用木材，這些結構之間可以找到平衡。」這一優化方法需要比一些現有方法更多的計算能力，但研究人員表示，他們的實驗在標準的 MacBook Pro 上運行，這使得該方法對工程公司而言實用可行。
Schemmer 總結道：「這種方法在過去被行業所避開，但現在我們認為這是一種解決變量約束問題的實用方式。」該研究已發表在《建設自動化》期刊上。
