Grasshopperで構造計算・材料解析を行うTips

「VAZ3D」ポッドキャスト第4弾では、パラメトリックモデルを「見た目」だけでなく「機能」させる方法に迫ります。今回はGrasshopperとRhinocerosを使った構造計算と材料解析がテーマ。あなたのアイデアが、風、雪、そして自重に耐えられるか、設計初期段階で、エンジニアリングの知識がなくても理解する方法を探ります。

ここでは、構造解析に役立つ無料プラグインをいくつか紹介します。

* Kangaroo：物理エンジンで力の均衡をシミュレーション。厳密な応力計算はできませんが、たわみ、アーチ、テント形状などの自然なフォルムを把握するのに役立ちます。
* Millipede：トポロジカル最適化により、部材の材料を最小限に抑えつつ、複雑な構造を生成します。
* Kiwi3D：非線形有限要素解析が可能。大きな変形（折り畳み、座屈、ゴムのような材料）の解析に適しています。
* Ameba（制限付き無料版）：高速なトポロジカル最適化を実現します。

さらに、Pythonとの連携により、独自の簡易解析ツールを作成し、有限要素法の仕組みを深く理解することも可能です。

エンジニアリングのバックグラウンドがない方でも、構造解析にアプローチするための5つの普遍的なアドバイスがあります。

1. 単一プラグインに頼らない：学校で習った物理の知識で、まずは大まかな手計算を試みましょう。結果が桁違いに異なる場合は、入力データに誤りがないか確認してください。
2. 平面図から始める：まずは2Dの梁、次にフレーム、そしてトラスへと段階的に複雑化させます。固定端とピン接合の違いを理解することが重要です。
3. ジオメトリを単純化する：最初は10〜20個程度の要素から始め、荷重条件や固定条件のロジックを固めてから、ディテールを増やしていきましょう。
4. 荷重は自重だけではない：設計初期段階では、均等に分布した荷重と中央の集中荷重の組み合わせで十分です。
5. Kangarooの物理シミュレーションは参考値：Kangarooは力の均衡形状を示しますが、材料が破壊するかどうかまでは教えてくれません。Grasshopperはあくまで比較検討に用い、正確な数値は専門家やライセンスを持つプロに委ねましょう。

Rhinoで作成した長方形をメッシュに変換し、KangarooのAnchorコンポーネントで端部を固定、GravityとLoadで荷重を加え、たわみを確認するプロセスはわずか15分ほど。さらにPressureを追加すれば、エアバッグのようなモデルも作成できます。これは、かつてトロフィモフが数ヶ月かけて行った作業に匹敵するものです。

このポッドキャストは、設計初期段階で形状の妥当性を検証したい建築家やデザイナー、パラメトリックデザインを学ぶ学生、そしてエンジニアリング計算を敬遠しがちなすべての人々にとって役立つでしょう。RhinoとGrasshopperを開いて、数字を恐れずに、実際に立つ構造物をデザインへの第一歩を踏み出しましょう。