ガラスが構造材の透明な橋!?

©︎ Yao Lu

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超薄型中空ガラス橋〈Tortuca〉は、ガラスを構造部材として活用した乾式の構造とすることで、複雑な素材の掛け合わせを行うことなく実現した透明な橋です。

コンピュテーショナルデザインとデジタルファブリケーションを活用した13の中空ガラスユニットで構成され、各ユニットは軽量なため1人でも施工・解体が容易となっています。また少ない素材と乾式の採用により、リサイクルプロセスも簡略化できるサステナブルな研究プロジェクトです。

ペンシルバニア大学の多面体構造研究所（Polyhedral Structures Laboratory）、ビラノバ大学、ニューヨーク市立大学、ダルムシュタット工科大学、最先端のデジタルファブリケーション技術を駆使した建築ファブリケーション企業イベントスケープ（Eventscape）という分野を横断した、デザイナー、研究者、実践家のチームが開発しました。

（以下、Polyhedral Structures Laboratoryから提供されたプレスキットのテキストの抄訳）

©︎ Yao Lu

〈Tortuca〉は、幾何学に基づく構造形状決定手法であるPGS（多面体図形静力学：Polyhedral Graphic Statics）を用いて設計され、乾式で組み立てることができる13の中空ガラスユニットにより構成された、効率的で革新的な構造システムである。また、ガラスを使用した新たな建築言語の提案でもある。

中空ガラスユニットは、5軸ウォータージェットカッターにて切断された厚さ1cmのガラスデッキプレートと、5軸CNCルーターによりフライス加工された厚さ2cmのアクリルサイドプレートにより構成されている。

5軸ウォータージェットカッターによるガラス部材のカット ©︎ Yao Lu

5軸CNCルーターによるアクリル部材のフライス加工 ©︎ Yao Lu

フロートガラスを主要な耐荷重材料とした構造体は、質量はわずか250kgでありながら3.2mのスパンを実現している。この構造システムの効率性と、もっとも重い中空ガラスユニットの重量でも約23.3kgという軽量化により、重機や多くの労働力を必要とせず、1人での組み立てと解体が可能である。

さらに、フロートガラスのような非常に繊細な素材を一次構造システムとして使用することで、建築物やインフラプロジェクトにおける材料やエネルギー需要を最小化する可能性を持っている。また、さまざまな素材を組み合わせることなく素材を純粋な状態で活用し、乾式で構成されているため、構造物のライフサイクル終了後には容易にリサイクルすることが可能である。

この研究は、デザインからエンジニアリング、理論から実践、そして学術から産業といった、異なる機関の協力により達成された、分野の垣根を取り払い力を結集することの価値を示すプロジェクトでもある。

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製作条件から生成する多面体モデル

基本形状の生成には、PGS（多面体図形静力学）を実装したRhinocerosのプラグインであるPolyFrameを使用した。このプラグインを活用し、製作における制約を満たし、製作をより容易にするための寸法や角度などの最適化が行われた13の多面体のセルからなる形状図を生成した。

この最適化により、各多面体セルの厚さを100mm程度の施工時に1人で扱えるサイズとし、橋の寸法を(L)3.2×(W)1.3×(H)0.55mとした。

PolyFrameにより作成した基本形状 ©︎ Yao Lu

ガラスとアクリルによる側面板と接続機構 ©︎ Yao Lu

基本形状モデルを具現化するマテリアル化

橋の基本形状の作成後、多面体セルを中空ガラスユニットとして具現化するため、必要な性能に応じた素材と接続機構を決定した。

すべての多面体セルの上下2面には、素材を均質化するアニール加工を施した厚さ9.5mmのガラスを用い、側面は隣接する中空ガラスユニットとの接続機構を考慮し、厚さ9.5mmのガラスと21mmのアクリル製の側面板を使用した。

中空ガラスユニットの製作と橋の組み立ての前に、以前実施したプロジェクトにて確立した解析順序に従い、工学シミュレーションソフトであるANSYSを使用し解析を行っている。

©︎ Yao Lu

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以下、Polyhedral Structures Laboratoryのリリース（英文）です。

INTRODUCTION

A team of designers, researchers, and practitioners from Polyhedral Structures Laboratory at University of Pennsylvania, Villanova University, The City College of New York, Technical University of Darmstadt, and custom architectural fabrication company Eventscape created an ultra-thin hollow glass bridge named Tortuca.

Designed with Polyhedral Graphic Statics (PGS), a geometry-based structural form-finding method, Tortuca presents an efficient and innovative structural system constructed by the dry assembly of thirteen hollow glass units (HGU). It also proposes a new language for glass that is carefully treated, structurally informed, fabrication-aware, and environmentally responsible. Each HGU of Tortuca is made of 1 cm (3/8 inch) glass deck plates and 2 cm (0.7 inch) acrylic side plates precisely cut with 5-axis abrasive waterjet cutting and CNC milling to match the structural geometry. The structure spans 3.2 m (10.5 ft) with a mass of only 250 kg (550 lbs), where the float glass is the primary load-bearing material. Thanks to the efficiency and light weight of the construction system, a single person can assemble and disassemble the structure without needing a crane or additional labor. Moreover, this research explores the potential of using an extremely delicate material such as float glass for the primary structural system to encourage minimizing the material and energy demands in buildings and infrastructural projects. Additionally, it shows how utilizing the material in its purest format could simplify the recycling process after the life cycle of the structure has ended. Also, this research project is achieved by collaboration across different institutions, from design to engineering, from theoretical to practical, and from academia to industry. We appreciate the value of breaking disciplinary boundaries and joining forces from multiple fields.

STRUCTURAL FORM-FINDING

The generation of the base geometry (Figure 3) is achieved through PolyFrame (Nejur and Akbarzadeh 2021), a Rhino plug-in that implements PGS. The generated form diagram with thirteen polyhedral cells is then optimized regarding global dimensions, individual edge lengths, and face angles, to better satisfy the fabrication constraints and increase the ease of the subsequent fabrication process. As a result, the bridge dimension is set to 3.2 m(L) × 1.3 m(W) ×0.55 m(H), the thicknesses of the polyhedral cells are set to around 100 mm, and each cell is constrained to a size that one person can handle during the construction process.

MATERIALIZATION

After obtaining the base geometry of the bridge, each polyhedral cell is materialized as one HGU. The HGU details and the steel abutments that hold all HGUs are devised based on the material selection and fabrication constraints. Each of the two top and bottom faces of every polyhedral cell is materialized as a glass deck plate using 9.5 mm annealed glass. For the smaller side faces, they are materialized as either 9.5 mm thick glass side plates or 21 mm thick acrylic side plates, depending on whether they need to accommodate the connection mechanisms with the neighbor HGUs (Figure 4). Improved from a precedent (Lu et al. 2021), the connection mechanism between neighboring HGUs contains two pocket channels on the pair of facing side plates and a locking strip that has a butterfly shape section profile. Between the neighboring HGU deck plates and between the HGUs and steel abutments, Surlyn sheets cut with a 3-axis CNC router are placed and used as the interface material preventing direct glass-to-glass, and glass-to-steel contact.

NUMERICAL SIMULATION

Before HGU fabrication and bridge assembly, a static numerical finite element analysis is conducted using ANSYS, which follows the previously established analysis sequence as explained by Yost et al. (2022). The result shows that the bridge successfully sustains its self-weight.

FABRICATION AND ASSEMBLY

The glass parts are cut using 5-axis abrasive waterjet cutter (Figure 5), and the acrylic parts are milled using 5-axis CNC router (Figure 6). The assembly process consists first of the construction of the individual HGUs (Figure 7) followed by the assembly of the entire bridge (Figure 9). The heaviest HGU of the bridge weighs about 23.3 kg, meaning that the assembly process can be handled by one person without any heavy construction machinery. Moreover, most material can be easily dismantled and recycled at the end of its life cycle as a consequence of the dry assembly process.

REFERENCES

Lu, Yao, Alireza Seyedahmadian, Philipp Amir Chhadeh, Matthew Cregan, Mohammad Bolhassani, Jens Schneider, Joseph Robert Yost, Gareth Brennan, and Masoud Akbarzadeh. 2022. “Funicular Glass Bridge Prototype: Design Optimization, Fabrication, and Assembly Challenges.” Glass Structures & Engineering 7 (2): 319–330.

Nejur, Andrei, and Masoud Akbarzadeh. 2021. “PolyFrame, Efficient Computation for 3D Graphic Statics.” Computer-Aided Design 134 (May): 103003.

Yost, Joseph Robert, Mohammad Bolhassani, Philipp Amir Chhadeh, Liam Ryan, Jens Schneider, and Masoud Akbarzadeh. 2022. “Mechanical Performance of Polyhedral Hollow Glass Units under Compression.” Engineering Structures 254 (March): 113730.

Lu, Yao, Matthew Cregan, Philipp Chhadeh, Alireza Seyedahmadian, Mohammad Bolhassani, Jens Schneider, Joseph Yost, and Masoud Akbarzadeh. 2021. “All Glass, Compression-Dominant Polyhedral Bridge Prototype: Form-Finding and Fabrication.” In Inspiring the Next Generation: Proceedings of the 7th International Conference on Spatial Structures and the Annual Symposium of the IASS, 326–36. Surrey, UK.

ACKNOWLEDGMENTS

This project was supported by University of Pennsylvania Research Foundation Grant (URF), National Science Foundation CAREER AWARD (NSF CAREER-1944691-CMMI), and the National Science Foundation Future Eco Manufacturing Research Grant (NSF, FMRG-CMMI 2037097) to Dr. Masoud Akbarzadeh. It was also supported by Villanova University Summer Grant Program (USG) to Dr. Joseph Yost. The multi-axis milling, metalwork, and other facilities were supported by Eventscape NY.

PROJECT CREDITS

Principal Investigators: Masoud Akbarzadeh (Polyhedral Structures Laboratory, University of Pennsylvania), Joseph Robert Yost (Department of Civil and Environmental Engineering, Villanova University), Mohammad Bolhassani (The City College of New York), Jens Schneider (Technische Universität Darmstadt)
Project Architect: Yao Lu (Polyhedral Structures Laboratory, University of Pennsylvania)
Project Team: Yao Lu, Ali Seyedahmadian, Philipp Amir Chhadeh, Matthew Cregan, Mohammad Bolhassani, Thomas Lee, Matthew DeLissio, Vincent Micozzi, Tristan Fischer-Smith, Joseph Robert Yost, Jens Schneider, Gareth Brennan, Masoud Akbarzadeh
Structural and Computational detailing: Yao Lu, Masoud Akbarzadeh
Structural Analysis: Philipp Amir Chhadeh and Mohammad Bolhassani
Structural Load Testing: Joseph Robert Yost and Mathew Cregan
Fabrication and Assembly: Yao Lu, Ali Seyedahmadian, Thomas Lee, Vincent Micozzi, Tristan Fischer-Smith, Gareth Brennan
Five-Axis Milling Services: Eventscape NY
Plywood Formwork: Eventscape NY
Metalworks: Eventscape NY
Five-Axis Waterjet Services: AquaJet Services LLC

「Tortuca」Polyhedral Structures Laboratory 公式サイト

https://psl.design.upenn.edu/project/glass-bridge-prototype/