衍生式设计让混凝土结构变得更轻、更牢固、更可持续
建筑方法的重大突破并不常有，而一旦出现则给世界带来改变 ，例如吉萨大金字塔、法国的庞杜加德渡槽、勒·科布西耶的浮板设计、 胡佛大坝 。几个世纪以来，设计在不断创新，而混凝土已经成为了是人造建筑材料中的中流砥柱。不过传统的配方和工艺也在不断发展，因为有了如3D打印和人工智能等新技术，混凝土有望变得更轻、更耐用，而且最重要的是，还可以变得更可持续。
结构工程师Marcos Silveira正率领团队试行采用可持续混凝土的“ Hone结构”项目，希望能借此推动这项施工技术的发展。“Hone 结构”项目把衍生式设计应用到钢筋混凝土结构中，从混凝土深梁开始，验证其概念，从而探索这种工艺在材料节约和其他方面的潜力。
Silveira在圣保罗大学和加拿大温莎大学攻读博士学位期间（导师为温莎大学的Sreekanta Das博士和圣保罗大学的Lués Bitencourt博士），和团队成员Gabriela Vivan在多伦多一起参加了欧特克技术中心的工程建设行业密集居住区衍生式设计活动，以开发这方面的概念，然后在波士顿与机器人专家合作，建造钢筋混凝土并了解3D打印。Silveira表示，这个项目正好把他博士论文的理论付诸实践，目的是利用衍生式设计、人工智能和机器人技术“重塑钢筋混凝土结构的设计和建造过程”。
关于传统的混凝土设计和施工，Silveira 认为“这其实不是个问题，而是一种局限，因为它只是基于设计师的经验来进行，也受到传统制造工艺的局限。”而“Hone结构”的方法就不一样，它通过有限元分析（FEA）来观察混凝土结构的表现， 然后通过计算在正确的位置进行重塑、加强。他说，“基本上，我们所做的就是将设计负载分解为一系列步骤。我们不是针对一个复杂形状而设计、计算出相应的桁架，即拉压杆方法，而是分析每个负载步骤，增加它以了解需要加固的最薄弱点。”
此团队在温莎大学的结构实验室构建了几种混凝土形状，连接到液压框架，施加压力，并采用数字图像相关性（DIC）系统，用摄像机拍摄测试过程，然后就能用来分析它在特定力量条件下的拉力和应力。然后，他们再采用衍生式设计算法，得出新的代码行，以进一步改善结构性能和用于下一批构件所需材料之间的关系。
这种工艺直接节省了材料。“这意味着设计过程是基于应力的，” Silveira解释道，“应力是按面积来划分的力。如果我增加应力的强度，就可以减少面积，而减少面积就可以减少内部材料的用量。”
这样就得出一个非典型的、不规则形状的桁架，这正体现了衍生式设计算法的著名特征：怪异，但最佳。为设计这个构件，“Hone 结构”团队用算法生成1,000多个模型，从中挑选，制作了10个主要的设计方案。团队在衍生式设计方法中从采用拓扑优化开始入手。换句话说，该构件被分成多个小构件（有限元分析）；了解各个构件的表现和应力，再综合起来，就可得出计算结果，反映出整个构件的表现。对于负载的每个步骤，算法分析哪些小构件可以排除，而又不影响整体的结构表现；之后，算法一遍又一遍地运行，直到实现设计目标为止。
结果，所设计出的深梁与传统的人工设计相比，只用了55%的材料，这很好地证明了节省材料的可能性。那么下一步就是在材料方面进一步探索，结合增材制造，让整个工艺更加智能、更加环保。
美国联邦公路管理局使用的超高性能混凝土比传统混凝土更坚固、更昂贵，但用量比普通混凝土要少。如通过衍生式设计来节省材料，可让它变得更经济实惠。而且施工中的模板更为可持续，可进一步节省资金和材料。
3D打印等技术正在改变制造工艺。那种将混凝土注入平板模型的传统模式可能已经落伍过时；而对混凝土内钢筋的3D打印研究正在迅速进行。Silveira介绍道，此外还有些公司在研究小规模打印钢筋，为建造更复杂的钢筋混凝土结构打开了大门。还有些公司则在试验用更轻、更牢固的碳纤维化合物来替代钢筋。
作为概念证明，“ Hone结构”团队正在用衍生式设计算法和施工机器人来设计一座钢筋混凝土的人行天桥。其中有些构件的形状、形式和大小已经超出了当前技术所能实现的程度。
Silveira 说：“在采用常规模板时，我们仅能使用某些形状，因此设计过程受到这些限制。而在将来，钢筋框架的设计可以按性能要求决定，而不局限于当前的装配技术。”
他表示，人行天桥是个理想的项目，可把“Hone结构”的长期研究成果付诸实践，因为他们研究出的预应力混凝土可以形成与建筑业传统常用形状非常不同的形状。”这个项目是个很好的机会，可能会打破钢筋混凝土行业中一些增材制造和衍生式设计的模式。”
这座天桥致力于在两三年内完成。它不仅展示了多种可能性，也将成为一个教材，展示这种方法的局限、机会和特性。
Silveira指出，这些技术可应用于世界任何地方的各种结构。”我们将来的目标是生产出整个建筑、高层建筑、金属建筑，”他说。”当你用人工智能来设计结构构件的位置时，可以做的实在是太多了。”
这样的创新可能会让我们的世界变得完全不同，因为建筑设计将部分地由算法来驱动，从而能提供传统设计方式无法实现的多种选择，让建筑物的外观变得大不相同。
“将来，我们可以用这种方法来决定建筑结构和构件的位置，因此外观形状会与现在的建筑大不相同，而且性能会更好。”Silveira 说：”我们可以得出数千种方案，然后从中找到性能提高而材料用量降低的平衡点。
3D打印和机器人技术可加快施工速度，衍生式设计可减少材料用量，创造出让建筑构件变得更好的全新范例。“Hone结构”等项目正在各个方面做出重大突破，为建筑行业打造一个全新的、可持续的光明前景。