拓扑优化在鸟巢式空间结构创新设计中的应用

前言

     本文先利用连续体变密度拓扑优化的技术，尝试探索了“鸟巢”大型空间曲面网状承载结构的设计方法，得到原生的概念结构，最后利用inspire工具，设计了新型自然的鸟巢结构。验证了基于变密度拓扑优化方法应用在建筑结构领域法的优势和适用性。最终效果如下图。       

1、背景介绍

        国家体育场“鸟巢”是中国宏大雄伟、新颖亮丽的标致性体育建筑，世人瞩目。整个主体建筑通过巨型网状结构联系，内部没有任何支撑， 赋予体育场以不可思议的戏剧性和无与伦比的震撼力。“鸟巢”的屋盖呈双曲面马鞍型，东西轴长298 米、南北轴长333 米，最高点69 米、最低点40 米，中间为长椭圆形开口。主架围绕屋盖中间的开口放射形布置, 与屋面及立面的次结构一起形成了“ 鸟巢” 的特殊建筑造型。结构用钢量达到4.2万吨，搭建“鸟巢”的主桁架重达1.4 万吨，桁架柱重约1.7万吨，主桁架和桁架柱一起形成如图1、图2的主要承载体系。

        如此大跨度的钢结构，如何能高效的承受几万吨的自重，风力载荷和地震载荷？

        本文利用简化的鸟巢模型，借助Altair产品的变密度拓扑优化技术，尝试探索大型空间曲面网状结构的优化设计方法，拓扑优化结果如图3、图4所示：

                               图3  网状加强结构                                                   图4 主桁架结构

2、模型设置

      分别利用体单元模型和壳单元模型进行了优化分析，网格模型如下图所示：

    结构载荷包括：自重、风载荷、地震载荷；

    约束条件：结构接地边界的自由度。

    优化变量：所有设计空间。

    约束条件：体积分数＜0.3。

    优化目标：加权应变能最小。

3、路径解读

    将拓扑结果利用多边形建模工具进行结构转化，具体过程如下所述：

①创建参考平面：在inspire利用草绘工具，创建参考平面，如下图：

②内路径设计：利用wrap工具，根据优化结果，设计内传力路径，如下图：

③主支撑立柱设计：利用wrap、bridge工具，根据优化结果，设计内传力路径，如下图：

④生成整体模型：根据结构的对称性，利用镜像工具，生成整体承载结构，如下图：

4、课题总结

     本文利用Ispire的先进优化工具及高效的拓扑路径解读工具，设计了鸟巢式空间曲面结构。本文中的模型对鸟巢结构及载荷进行了适当简化，旨在进行结构设计方法的交流与探索。

     最后附上模型及建模视频，供交流使用。

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