solidThinking Inspire 与 OptiStruct 在建筑设计中的应用

    摘要：随着复杂建筑结构的设计与日增多，凭借传统的概念设计进行结构选型与布置已不能高效率、高质量的完成设计任务。本文使用了 Optistruct 和 solidThinking Inspire 对一个大跨度空间结构和一座高层结构进行了计算和优化求解，得到了收敛的解答。结果表明在结构概念设计阶段引入该方法能够高效率、高质量的得到建筑结构的概念设计模型，对结构设计方法的革新有很大的推动作用。 

    一、引言  

   概念设计是建筑结构设计中的精髓所在，一定程度上是对建筑的一种“优化”，通常需要工程师有良好的理论基础，并结合实践经验对结构进行结构选型、结构布置，但存在很大的主观性。对常规结构进行概念设计时有公认的经验可用，且能得到合理的设计。而近些年来，我国的复杂建筑剧增，这对于“人工的”概念设计带来了很大的挑战，通常没有可借鉴的经验。一旦概念设计不合理，小则在设计阶段带来了大量返工，大则使结构设计不合理带来大量材料和金钱的浪费。 

     二、OptiStruct 在建筑设计中的运用

      本文使用壳单元进行了一个 150m 高的超高层外立面框架优化尝试。如图 1 所示，内部的核心筒、外部的框架和楼板均为壳单元，将楼板设置为 300mm 厚以考虑梁的作用，内筒为 350mm 厚，外框架厚为 200mm。外框架材料为钢材，内筒和楼板为混凝土。按照《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）在楼面施加恒荷载和活荷载，并且依照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）施加了八度区、II 类场地的地震荷载。通过 35 个循环计算，优化结果见图2，云图颜色代表材料分布的密度，可以初步得出外框架结构布置形式以及框架截 面的大小。但优化只能局限于外立面，无法进行空间结构的优化。

                                                                          图 1 框架核心筒模型 

                                                                          图 2 外框架优化结果 

   但是 OptiStruct 需要有较强的有限元知识和力学功底，对于建筑师来讲使用通用有限元软件实属不易，因此本文后续内容都采用 solidThinking Inspire 来进行，该软件操作方便， 简单易学更适合建筑师使用。

    三、solidThinking Inspire 在建筑设计中的运用

    使用 solidThinking Inspire 能够较好的完成复杂建筑设计，可以快速得到最优的结构布置方案，并且能够带来建筑的美观效果，以下以两个例子进行展示。 

    3.1 大跨度空间结构优化算例  

    一座大跨度空间结构如图 3 所示，结构分为两个区域，表面银色一层为膜结构仅作为维护结构，不进行优化设计。下部棕色部分为受力部分，材料属性为钢材，作为受力结构进行优化设计。在膜结构表面处施加竖向荷载，将钢结构的边缘部分设置固端支座，进行连续体的拓扑优化计算。

                                                                          图 3 建筑方案与工况 

   材料属性对于优化结果是一个重要的影响因素，主要在于其弹性模量和屈服强度差异较大。而在建筑结构中对于结构的变形和应力值有着严格的控制，因此在计算时分为两组，分别采用不同的钢材属性进行计算。计算均以最小材料体积作为优化目标。 图 4 的计算结果为钢材型号为 Q235 时的优化结果，图 5 为钢材型号为 Q420 时的优化 结果。对比两图可以看出不同材料对于优化结果有着巨大的不同，但都对三维空间结构的主要构件布置位置做出了明确的解答，呈现出了空间的交错拱的形态，从概念上可以判断该结果是合理的。因此可以该方法计算所得结果进行参考并在较短时间内完成结构的概念设计。

                                                                          图 4 结构材料为 Q235 的拓扑优化结果 

                                                                          图 5 结构材料为 Q420 的拓扑优化结果

   3.2 高层建筑结构优化算例  

   在视野和空间布置要求下，一座竖向空间不规则的10 层的高层建筑的建筑方案如图 6 所示。凭借传统的概念设计已经无法快速的对该建筑进行结构方案的确定。使用基于连续体的拓扑优化进行尝试，如图 7 所示，首先在建筑底部施加固端约束，再根据《建筑结构荷载 规范》（GB50009-2012）在每一层楼面处施加竖向荷载，暂不考虑风和地震作用。

                                                                          图 6 建筑初步方案 

                                                                          图 7 边界条件和荷载布置 

                                                                          图 8 优化结果 

                                                                          图 9 模型

   结构的材料属性为 C30 混凝土，依照《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）将应力上限设置为其设计强度值。将最小体积作为优化目标，意在找到安全与经济的平衡点。采用变密度法进行计算。计算结果如图 8 所示，建筑优化成树状结构，完全打破凭借经验进行概念设计的形态而且达到了材料的节约。虽然制作工艺较为复杂，但如果使用 3D 打印技术依旧能够得到较好的经济效益。对计算结果进行进一步处理，将该形体进行制作如图 9 所示，可以看到结构和建筑结合后带来的美观效果。

   四、结语  

   使用 Altair 公司的 OptiStruct 和 solidThinking Inspire 可以较好地进行拓扑优化计算， 能够非常迅速地得到结构在指定工况和边界条件下的材料最优分布方案。使用该方法能对建筑结构概念设计较好的指导意义，节约建筑师在方案阶段的时间和精力。同时对于一些复杂结构这种优化方案能够找到最优的材料分布，这是凭借传统的经验无法在短时间内完成的。 并且随着 3D 打印技术的不断前进，相信有一天使用拓扑优化结果直接进行打印出来的建筑便是最合理的建筑结构。 

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