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　　目前，建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化領(lǐng)域已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用，主要是在概念設(shè)計(jì)之后對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定范圍的改動(dòng)，以達(dá)到減少造價(jià)、優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能的目的。榮見(jiàn)華等使用連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)不同邊界條件的橋梁進(jìn)行了優(yōu)化，得到了良好的解答。黃冀卓等對(duì)鋼框架的支撐布置進(jìn)行了離散型拓?fù)鋬?yōu)化研究，該方法能夠通過(guò)計(jì)算找到合理的支撐布置形式，但無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)整體形式進(jìn)行選擇和布置。徐迪等對(duì)三角錐的網(wǎng)格拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行了研究，對(duì)網(wǎng)格刪除與添加的算法做了一定的改良，對(duì)空間三角錐網(wǎng)格的拓?fù)鋬?yōu)化提出了新的算法。而這種優(yōu)化大多是停留在結(jié)構(gòu)的構(gòu)件層面，而對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)布置卻無(wú)法進(jìn)行優(yōu)化，導(dǎo)致優(yōu)化的空間有限，尤其是一些異性和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，建筑師更是無(wú)法對(duì)結(jié)構(gòu)布置做出準(zhǔn)確的判斷，往往需要建立很多的分析模型進(jìn)行對(duì)比和選擇。而采用基于連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化可以幫助工程師在最短的時(shí)間內(nèi)找到結(jié)構(gòu)最短的傳力途徑，從設(shè)計(jì)之初對(duì)結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，繼而便可以完成一個(gè)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
　　
　　2 OptiStruct在建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用
　　
　　桿單元在建筑結(jié)構(gòu)中通常當(dāng)做梁、柱來(lái)使用，一般只有長(zhǎng)度和截面兩種幾何信息。優(yōu)化時(shí)首先需要建立結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)，這樣桿單元就只能在節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行布置，優(yōu)化的余地便只有桿件布置和截面的選擇。黃冀卓等進(jìn)行了一個(gè)12層3跨的鋼框架支撐布置優(yōu)化，采用了多種優(yōu)化算法得出了不同的支撐形式以適應(yīng)不同的外部荷載工況。但由于單元類(lèi)型的限制，優(yōu)化的余地較小。
　　
　　殼單元是二維單元，從優(yōu)化的空間層面提升了很多。可以在一個(gè)面內(nèi)進(jìn)行結(jié)構(gòu)布置的優(yōu)化計(jì)算，不必像桿單元模型在優(yōu)化時(shí)需要確定節(jié)點(diǎn)的位置，從而優(yōu)化的結(jié)果也更能達(dá)到啟發(fā)的作用。本文使用殼單元進(jìn)行了一個(gè)150m高的超高層外立面框架優(yōu)化嘗試。如圖1所示，內(nèi)部的核心筒、外部的框架和樓板均為殼單元，將樓板設(shè)置為300mm厚以考慮梁的作用，內(nèi)筒為350mm厚，外框架厚為200mm。外框架材料為鋼材，內(nèi)筒和樓板為混凝土。按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）在樓面施加恒荷載和活荷載，并且依照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）施加了八度區(qū)、II類(lèi)場(chǎng)地的地震荷載。通過(guò)35個(gè)循環(huán)計(jì)算，CAE優(yōu)化結(jié)果見(jiàn)圖2，云圖顏色代表材料分布的密度，可以初步得出外框架結(jié)構(gòu)布置形式以及框架截面的大小。但優(yōu)化只能局限于外立面，無(wú)法進(jìn)行空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。但是OptiStruct需要有較強(qiáng)的有限元知識(shí)和力學(xué)功底，對(duì)于建筑師來(lái)講使用通用CAE軟件實(shí)屬不易，因此本文后續(xù)內(nèi)容都采用solidThinking Inspire來(lái)進(jìn)行，該軟件操作方便，簡(jiǎn)單易學(xué)更適合建筑師使用。
　　
　　3 solidThinking Inspire在建筑設(shè)計(jì)中的運(yùn)用
　　
　　使用solidThinking Inspire能夠較好的完成復(fù)雜建筑設(shè)計(jì)，可以快速得到**的結(jié)構(gòu)布置方案，并且能夠帶來(lái)建筑的美觀效果，以下以兩個(gè)例子進(jìn)行展示。
　　
　　3.1大跨度空間結(jié)構(gòu)優(yōu)化算例
　　
　　一座大跨度空間結(jié)構(gòu)如圖3所示，結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)區(qū)域，表面銀色一層為膜結(jié)構(gòu)僅作為維護(hù)結(jié)構(gòu)，不進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。下部棕色部分為受力部分，材料屬性為鋼材，作為受力結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在膜結(jié)構(gòu)表面處施加豎向荷載，將鋼結(jié)構(gòu)的邊緣部分設(shè)置固端支座，進(jìn)行連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算。
　　
　　材料屬性對(duì)于優(yōu)化結(jié)果是一個(gè)重要的影響因素，主要在于其彈性模量和屈服強(qiáng)度差異較大。而在建筑結(jié)構(gòu)中對(duì)于結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力值有著嚴(yán)格的控制，因此在計(jì)算時(shí)分為兩組，分別采用不同的鋼材屬性進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算均以最小材料體積作為優(yōu)化目標(biāo)。
　　
　　的計(jì)算結(jié)果為鋼材型號(hào)為Q235時(shí)的優(yōu)化結(jié)果，圖5為鋼材型號(hào)為Q420時(shí)的優(yōu)化結(jié)果。對(duì)比兩圖可以看出不同材料對(duì)于優(yōu)化結(jié)果有著巨大的不同，但都對(duì)三維空間結(jié)構(gòu)的主要構(gòu)件布置位置做出了明確的解答，呈現(xiàn)出了空間的交錯(cuò)拱的形態(tài)，從概念上可以判斷該結(jié)果是合理的。因此可以該方法計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行參考并在較短時(shí)間內(nèi)完成結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)。
　　
　　
　　3.2高層建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化算例
　　
　　在視野和空間布置要求下，一座豎向空間不規(guī)則的10層的高層建筑的建筑方案如圖6所示。憑借傳統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)已經(jīng)無(wú)法快速的對(duì)該建筑進(jìn)行結(jié)構(gòu)方案的確定。使用基于連續(xù)體的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行嘗試，如圖7所示，首先在建筑底部施加固端約束，再根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）在每一層樓面處施加豎向荷載，暫不考慮風(fēng)和地震作用。結(jié)構(gòu)的材料屬性為C30混凝土，依照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50010-2010）將應(yīng)力上限設(shè)置為其設(shè)計(jì)強(qiáng)度值。將最小體積作為優(yōu)化目標(biāo)，意在找到安全與經(jīng)濟(jì)的平衡點(diǎn)。采用變密度法進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖8所示，建筑優(yōu)化成樹(shù)狀結(jié)構(gòu)，完全打破憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)的形態(tài)而且達(dá)到了材料的節(jié)約。雖然制作工藝較為復(fù)雜，但如果使用3D打印技術(shù)依舊能夠得到較好的經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步處理，將該形體進(jìn)行制作如圖9所示，可以看到結(jié)構(gòu)和建筑結(jié)合后帶來(lái)的美觀效果。
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