結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大賽中的應(yīng)用

彭細(xì)榮 黎永索 彭桂強(qiáng)

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結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大賽中的應(yīng)用

彭細(xì)榮 黎永索 彭桂強(qiáng)

本文以一結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大賽為例，應(yīng)用目前建筑概念設(shè)計的前沿技術(shù)——結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。此應(yīng)用探索，不僅在技術(shù)上是個新的嘗試，同時可擴(kuò)展大學(xué)生視野，使其了解科技發(fā)展前沿動態(tài)。

結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽題目通常從工程問題中簡化而來，突出主要矛盾問題，對一些次要問題進(jìn)行簡化或忽略，相比于實(shí)際工程項(xiàng)目，各類設(shè)計方面的約束大大減少，給設(shè)計者更大的想象空間，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計及制作充滿創(chuàng)新性與競爭性，通常中規(guī)中矩的設(shè)計方案難以取勝。結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計常規(guī)的做法是通過對題目進(jìn)行深入分析，提出若干創(chuàng)新設(shè)計方案，再利用有限元分析軟件等進(jìn)行方案比選，得到最終優(yōu)選方案。

連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)由于其最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常為骨架形式，近年來在土木工程概念設(shè)計中得到了應(yīng)用，如卡塔爾國家會議中心及上海喜馬拉雅中心等。本文應(yīng)用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大賽中提供概念設(shè)計，依據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，創(chuàng)建結(jié)構(gòu)桁架模型，對創(chuàng)新設(shè)計方式進(jìn)行了新的探索。

結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽題目

2015年湖南省結(jié)構(gòu)設(shè)計大賽題目是要求設(shè)計一個竹制三層框架模型，模型受豎向活動荷載及橫向偏心荷載作用，目標(biāo)是設(shè)計最輕結(jié)構(gòu)承受指定荷載。題目內(nèi)容簡述如下：

（1） 模型高度900mm；結(jié)構(gòu)主體水平投影必須為600mm×300mm；

（2） 3個樓層。每層層高不得小于250mm（樓層凈高無限定）；

（3） 在模型內(nèi)部，不能有侵占由結(jié)構(gòu)四周墻體和上下層樓板圍成的模型內(nèi)部空間的構(gòu)件；

（4） 每層樓面均必須為平面（包括屋面），樓板覆蓋整個平面，且每層樓板（包括屋面）必須開設(shè)一個100×150mm的洞口，洞口位置可自定，但各層洞口位置必須上下對齊，洞口范圍內(nèi)不得設(shè)任何桿件。模型結(jié)構(gòu)四周墻體上必須留出如圖2（a）及（b）所示的空白區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)墻體上不允許有任何構(gòu)件，即墻體上的構(gòu)件應(yīng)布置在圖所示的陰影部分之內(nèi)；

（5） 模型結(jié)構(gòu)與加載裝置底座采用壓條錨固的形式進(jìn)行連接；

（6） 模型荷載：豎向荷載，用砝碼加載，二、三樓面和屋面豎向荷載每層均為2個10KG砝碼，每層砝碼放置的位置任意，但必須水平放置且不能疊加。水平加載，采用吊掛加載，加載點(diǎn)位置位于結(jié)構(gòu)頂層樓面，距離模型整體水平投影長邊邊緣75mm、距離投影短邊邊150mm。水平加載砝碼總重不超過150kg。

圖1　依據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化創(chuàng)構(gòu)理論建立的工程

圖2　模型允許區(qū)域

圖3　依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果得到的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案：（a） 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計域；（b）最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式；（c）依據(jù)最優(yōu)拓?fù)湫问皆O(shè)計的單片桁架結(jié)構(gòu)；（d） U型布置的空間桁架結(jié)構(gòu)方案

應(yīng)用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計

通過對題目的分析，設(shè)計的關(guān)鍵在于避免在橫向偏心荷載作用下結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)及解決壓桿失穩(wěn)問題。由于題目中沒有對墻體厚度做出限定，為此我們設(shè)計了一個U型截面的墻體方案，結(jié)構(gòu)的其它部分均虛構(gòu)，起承載作用的僅為這個U型截面的墻體，這樣結(jié)構(gòu)集中在一起，對解決扭轉(zhuǎn)變形及壓桿失穩(wěn)均有好處。而這個U型截面的墻體承載橫向力的主要結(jié)構(gòu)則是墻面內(nèi)的斜向支撐結(jié)構(gòu)。為此，使用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化軟件OptiStruct，建立如圖3（a）所示的設(shè)計區(qū)，圖中陰影部分將拓?fù)鋬?yōu)化布置構(gòu)件，內(nèi)部空白部分即題目中限定的不可以有結(jié)構(gòu)穿過的空間。在下部約束，頂部受橫向力作用下，以一定體積比約束下，以結(jié)構(gòu)柔順度極?。唇Y(jié)構(gòu)剛度極大）為目標(biāo)建立拓?fù)鋬?yōu)化模型，定義結(jié)構(gòu)對稱約束，優(yōu)化求解后得到如圖3（b）所示最優(yōu)拓?fù)?。依?jù)最優(yōu)拓?fù)湫问?，結(jié)合樓層位置，構(gòu)建如圖3（c）所示桁架結(jié)構(gòu)。得到了主體承力結(jié)構(gòu)后，再在兩側(cè)面創(chuàng)建兩片小桁架，與此面內(nèi)桁架一起組成U型截面的一個墻體結(jié)構(gòu)，如圖3（d）所示。經(jīng)有限元分析，此結(jié)構(gòu)不會發(fā)生結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形，由于結(jié)構(gòu)構(gòu)件集中，形式簡單，長壓桿數(shù)量少，給模型制作帶來極大方便。

結(jié)語

通過以2015年湖南省結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計大賽為例，應(yīng)用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計，不僅在技術(shù)上是個有益的探索，同時可擴(kuò)展大學(xué)生視野，使其了解科技發(fā)展最前沿動態(tài)。

彭細(xì)榮 黎永索 彭桂強(qiáng)

湖南城市學(xué)院

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.032