結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用(共8頁)

1、結(jié)構(gòu)(jigu)形態(tài)學(xué)在現(xiàn)代結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用摘要結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)從整體上研究結(jié)構(gòu)形式與其受力性能(xngnng)之間的關(guān)系，研究內(nèi)容較廣泛，具有多學(xué)科交叉的特點，但尚未形成基本理論體系空間結(jié)構(gòu)是典型的形效結(jié)構(gòu)，而且形式豐富多樣，如何實現(xiàn)新穎結(jié)構(gòu)形式與合理結(jié)構(gòu)性能之間的協(xié)調(diào)統(tǒng)一是空間結(jié)構(gòu)設(shè)計中的關(guān)鍵問題因此，結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的研究對空間結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義通過對結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的研究范疇與發(fā)展脈絡(luò)的闡述，為結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)提出一個較為明確的定義； 結(jié)合(jih)張力結(jié)構(gòu)自由曲面結(jié)構(gòu)自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等現(xiàn)代空間結(jié)構(gòu)形式對結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的研究進(jìn)展情況進(jìn)行評述，重點介紹了作者團隊近年來在這方面的研究與實踐關(guān)鍵詞：結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)； 空間結(jié)

2、構(gòu)； 張力結(jié)構(gòu)； 自由曲面結(jié)構(gòu)； 自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中國地震局工程力學(xué)研究所碩士學(xué)位論文- -第一章引 言對結(jié)構(gòu)合理形態(tài)的探索一直是結(jié)構(gòu)工程(gngchng)領(lǐng)域的重要課題縱觀諸多經(jīng)典結(jié)構(gòu)工程，無不體現(xiàn)了使用功能優(yōu)美形體與合理受力的協(xié)調(diào)一致以此為目標(biāo)的相關(guān)研究也一直備受關(guān)注。二十世紀(jì)初，形態(tài)學(xué)思想逐漸被引入建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，建筑結(jié)構(gòu)大師們進(jìn)行了相關(guān)探索與實踐(shjin)例如，西班牙建筑師高迪提出(t ch)逆吊實驗方法，并藉此設(shè)計了一系列具有雕塑感的建筑； 瑞士工程師Isler利用充氣膜和懸垂膜方法設(shè)計了許多混凝土薄殼結(jié)構(gòu)； 意大利工程師Nervi創(chuàng)造多個兼具技術(shù)和美學(xué)價值的結(jié)構(gòu)，被譽為鋼筋混凝土詩人

3、； 西班牙建筑師Candela利用雙曲拋物面的組合創(chuàng)造了多項富于表現(xiàn)力的混凝土薄殼結(jié)構(gòu)； 德國建筑師Otto利用肥皂膜實驗，解決了索膜結(jié)構(gòu)的初始形態(tài)確定問題； 美國學(xué)者Fuller通過對自然現(xiàn)象的觀察和思考，提出了全張力體系的思想，對空間結(jié)構(gòu)的體系創(chuàng)新發(fā)展具有推動作用。這些大師們所提出的一些設(shè)計理念可以看作是形態(tài)學(xué)思想在建筑結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的體現(xiàn)例如：Nervi認(rèn)為結(jié)構(gòu)應(yīng)具有自身的表現(xiàn)力，合理的結(jié)構(gòu)本身就蘊含著美；Otto認(rèn)為建筑的目的不是炫耀技術(shù)，而是更好地表達(dá)自然，了解存在于自然界的構(gòu)造過程，人工地表達(dá)這種過程，乃設(shè)計之道；Fuller認(rèn)為自然界存在著以最少結(jié)構(gòu)提供最大強度的矢量系統(tǒng)，人類的發(fā)展需

4、求應(yīng)與全球的資源和科技水平結(jié)合在一起，用最高效的手段解決最多的問題。1991年，國際殼體與空間結(jié)構(gòu)學(xué)會成立了結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)工作組，首次提出一詞，但一直沒有對其嚴(yán)格定義。第二章張力結(jié)構(gòu) 張力結(jié)構(gòu)是以構(gòu)件受拉為主來抵抗外荷載的一類柔性結(jié)構(gòu)體系，具有用材省效率高的特點。其工程應(yīng)用形式多樣，包括各種形式的懸索結(jié)構(gòu)體系索膜結(jié)構(gòu)體系以及以拉索(桿)起主導(dǎo)作用的各種混合結(jié)構(gòu)體系。代代木體育館、德國奧體中心體育場、卡爾加里滑冰館、威海體育場展示了張力結(jié)構(gòu)形態(tài)的豐富多樣性。1.1張力結(jié)構(gòu)(jigu)的初始形態(tài)確定作為(zuwi)柔性體系，張力結(jié)構(gòu)需要通過施加適當(dāng)預(yù)張力獲得穩(wěn)定形狀。因此，通過調(diào)整邊界條件和預(yù)張力，尋

5、求符合(fh)建筑功能及美學(xué)要求且受力合理的初始形狀，是張力結(jié)構(gòu)設(shè)計中首先需解決的問題。由此可見，張力結(jié)構(gòu)由于其自身特點，從一開始就與結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)緊密結(jié)合。國外文獻(xiàn)把確定張力結(jié)構(gòu)的初始形狀稱作找形，從實用角度，該詞形象地表達(dá)了操作過程。有學(xué)者認(rèn)為這一名稱缺少一點理論內(nèi)涵，因此提出了“初始形態(tài)確定”的概念，相應(yīng)的數(shù)值分析稱為“初始形態(tài)分析”，認(rèn)為該定義能較好地與結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的概念相聯(lián)系。在形態(tài)學(xué)發(fā)展早期，多采用模型實驗方法確定張力結(jié)構(gòu)的初始形狀，即利用可形成純張力作用的柔性材料或肥皂膜模擬實際結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)，獲得預(yù)期的建筑形狀，再通過對模型進(jìn)行量測、按比例放大，實現(xiàn)工程設(shè)計。由于計算技術(shù)的進(jìn)步，目前張

6、力結(jié)構(gòu)初始形態(tài)的確定以數(shù)值分析方法為主，較為常用的有三種基本方法： 力密度法動力松弛法和非線性有限元法。這些方法均較為成熟，針對實際工程，通過初始形態(tài)分析，可獲得既符合建筑功能要求，又具有合理預(yù)應(yīng)力分布的初始形態(tài)。1.2全張力體系及工程應(yīng)用結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新也是結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)研究中重要的內(nèi)涵和目標(biāo)，F(xiàn)uller在20世紀(jì)40年代提出了全張力體系的概念，認(rèn)為宇宙是由萬有引力形成的張力網(wǎng)，星球是網(wǎng)中的一個個孤島，照此原則可構(gòu)造由連續(xù)的受拉構(gòu)件與不連續(xù)的受壓構(gòu)件組成的自平衡預(yù)張力體系，亦稱之為Tensegrity。根據(jù)這一概念， Snelson等設(shè)計了很多新奇的模型。日本學(xué)者Kawaguchi等將索穹頂?shù)娜嵝?/p>

7、上弦替換為剛性結(jié)構(gòu)，為便于施工，提出了弦支穹頂結(jié)構(gòu)。在國內(nèi)，這種高效的混合結(jié)構(gòu)體系在北京工業(yè)大學(xué)體育館等56余項實際工程中得到應(yīng)用年建成的大連體育館其橢圓形巨型網(wǎng)格弦支穹頂?shù)钠矫娉叽缫堰_(dá)116mX145m?？梢钥吹剑m然真正意義上的全張力體系并未在實際工程中實現(xiàn)，但這一思想為空間結(jié)構(gòu)的體系創(chuàng)新起到了重要的推動作用，成為結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)與空間結(jié)構(gòu)相互促進(jìn)的典范。第二章自由曲面(qmin)結(jié)構(gòu) 空間結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)造型(zoxng)多為球面柱面鞍面等規(guī)則曲面及其組合，這些曲面的合理性在理論和實踐上均已得到認(rèn)可。近年來，隨著(su zhe)計算機技術(shù)的發(fā)展，自由曲面以其豐富的建筑表現(xiàn)力，日益受到建筑師的青睞。所

8、謂自由曲面是指無法用單個或幾個解析函數(shù)表達(dá)的曲面，也可理解為那些明顯區(qū)別于傳統(tǒng)建筑造型的曲面。如何在曲面生成過程中實現(xiàn)曲面多樣性與受力合理性的有機結(jié)合，即所謂的形態(tài)創(chuàng)建&問題，是自由曲面結(jié)構(gòu)設(shè)計中的首要問題自由曲面結(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)建方法可大致分為模型實驗方法和基于優(yōu)化思想的數(shù)值方法兩類。2.1 模擬實驗法實驗方法是前計算機時代實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建的主要方法逆吊實驗法是這方面的典型實例，該方法利用柔性材料(如布或繩) 在荷載作用下只能承受拉力的特點，在給定的約束條件和荷載分布情況(通常為重力荷載)下，獲得在懸吊狀態(tài)下的純拉結(jié)構(gòu)形狀，再通過對模型進(jìn)行固化翻轉(zhuǎn)操作，獲得在相應(yīng)荷載作用下的純壓結(jié)構(gòu)形式。在該方

9、法中，通過反復(fù)調(diào)整約束條件，可獲得符合要求的自由曲面。逆吊實驗法可自動實現(xiàn)零彎矩結(jié)構(gòu)，概念清晰形象直觀，因而在形態(tài)學(xué)發(fā)展初期，受到Gaudi、Isler、Otto等大師的青睞，并利用其設(shè)計了許多造型美觀、受力合理的經(jīng)典建筑結(jié)構(gòu)作品，西班牙圣家族大教堂和瑞士網(wǎng)球中心逆吊實驗法的實施過程較為復(fù)雜，也受到實驗相似律和測試精度等條件的限制。自20世紀(jì)80年代以來，由于計算機技術(shù)的發(fā)展，逆吊實驗法已很少在實際工程中應(yīng)用，但該方法的思想仍受到一些學(xué)者的重視，并試圖通過數(shù)值模擬實現(xiàn)逆吊過程。2.2基于優(yōu)化思想的數(shù)值創(chuàng)建方法隨著有限元技術(shù)和優(yōu)化技術(shù)的不斷發(fā)展，基于優(yōu)化思想的數(shù)值形態(tài)創(chuàng)建方法逐漸成為研究熱點其基

10、本思路是，將自由曲面的幾何建模技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法結(jié)合，以曲面形狀參數(shù)作為優(yōu)化變量，以結(jié)構(gòu)的合理受力作為優(yōu)化目標(biāo)，采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法，可獲得一系列符合要求的可供建筑師選擇的自由曲面形態(tài)。許多(xdu)學(xué)者在這方面進(jìn)行了探索，例如(lr)，Ohmori等將非均勻(jnyn)有理B樣條幾何建模技術(shù)與結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法相結(jié)合，以曲面的形狀參數(shù)及曲面厚度作為變量，建立了自由曲面殼體的形態(tài)創(chuàng)建方法。崔昌禹等提出一種以應(yīng)變能最小為目標(biāo)，通過對曲面豎向坐標(biāo)進(jìn)行調(diào)整實現(xiàn)結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)建的高度調(diào)整法。李欣等將NURBS曲面擬合技術(shù)與尋求結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最小的梯度算法相結(jié)合，提出一種自由曲面形態(tài)創(chuàng)建的NURBS-GM方法。該方法通

11、過調(diào)整NURBS曲面的控制點坐標(biāo)和權(quán)因子，獲得整體應(yīng)變能最小的曲面形狀。第三章自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 拓?fù)涫且粋€幾何學(xué)概念，描述物體內(nèi)部各組成部分之間的相對關(guān)系對于桿系結(jié)構(gòu)，拓?fù)淇梢岳斫鉃榫W(wǎng)格的構(gòu)成方式； 對于開洞連續(xù)體，指各部分之間的連通關(guān)系自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指其構(gòu)件布置或開洞情況明顯不同于傳統(tǒng)的規(guī)則方式。如2008年北京奧運會場館的鳥巢和水立方，可認(rèn)為是自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與自由曲面結(jié)構(gòu)類似，自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)建也可采用基于優(yōu)化思想的數(shù)值方法，即以拓?fù)鋮?shù)( 如桿件的有無等) 作為優(yōu)化變量，結(jié)構(gòu)的合理受力( 如應(yīng)變能最小等) 作為優(yōu)化目標(biāo)，通過合理的優(yōu)化算法來實現(xiàn)。3.1連續(xù)型自由拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對連續(xù)體結(jié)構(gòu)，如何

12、合理布置開洞位置并確定洞口的大小形狀是拓?fù)湫螒B(tài)創(chuàng)建的主要問題。針對這一問題，Bendsoe等提出一種均勻化方法，其基本思想是將設(shè)計空間離散成一系列分布均勻大小相同的微單元；在優(yōu)化過程中，高應(yīng)力區(qū)單元密度加大，低應(yīng)力區(qū)單元密度減??； 在迭代計算結(jié)束后，定義一個合理的密度最小值，然后剔除密度低于該最小值的單元，即可得到一個材料利用效率最高的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。Xie等提出了一種基于進(jìn)化思想的ESO連續(xù)體拓?fù)鋬?yōu)化算法，其基本思想是刪除計算區(qū)域內(nèi)受力效率較低的部分，以生成高效的結(jié)構(gòu)形式，這是目前在工程中應(yīng)用較多的一種拓?fù)鋬?yōu)化方法。Dombernowsky等運用類似(li s)方法對一個三點支承的混凝土屋蓋進(jìn)行拓

13、撲形態(tài)創(chuàng)建，并建造了實際結(jié)構(gòu)屋蓋上表面覆有7cm厚的混凝土面層，不能改變，可作為約束條件，以結(jié)構(gòu)應(yīng)變能作為優(yōu)化目標(biāo)，對下部(xi b)支承肋部分進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，形成了支承體系建成后的屋蓋結(jié)構(gòu)。3.2離散型自由拓?fù)?tu p)結(jié)構(gòu)如何合理布置節(jié)點以及節(jié)點之間的聯(lián)系，是離散體系拓?fù)湫螒B(tài)創(chuàng)建的主要問題對于此類拓?fù)鋬?yōu)化問題，應(yīng)用最多的是遺傳算法。例如，Wang等利用GA方法研究了考慮實際建造條件的桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題，并提出一種可同時考慮拓?fù)涑叽绾托螤顑?yōu)化的改進(jìn)遺傳算法。Jenkins、Hajela等許多學(xué)者根據(jù)不同具體問題的特點對遺傳算法進(jìn)行了改進(jìn)。劉淼以結(jié)構(gòu)總質(zhì)量與外力功的乘積最小為優(yōu)化目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)

14、形狀桿件拓?fù)錀U件截面三組參數(shù)作為變量，采用遺傳算法對單層球面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到了較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形態(tài)。第四章結(jié)論從上述討論可以看到，空間結(jié)構(gòu)形狀十分豐富多樣，結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的研究對空間結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義作為結(jié)論與展望，提出以下幾點原則性的意見：創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展，結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新是空間結(jié)構(gòu)持續(xù)發(fā)展的源泉；結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新不是標(biāo)新立異，應(yīng)符合以下基本要求： 新穎結(jié)構(gòu)形式與建筑功能要求的和諧統(tǒng)一； 符合自然、合理、高效的結(jié)構(gòu)美學(xué)原則； 符合建筑技術(shù)(包括構(gòu)造、材料、施工技術(shù)) 的發(fā)展方向；結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)為結(jié)構(gòu)體系創(chuàng)新提供思想和理論基礎(chǔ)，同時在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實踐中不斷豐富，二者相互促進(jìn)、相輔相成。結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的研究

15、是不斷發(fā)展、不斷豐富的長期過程，也有賴于建筑、結(jié)構(gòu)、力學(xué)和工程等多方面融合有針對性地開展系統(tǒng)研究，并結(jié)合結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實踐，經(jīng)受其檢驗，最終逐漸形成較完整的理論體系，使其對工程實踐發(fā)揮更好的指導(dǎo)作用。參考文獻(xiàn)Ambraseys， N.N.， et al.， The prediction of earthquake peak ground acceleration in Europe， EESD， Vol.24， 469-490， 1995Ambraseys， N.N.， et al.， Prediction of horizontal response spectra in Europe， EESD

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