自由曲面结构多目标形态优化北大核心CSCD

根据自由曲面的形成机理,建立自由曲面结构的多目标优化模型。以控制点坐标为优化变量,以应变能密度、特征屈曲值为目标函数,运用遗传算法,采用MATLAB与ANSYS分析软件,对自由曲面进行多目标优化。研究表明,所提出的优化方法适用性强、优化效果较好,可用于各种自由曲面的形态优化。     

曲线变换型自由曲面结构的形态创建

基于结构形态学的基本概念,通过将结构几何形状的建立方法与寻找合理受力性能的数值优化方法相结合,提出了一种适用于曲线变换型自由曲面结构的形态创建方法。以B样条函数表达母线和准线,以应变能作为评价结构受力性能的指标,基于梯度法推导出结构应变能与B样条函数曲线控制点坐标间的导数关系,根据应变能的变化梯度确定控制点坐标的调整方向,通过逐步调整控制点坐标,获得一系列具有较小应变能的合理曲面形状。利用FORTRAN语言编制了相应的形态创建程序,并通过具体算例验证了方法的有效性。结果表明：该方法可保证结构在形态创建过程中,曲面上曲线的相对位置关系保持不变,为进一步实现连续壳体的离散化提供了条件;且由于控制点的数量远少于曲面上离散点的数量,因此相比于直接调整曲面坐标的形态创建方法,该方法计算效率更高。     

自由曲面单层三角形网格结构抗震性能研究

自由曲面单层空间网格结构作为一种新型结构形式,以其流畅自然的线条、灵活多样的结构形态,广泛应用于各类大型公共建筑中。自由曲面结构通过结构应变能为优化目标,节点坐标为优化变量进行曲面形状优化,以达到较好的静力性能,但优化后曲面的抗震性能,目前还缺乏了解。以自由曲面单层三角形网格结构为例进行结构形态优化研究,通过时程分析法研究优化后自由曲面网格结构在罕遇地震作用下的动力响应,总结其抗震性能。研究结果表明:经过形态优化后网格结构的静力性能得到很大提高;罕遇地震作用下,优化后网格结构最大位移出现位置由中部靠下部位转移到中部靠上部位,且3个方向的最大位移数值均小于优化前的网格结构;网格结构最大等效应力和最大轴向压应力都有一定幅度下降,网格优化和光顺化主要影响的是地震作用下结构的竖向位移,且优化后在El Centro地震波作用下结构最大竖向位移减少近25%,表明形态优化有效提高了自由曲面单层空间网格结构在罕遇地震下的抗震性能。     

自由曲面结构形态创建的NURBS-GM方法

自由曲面结构以其卓越的建筑表现力成为当今空间结构发展的趋势之一,并在越来越多的实际工程中得到应用。与传统的空间结构相比,自由曲面空间结构设计的难点在于如何处理好新颖建筑造型与结构合理受力性能之间的关系。近年来,结构形态学的发展,特别是结构形态创构理论的提出,为解决自由曲面结构的形态设计问题提供了有效途径。借鉴结构形态创构的思想,将非均匀有理B样条(NURBS)曲面造型技术与寻求结构应变能最小的梯度算法相结合,提出一种适合于NURBS自由曲面结构特点的形态创构方法——NURBS-GM法。该方法的特点是,通过调整NURBS曲面的控制点坐标和权因子来获得整体应变能最小的曲面形状,从而改进了以往以直角坐标为调整变量的结构形态创构方法的计算效率。最后,通过若干算例证明本文方法的有效性。     

自由曲面索支撑空间网格结构形态优化

索支撑空间网格结构是一种新型的单层网壳形式,主要应用于玻璃采光顶结构中。由于目前对自由曲面索支撑空间网格结构形态方面的研究国内外还相对较少,为此提出了一套适用于该类结构的形态优化方法。该优化方法采用结构整体应变能为优化目标、结构高度为优化变量、共轭梯度法为优化算法。根据索支撑空间网格结构的建模方法,将优化结构整个曲面转化为优化结构的准线和母线。采用该方法对自由曲面索支撑空间网格结构进行形态优化研究,得到结论如下:首先,采用本文形态优化方法,收敛速度快,形态优化后结构的力学性能提高很大;其次,形态优化过程中平面四边形网格属性不变,优化变量少;最后,对优化后的离散网格重新进行拟合生成曲面,对该曲面重新划分网格,保证网格长度相等。重新划分网格为结构构件加工和施工提供了便利,而且结构力学性能削弱不大。     

建筑中自由曲面造型的理性构思

公众对建筑中的自由曲面造型多有"不理性"和"形式主义"的看法.通过对优秀曲面建筑设计案例的分析,认为这些曲面造型背后,存有合理的构思,可弥补日益高密度化的城市环境,回应比过去复杂的城市文脉,满足受力和其他物理方面的要求等.因此,建筑师们应放下观念上的包袱,为设计更理性、更优雅、更经济的自由曲面造型做准备.     

自由曲面空间结构形态创建的若干关键问题探讨

如何建立具有合理受力性能的自由曲面空间结构是设计过程中需要重点考虑的关键问题。以结构形态学观点为指导,将曲面几何形状的建立与寻找曲面合理受力性能的方法相结合,这一过程称为曲面的形态创建。本文对结构形态学所涉及的若干概念进行了阐述,并对自由曲面空间结构形态创建过程中所存在的关键技术问题进行了探讨。这些关键问题包括：(1)自由曲面结构的生成方法; (2)结构合理受力性能的评价指标及指标之间的相互关系; (3)合理曲面的创建方法等。通过对这些问题的探讨试图为自由曲面的研究与应用提供若干建议。     

基于B样条的自由曲面结构形态创构方法研究

在B样条曲面上设定关键点并引入参考平面,利用所设定的关键点形成B样条曲面与参考平面上参数化B样条曲线确定的内外边界,采用Delaunay网格划分技术进行三角划分,生成能够适应复杂边界的自由曲面初始结构。利用关键点坐标的变化与自由曲面应变能的关系,推导了应变能对关键点的敏感度,建立了结构应变能最小化的自由曲面结构形态创构的方法,解决了以节点为优化变量计算效率低且优化后曲面不光滑需要二次加工的问题。研究结果表明,所提出的方法可以解决在实际工程应用中具有复杂边界的自由曲面形态创构问题,可以创构出自由、灵活的多种合理自由曲面结构,由此获得的曲面结构具有刚度大、承载力高,同时最大限度地抑制了弯矩的产生,且具有初始缺陷对结构受力性能影响减小的特点。     

生成式参数化设计在自由曲面空间结构中的应用

自由曲面空间结构的设计需兼顾建筑形体和结构效率的影响,涉及多学科交叉协同。总结提出了针对自由曲面结构的生成式参数化设计方法,可实现在预设条件下,通过参数化控制,结合开发的改进优化算法,自动高效地生成同时满足美学表现和力学性能的曲面形态方案,并可通过定义不同约束条件,生成多方案比选。对方法的实现流程和关键技术进行了论述和总结,并通过工程设计案例论证了方法的可行性和易用性。研究表明,该方法可适用于复杂的受力和边界条件,并可根据项目特点结合专项结构分析实现多目标优化,具有较高的适用性;同时其参数化特征可有效应对项目调整变更,提升设计效率。该方法可有效帮助解决建筑与结构专业在设计过程中的学科分离矛盾,进一步提升设计质量。     

自由曲面单层网格的智能布局设计研究

单层网格结构的网格划分标准不同于有限元网格的划分,它更侧重于以定性要求为标准的网格质量评价。为满足自由曲面单层网格杆件长度尽量一致、分布尽量均匀、过渡尽量流畅的要求,以自由曲面优化找形为前提,基于网格形状和单元长度的网格质量衡量标准,编制智能化网格设计程序。在整个布局设计过程中,首先通过拓扑不变的原则将空间问题转化为平面问题。其次,利用空间映射原理将在平面参考域上布置好的网格映射回三维空间曲面。最后,通过对初始拓扑网格进行智能化的修正和优化,保证所有杆件长度一致、网格布置美观的效果。通过在上海世博轴阳光谷工程中的实际应用证明,该方法操作简单,效果理想。且若采用不同拓扑关系布置的网格可以生成同样要求的最终杆件布置效果,供建筑师设计选用。     

考虑结构缺陷敏感性影响的单层空间网格结构形态优化研究

自由曲面单层空间网格结构以总应变能为优化目标时,优化后的结构以轴向应变能为主而弯曲应变能极小,结构承载能力较高;但在考虑初始几何缺陷影响后,其承载力会大幅下降,结构对初始几何缺陷异常敏感,经过形态优化后的结构实际承载力并不高。为此,提出以结构弯曲应变能比例作为约束条件的单层网格结构形态优化方法。该方法通过控制优化终止时结构内部弯曲应变能比例,调节结构弯曲应变能和总应变能比例关系,降低优化后结构对初始几何缺陷的敏感性,可得到考虑初始几何缺陷后仍具有较高承载力的结构形态。自由曲面单层空间网格结构数值算例表明,优化后结构在考虑初始几何缺陷后,其承载力相比传统优化方法有较大提高,证明了所提方法的可行性。     

自由曲面网壳合理壳面及其应力控制研究

通过选用较优的初应力分布来对最终应力分布进行控制的方式,提出了受力合理且满足建筑要求的自由曲面网壳目标壳面的生成方法,并对半球形网壳壳面算例进行了分析,结果表明:初应力均布时,所得最终应力的均匀性最佳;初应力布置时,对环向应力和边缘应力同时进行加强,最终径向应力与环向应力的协同性最佳。     

基于遗传算法的张弦桁架设计与选形优化

张弦桁架设计参数较多且相互影响,常伴有较大的几何非线性变形,因此需要精确寻找结构形状及预拉力,以获得结构整体性能的优化结果.在MATLAB平台上利用多种群遗传算法,通过命令流调用SAP2000,在对结构优化的同时,实现"找形"及"找力";第一阶段寻找各类构件的截面,发现桁架弦杆截面的改变对整体优化结果影响较小,在此基础...     

浅谈中国古建筑的形与势

通过对紫禁城等经典进行研究,从空间尺度以及视觉感受的角度分析了中国古建筑中的形与势,具体阐述了古代劳动人民在处理大小、远近、局部与总体、细节与轮廓等方面的手法和技巧,以期指导当代建筑设计。     

Meshing and integrated optimisation for free-form reticulated shells

Presented herein is a study on the meshing and the integrated optimisation technique combined with configuration and mechanical behaviour for free-form reticulated shells. It focuses on the realisation of the practical layouts of meshes and improves the evaluation criteria for grid quality. For the preparation for the integrated optimisation, the bicubic quasi-uniform B-spline surface is applied to describe the free-form surface, and the energy method is introduced to smooth free-form reticulated shell through fairing factors. In order to perform optimisation automatically, a novel integrated optimisation system is established including fairing, finite element analysis (FEA) and optimisation programme modules. Based on the relationship between the fairing factors and the structural configuration, the zoned fairing factors are chosen as design variables (DVs). The FEA module is introduced to analyse and calculate the total structural strain energy of the structural components. By using the optimisation module, the optimum structural configuration can be found when the total structural strain energy reaches the minimum. Numerical results demonstrate that the proposed optimisation technique is convenient and feasible.     

粗骨料表面分维的研究

混凝土浆体用量越少,其体积稳定性越好。混凝土浆体用量与粗骨料的表面分维有关.采用所提出的试验方法,可得到粗骨料的比表面积、粗骨科表面积形状因子与体积形状因子的比值,代入理论公式可求出粗骨料表面分维.采用所提出的试验和理论相结合的方法,可以较准确得到粗骨料表面分维.研究成果可用于混凝土配合比的设计和优化.     

基于双三次B样条插值的空间结构自由曲面

双三次B样条插值曲面方法是工业造型、机械制造领域应用成熟的一种自由曲面设计方法，本在分析空间结构曲面设计现状、需求以及不足的基础上，提出了应用C^2连续的双三次B样条插值曲面方法进行空间结构自由曲面设计算法，并通过实例论证了该算法的可行性和有效性。