结构形态学在现代结构中的应用

结构形态学在现代结构中的应用摘要结构形态学从整体上研究结构形式与其受力性能之间的关系，研究内容较广泛，具有多学科交叉的特点，但尚未形成基本理论体系空间结构是典型的形效结构，而且形式丰富多样，如何实现新颖结构形式与合理结构性能之间的协调统一是空间结构设计中的关键问题因此，结构形态学的研究对空间结构的创新发展具有重要意义通过对结构形态学的研究范畴与发展脉络的阐述，为结构形态学提出一个较为明确的定义；结合张力结构自由曲面结构自由拓扑结构等现代空间结构形式对结构形态学的研究进展情况进行评述，重点介绍了作者团队近年来在这方面的研究与实践关键词：结构形态学；空间结构；张力结构；自由曲面结构；自由拓扑结构-3-第一章引言对结构合理形态的探索一直是结构工程领域的重要课题纵观诸多经典结构工程，无不体现了使用功能优美形体与合理受力的协调一致以此为目标的相关研究也一直备受关注。二十世纪初，形态学思想逐渐被引入建筑结构领域，建筑结构大师们进行了相关探索与实践例如，西班牙建筑师高迪提出逆吊实验方法，并藉此设计了一系列具有雕塑感的建筑；瑞士工程师Isler利用充气膜和悬垂膜方法设计了许多混凝土薄壳结构；意大利工程师Nervi创造多个兼具技术和美学价值的结构，被誉为钢筋混凝土诗人；西班牙建筑师Candela利用双曲抛物面的组合创造了多项富于表现力的混凝土薄壳结构；德国建筑师Otto利用肥皂膜实验，解决了索膜结构的初始形态确定问题；美国学者Fuller通过对自然现象的观察和思考，提出了全张力体系的思想，对空间结构的体系创新发展具有推动作用。这些大师们所提出的一些设计理念可以看作是形态学思想在建筑结构领域的体现例如：Nervi认为结构应具有自身的表现力，合理的结构本身就蕴含着美；Otto认为建筑的目的不是炫耀技术，而是更好地表达自然，了解存在于自然界的构造过程，人工地表达这种过程，乃设计之道；Fuller认为自然界存在着以最少结构提供最大强度的矢量系统，人类的发展需求应与全球的资源和科技水平结合在一起，用最高效的手段解决最多的问题。1991年，国际壳体与空间结构学会成立了结构形态学工作组，首次提出一词，但一直没有对其严格定义。第二章张力结构张力结构是以构件受拉为主来抵抗外荷载的一类柔性结构体系，具有用材省效率高的特点。其工程应用形式多样，包括各种形式的悬索结构体系索膜结构体系以及以拉索(杆)起主导作用的各种混合结构体系。代代木体育馆、德国奥体中心体育场、卡尔加里滑冰馆、威海体育场展示了张力结构形态的丰富多样性。1.1张力结构的初始形态确定作为柔性体系，张力结构需要通过施加适当预张力获得稳定形状。因-4-此，通过调整边界条件和预张力，寻求符合建筑功能及美学要求且受力合理的初始形状，是张力结构设计中首先需解决的问题。由此可见，张力结构由于其自身特点，从一开始就与结构形态学紧密结合。国外文献把确定张力结构的初始形状称作找形，从实用角度，该词形象地表达了操作过程。有学者认为这一名称缺少一点理论内涵，因此提出了“初始形态确定”的概念，相应的数值分析称为“初始形态分析”，认为该定义能较好地与结构形态学的概念相联系。在形态学发展早期，多采用模型实验方法确定张力结构的初始形状，即利用可形成纯张力作用的柔性材料或肥皂膜模拟实际结构受力状态，获得预期的建筑形状，再通过对模型进行量测、按比例放大，实现工程设计。由于计算技术的进步，目前张力结构初始形态的确定以数值分析方法为主，较为常用的有三种基本方法：力密度法动力松弛法和非线性有限元法。这些方法均较为成熟，针对实际工程，通过初始形态分析，可获得既符合建筑功能要求，又具有合理预应力分布的初始形态。1.2全张力体系及工程应用结构体系创新也是结构形态学研究中重要的内涵和目标，Fuller在20世纪40年代提出了全张力体系的概念，认为宇宙是由万有引力形成的张力网，星球是网中的一个个孤岛，照此原则可构造由连续的受拉构件与不连续的受压构件组成的自平衡预张力体系，亦称之为Tensegrity。根据这一概念，Snelson等设计了很多新奇的模型。日本学者Kawaguchi等将索穹顶的柔性上弦替换为刚性结构，为便于施工，提出了弦支穹顶结构。在国内，这种高效的混合结构体系在北京工业大学体育馆等56余项实际工程中得到应用年建成的大连体育馆其椭圆形巨型网格弦支穹顶的平面尺寸已达116mX145m。可以看到，虽然真正意义上的全张力体系并未在实际工程中实现，但这一思想为空间结构的体系创新起到了重要的推动作用，成为结构形态学与空间结构相互促进的典范。第二章自由曲面结构空间结构的传统造型多为球面柱面鞍面等规则曲面及其组合，这些曲面的合理性在理论和实践上均已得到认可。近年来，随着计算机技术的发展，自由曲面以其丰富的建筑表现力，日益受到建筑师的青睐。所谓自由-5-曲面是指无法用单个或几个解析函数表达的曲面，也可理解为那些明显区别于传统建筑造型的曲面。如何在曲面生成过程中实现曲面多样性与受力合理性的有机结合，即所谓的形态创建&问题，是自由曲面结构设计中的首要问题自由曲面结构的形态创建方法可大致分为模型实验方法和基于优化思想的数值方法两类。2.1模拟实验法实验方法是前计算机时代实现结构形态创建的主要方法逆吊实验法是这方面的典型实例，该方法利用柔性材料(如布或绳)在荷载作用下只能承受拉力的特点，在给定的约束条件和荷载分布情况(通常为重力荷载)下，获得在悬吊状态下的纯拉结构形状，再通过对模型进行固化翻转操作，获得在相应荷载作用下的纯压结构形式。在该方法中，通过反复调整约束条件，可获得符合要求的自由曲面。逆吊实验法可自动实现零弯矩结构，概念清晰形象直观，因而在形态学发展初期，受到Gaudi、Isler、Otto等大师的青睐，并利用其设计了许多造型美观、受力合理的经典建筑结构作品，西班牙圣家族大教堂和瑞士网球中心逆吊实验法的实施过程较为复杂，也受到实验相似律和测试精度等条件的限制。自20世纪80年代以来，由于计算机技术的发展，逆吊实验法已很少在实际工程中应用，但该方法的思想仍受到一些学者的重视，并试图通过数值模拟实现逆吊过程。2.2基于优化思想的数值创建方法随着有限元技术和优化技术的不断发展，基于优化思想的数值形态创建方法逐渐成为研究热点其基本思路是，将自由曲面的几何建模技术与结构优化算法结合，以曲面形状参数作为优化变量，以结构的合理受力作为优化目标，采用适当的优化算法，可获得一系列符合要求的可供建筑师选择的自由曲面形态。许多学者在这方面进行了探索，例如，Ohmori等将非均匀有理B样条几何建模技术与结构优化算法相结合，以曲面的形状参数及曲面厚度作为变量，建立了自由曲面壳体的形态创建方法。崔昌禹等提出一种以应变能最小为目标，通过对曲面竖向坐标进行调整实现结构形态创建的高度调整法。李欣等将NURBS曲面拟合技术与寻求结构应变能最小的梯度算法相结合，提出一种自由曲面形态创建的NURBS-GM方法。该方法通过调整NURBS曲面的控制点坐标和权因子，获得整体应变能最小的曲面形状。-6-第三章自由拓扑结构拓扑是一个几何学概念，描述物体内部各组成部分之间的相对关系对于杆系结构，拓扑可以理解为网格的构成方式；对于开洞连续体，指各部分之间的连通关系自由拓扑结构是指其构件布置或开洞情况明显不同于传统的规则方式。如2008年北京奥运会场馆的鸟巢和水立方，可认为是自由拓扑结构。与自由曲面结构类似，自由拓扑结构的形态创建也可采用基于优化思想的数值方法，即以拓扑参数(如杆件的有无等)作为优化变量，结构的合理受力(如应变能最小等)作为优化目标，通过合理的优化算法来实现。3.1连续型自由拓扑结构对连续体结构，如何合理布置开洞位置并确定洞口的大小形状是拓扑形态创建的主要问题。针对这一问题，Bendsoe等提出一种均匀化方法，其基本思想是将设计空间离散成一系列分布均匀大小相同的微单元；在优化过程中，高应力区单元密度加大，低应力区单元密度减小；在迭代计算结束后，定义一个合理的密度最小值，然后剔除密度低于该最小值的单元，即可得到一个材料利用效率最高的优化结构。Xie等提出了一种基于进化思想的ESO连续体拓扑优化算法，其基本思想是删除计算区域内受力效率较低的部分，以生成高效的结构形式，这是目前在工程中应用较多的一种拓扑优化方法。Dombernowsky等运用类似方法对一个三点支承的混凝土屋盖进行拓扑形态创建，并建造了实际结构屋盖上表面覆有7cm厚的混凝土面层，不能改变，可作为约束条件，以结构应变能作为优化目标，对下部支承肋部分进行拓扑优化，形成了支承体系建成后的屋盖结构。3.2离散型自由拓扑结构如何合理布置节点以及节点之间的联系，是离散体系拓扑形态创建的主要问题对于此类拓扑优化问题，应用最多的是遗传算法。例如，Wang等利用GA方法研究了考虑实际建造条件的桁架结构拓扑优化问题，并提出一种可同时考虑拓扑尺寸和形状优化的改进遗传算法。Jenkins、Hajela等许多学者根据不同具体问题的特点对遗传算法进行了改进。刘淼以结构总质量与外力功的乘积最小为优化目标，以结构形状杆件-7-拓扑杆件截面三组参数作为变量，采用遗传算法对单层球面网格结构进行拓扑优化，得到了较优的结构形态。第四章结论从上述讨论可以看到，空间结构形状十分丰富多样，结构形态学的研究对空间结构的创新发展具有重要意义作为结论与展望，提出以下几点原则性的意见：创新驱动发展，结构体系的创新是空间结构持续发展的源泉；结构体系的创新不是标新立异，应符合以下基本要求：新颖结构形式与建筑功能要求的和谐统一；符合自然、合理、高效的结构美学原则；符合建筑技术(包括构造、材料、施工技术)的发展方向；结构形态学为结构体系创新提供思想和理论基础，同时在结构创新实践中不断丰富，二者相互促进、相辅相成。结构形态学的研究是不断发展、不断丰富的长期过程，也有赖于建筑、结构、力学和工程等多方面融合有针对性地开展系统研究，并结合结构创新实践，经受其检验，最终逐渐形成较完整的理论体系，使其对工程实践发挥更好的指导作用。-8-参考文献[1]Ambraseys，N.N.，etal.，ThepredictionofearthquakepeakgroundaccelerationinEurope，EESD，Vol.24，469-490，1995[2]Ambraseys，N.N.，etal.，PredictionofhorizontalresponsespectrainEurope，EESD，Vol.25，371-400，1996[3]ArthurD.Frankel.EarthquakeGroundMotionsinSedimentaryBasins.ConferenceProceedingofStructures2001—AStructuralEngineeringOdyssey，PeterC.Chang-Editor，May21–23，2001，Washington，D.C.，USA[4]Atkinson.G，D.Boore，RecenttrendsingroundmotionandspectralresponserelationsforNorthAmerica，EarthquakeSpectra，Vol.6，No.1，1990[5]Atkinson.G，W.Silva，StochasticModelingofCaliforniagroundmotions，BSSA，Vol.90，No.2，255-274，2000[6]Atkinson.G，Anoverviewofdevelopmentinseismichazardanalysis.Proc.of13WCEE，Vancouver，Canada，2004