桿系結構形態(tài)創(chuàng)構方法研究.pdf

1、結構形態(tài)創(chuàng)構是建筑與結構交叉領域新興研究方向之一,是從結構分析出發(fā),尋求多種“良好”建筑形狀的理論方法,對建筑與結構設計的進一步發(fā)展有較深的意義。桿系結構類型眾多,在實際工程中應用廣泛,桿系結構形態(tài)創(chuàng)構方法的研究具有較高的應用價值,有助于建筑形式的多樣化。本文以結構優(yōu)化理論為基礎,考慮建筑空間制約條件,以結構剛度最大化為設計目標,提出了兼顧形狀、拓撲和截面的桿系結構形態(tài)創(chuàng)構方法。方法中考慮了程序通用性,使方法能夠用于各種桿系結構的形態(tài)創(chuàng)

2、構。本文主要開展以下幾個方面工作:
　　1.建立了桿系結構的節(jié)點調(diào)整方法
　　從應變能和節(jié)點坐標的關系出發(fā),推導了節(jié)點移動應變能敏感度表達式,并考慮空間制約條件,得到了受約束節(jié)點移動應變能敏感度表達式。詳細分析了節(jié)點移動應變能敏感度的特性,提出了根據(jù)應變能對節(jié)點坐標的敏感程度逐步調(diào)整節(jié)點來實現(xiàn)結構剛度最大化的桿系結構形狀創(chuàng)構方法。為了提高進化效率,進一步研究了節(jié)點移動方向的修正方法,對桿系結構形狀創(chuàng)構方法進行了改進。研究發(fā)現(xiàn)

3、在應該能收斂階段,節(jié)點移動敏感度趨于零,此階段的結構具有對初始缺陷不敏感的特點。
　　2.提出了兼顧拓撲和形狀的桿系結構拓撲形態(tài)創(chuàng)構方法
　　為了評價每個單元在整個結構中抵抗荷載的貢獻程度,定義了單元增減應變能敏感度,并將其作為衡量單元承載效率高低的指標。利用單元增減應變能敏感度的特性,研究了單元增減的策略,并結合節(jié)點調(diào)整,提出了兼顧結構拓撲與形狀的創(chuàng)構方法。該方法通過直接地消除低效單元和在高效單元附近增加單元,實現(xiàn)了結構的

4、拓撲變化,并通過節(jié)點調(diào)整修正拓撲變化過程中的節(jié)點位置和結構形狀。由于單元可增可減,方法的初始結構既可以簡單也可復雜,可靈活選擇。在結構形態(tài)確定后,在方法中還引入了截面優(yōu)化,使方法可以兼顧形狀、拓撲和截面,完善了方法。方法適用廣泛,能夠用于平面及空間中的各類桿系結構的形態(tài)創(chuàng)構。
　　3.在桿系結構形態(tài)創(chuàng)構方法中考慮了建筑空間制約條件
　　為增強本文方法的實用性,采用B樣條曲線(曲面)等來表達建筑要求所提出的空間制約條件,并在應

5、變能敏感度的推導過程中給予反應,使方法所產(chǎn)生的結構能夠滿足建筑要求。此外,還利用初始結構對最終結構的影響,在初始結構確定時以不同的桿件布置手段來體現(xiàn)空間制約條件。由于初始結構是結構演化的起點,同時也為新桿件生成提供基本的可能空間,對建筑空間制約條件的實現(xiàn)起重要作用。還通過對不同應用場合下的空間制約條件的處理,增強了方法的實用性,同時也豐富了結構形態(tài)創(chuàng)構方法的內(nèi)容。
　　4.研究方法在平面及空間結構中的應用
　　為了探討方法的

6、適用性,對平面及空間結構中的桁架型結構,樹狀型結構,橋梁型結構等進行了大量算例應用實踐。算例展現(xiàn)了方法廣泛的適用性和實用性。針對不同支座條件,不同初始結構條件、不同創(chuàng)構策略以及不同結構類型的桿系結構進行形態(tài)創(chuàng)構。考察了進化過程中結構形態(tài)變化和力學性能變化,總結了創(chuàng)構策略對結構形態(tài)變化的影響和方法的特點。方法所得結構形式具有以軸力傳遞荷載的幾何特征,結構形式多呈現(xiàn)優(yōu)美的弧狀,這有利于建筑造型中美學意圖的實現(xiàn)。同時,所得結構形式符合力學概念

7、,可為結構力學教育和結構設計提供參考。
　　5.研究并總結了方法所得結構的力學性能
　　從大量算例的力學量的變化可知,兼顧拓撲與形狀的桿系結構形態(tài)創(chuàng)構方法可以使結構向剛度提高、彎矩降低的方向演化,最終結構將以軸力為主要傳遞荷載方式。方法中的節(jié)點調(diào)整對結構力學性能的改善貢獻較多。對節(jié)點調(diào)整前后結構的穩(wěn)定性進行驗算,結果表明調(diào)整后結構不僅可提高結構剛度,且可提高極限承載力和改善初始節(jié)點偏差對結構的影響。雖然以應變能作為目標函數(shù),