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CAE软件在建筑设计中的应用

2015/6/25        作者:王东  罗峥  井敏飞  叶飞      
关键字:CAE  有限元  CAE软件  
本文使用了Optistruct和solidThinking Inspire这两款CAE软件,对一个大跨度空间结构和一座高层结构进行了计算和优化求解,得到了收敛的解答。

1 概述

    概念设计是建筑结构设计中的精髓所在,一定程度上是对建筑的一种“优化”,通常需要工程师有良好的理论基础,并结合实践经验对结构进行结构选型、结构布置,但存在很大的主观性。对常规结构进行概念设计时有公认的经验可用,且能得到合理的设计。而近些年来,我国的复杂建筑剧增,这对于“人工的”概念设计带来了很大的挑战,通常没有可借鉴的经验。一旦概念设计不合理,小则在设计阶段带来了大量返工,大则使结构设计不合理带来大量材料和金钱的浪费。

    目前,建筑结构优化领域已经进行了大量的研究和应用,主要是在概念设计之后对结构进行一定范围的改动,以达到减少造价、优化结构性能的目的。荣见华等使用连续体拓扑优化方法对不同边界条件的桥梁进行了优化,得到了良好的解答。黄冀卓等对钢框架的支撑布置进行了离散型拓扑优化研究,该方法能够通过计算找到合理的支撑布置形式,但无法对结构整体形式进行选择和布置。徐迪等对三角锥的网格拓扑优化进行了研究,对网格删除与添加的算法做了一定的改良,对空间三角锥网格的拓扑优化提出了新的算法。而这种优化大多是停留在结构的构件层面,而对整个结构的结构布置却无法进行优化,导致优化的空间有限,尤其是一些异性和复杂的结构,建筑师更是无法对结构布置做出准确的判断,往往需要建立很多的分析模型进行对比和选择。而采用基于连续体的拓扑优化可以帮助工程师在最短的时间内找到结构最短的传力途径,从设计之初对结构的概念设计进行优化,继而便可以完成一个合理的结构设计。

2 OptiStruct在建筑设计中的运用

    杆单元在建筑结构中通常当做梁、柱来使用,一般只有长度和截面两种几何信息。优化时首先需要建立结构的节点,这样杆单元就只能在节点之间进行布置,优化的余地便只有杆件布置和截面的选择。黄冀卓等进行了一个12层3跨的钢框架支撑布置优化,采用了多种优化算法得出了不同的支撑形式以适应不同的外部荷载工况。但由于单元类型的限制,优化的余地较小。

    壳单元是二维单元,从优化的空间层面提升了很多。可以在一个面内进行结构布置的优化计算,不必像杆单元模型在优化时需要确定节点的位置,从而优化的结果也更能达到启发的作用。本文使用壳单元进行了一个150m高的超高层外立面框架优化尝试。如图1所示,内部的核心筒、外部的框架和楼板均为壳单元,将楼板设置为300mm厚以考虑梁的作用,内筒为350mm厚,外框架厚为200mm。外框架材料为钢材,内筒和楼板为混凝土。按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)在楼面施加恒荷载和活荷载,并且依照《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)施加了八度区、II类场地的地震荷载。通过35个循环计算,CAE优化结果见图2,云图颜色代表材料分布的密度,可以初步得出外框架结构布置形式以及框架截面的大小。但优化只能局限于外立面,无法进行空间结构的优化。

图1 框架核心筒模型

图1 框架核心筒模型

图2 外框架优化结果

图2 外框架优化结果

责任编辑:吴星星
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