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ARUP:数字技术驱动未来建筑设计

2019/8/20    来源:e-works    作者:e-works  涂彬  吴星星      
关键字:ARUP  建筑设计  仿真  
随着高速计算机的问世和算法的快速进步,数字技术的出现,也催生了建筑行业的设计变革。通过引入数字技术,不仅使得建筑设计流程发生了变革,也为建筑行业提供了定量化、精细化管理的支持。

    成立于1946年4月1日的ARUP(奥雅纳),是全球最大、最成功的工程顾问公司之一,总部位于英国伦敦。在建筑行业,ARUP一直提供高质量的技术设计和高标准的专业服务,在中国的服务范围包括建筑,基建和咨询,其中著名的有国家体育场(鸟巢)、国家游泳中心(水立方),广州塔(小蛮腰),港珠澳大桥和深圳前海综合开发咨询等。

    2019年7月10日-12日,由业界领先的CAE解决方案供应商Altair举办的“2019 Altair技术大会(2019 ATC)”在上海宝华万豪酒店成功召开。在会议期间,e-works记者有幸采访了ARUP副董事汪洋博士,围绕仿真技术用于建筑行业的背景,ARUP如何采用Altair提供的软件解决建筑难题,数字技术在建筑行业的应用案例等问题进行了深入交流,最后汪洋博士还分享了他将数字技术用于建筑行业的感悟。

数字技术催生建筑行业变革

    随着全球经济的快速发展,科学技术正在日新月异,城市人口集中,用地紧张,以及商业竞争的激烈化,建筑高度也随之朝向高层化趋势发展,结构层次的样式设计更是种类繁多,不少新型建筑样式在各大城市中平地拔起,成为不同城市的标志性代表。

    然而,在不断快速发展的同时,建筑设计行业也面临着前所未有的挑战,例如材料短缺、环境影响以及技术竞争等。同时,建筑层次的增高与复杂程度的加深,也对结构设计方面提出了更高的要求,建筑的结构越来越复杂,各种合作要求也非常多,客户的定制化需求,缺乏成熟经验。

    近年来,在高层建筑设计过程中,寻求更轻质、更低成本且能可持续发展的结构,成为建筑工程师们的共识。而随着高速计算机的问世和算法的快速进步,数字技术的出现,也催生了建筑行业的设计变革。通过引入数字技术,不仅使得建筑设计流程发生了变革,也为建筑行业提供了定量化、精细化管理的支持。

数字技术解决建筑抗震设计难题

    一直以来,ARUP与Altair公司有着很深的合作渊源,全球化合作很早就开始了,中国公司也不例外,都是同样一套技术标准。ARUP副董事汪洋博士介绍:“在2000年进入ARUP中国深圳接手数字化建设工作时,最先接触的结构数字优化软件就是Altair HyperWorks。2014年开始,ARUP着手推进数字化转型,主要的策略概况为四点:第一是创新的自动化;第二是数据驱动;第三是数字技术服务;第四是数字产品。通过专业知识和上述四点融合,并且建立一个行业生态圈,把前端的设计和最终的末端的营运有机的结合起来,形成一个服务业为主的一体解决方案的平台。”

    在ARUP深圳,第一个接触到CAE优化的项目是广州塔(小蛮腰)——位于广州市中心,城市新中轴线与珠江景观轴交汇处,与海心沙岛和广州市21世纪CBD区珠江新城隔江相望,于2009年9月建成,包括发射天线在内,高达600米,而其在坊间称为“小蛮腰”是因为其最细处在中间腰部,它是中国第一高塔,世界第四高塔。

    除了广州塔外,当时全国最高超过500米的在设计的建筑有4个,分别是广州东塔、天津117、上海中心、深圳平安中心。

    在当时,在抗震区针对500米以上结构体系的建筑,设计过程中缺乏相应的控制指标,如超高结构,长周期地震作用下控制哪些关键参数是一个非常棘手的问题,即使在美国、日本这样的强震多发国家,这么高层的建筑也没有成熟的对策可以借鉴。

    幸好当时有Altair这样的专业数字优化工具来进行分布优化,才能破解这些建筑难题。“建筑行业中的剪重比是抗震设计中非常重要的参数,不同的结构设计、不同的地区、不同的地质条件对于建筑设计的抗震性都有很大影响,对于高层建筑这种复杂结构设计而言更是如此,仅仅依靠工程师的经验往往难以合理分布建筑的构件。借助Altair HyperWorks优化工具,可以使建筑构建布局更加合理,满足建筑和业主要求。同时,优化方案使得结构周期缩短,结构钢度增加,满足剪重比要求,并且总的结构质量并没有增加,这种方式让建筑行业受益匪浅。”汪洋博士表示。

数字技术破解建筑美学设计难题

    另外一个独特的项目是华润集团总部办公大楼的结构设计,这座造型独特的超高层建筑位于深圳湾后海商务区,高近400米,其建筑外形宛如破土而出的春笋,56根外部细柱从底部的斜肋构架延伸,以流畅的弧线在顶部汇聚形成水晶型顶盖。为了充分展现建筑师的意图,设计了钢结构密柱框架和混凝土核心筒的结构系统,未设结构加强层,实现塔楼简约轻盈的建筑美学,是深圳天际线中一道独特的风景线。

华润集团总部办公大楼

华润集团总部办公大楼

结构设计

华润集团总部办公大楼的结构设计

    在华润集团总部办公大楼项目设计之初,ARUP团队就采用3D/BIM的参数化模型分析技术,提升设计效率和多专业整合的品质,实现了钢结构与幕墙空间关系和制造安装的可视化,识别施工过程中的潜在冲突问题,并预先解决。快速生成和自动修改分析模型为结构优化创造了有利条件。之后,AURP采用了先进的Altair结构数字优化技术来评估不同斜力形状对结构的影响,通过两种形状比对,以确定哪种形状对结构最有利。

    汪洋指出:“能够有效交付如此庞大而精密的工程,得益于我们集成化智能设计工具的开发应用,其中将Altair数字优化工具贯穿于设计的始终。”事实上,运用Altair数字优化工具进行建筑外形在荷载下的效率比选,在设计之初,建筑设计师就能与业主进行充分讨论交流,并给出明确的、最合理的一种形状解决方案。

结构设计优化过程

运用Altair数字优化工具对华润集团总部办公大楼进行结构设计优化

    项目在初步设计过程中,进行了结构的屈曲模态分析、施工模拟、温度分析、节点有限元分析、整体抗震和抗风消能减振和楼板振动舒适度分析、结构材料用量、工程经济性分析和承载力校核工作等一系列专项研究。不仅如此,团队在项目设计过程中也采用了基于材料、几何非线性手段进行了整体结构模拟振动台试验的大震弹塑性分析。

数字技术将灵感付诸现实

    在复杂建筑的设计阶段,尤其是针对一些复杂、非常规性建筑形式,工程师们更是难以依靠经验找到最优的结构布置。其中一个很典型的案例就是ARUP承接的一个楼梯设计项目,在前期,当时业主寻求了很多设计方案均未满足其要求,最大难度在于:为了体现建筑美感,从二楼到一楼大堂,楼梯螺旋下方需要做到完全没有柱子。

    没有柱子怎么实现呢?ARUP工程师发现,蜻蜓翅膀的结构是大自然的优化结果,这种仿生结构演变思路是否可以用于螺旋楼梯的设计呢?基于这个灵感,ARUP工程师借助Altair数字优化工具,通过拓扑优化在给定的空间结构中产生优化的形状及材料分布,形成一个概念性的设计方案去指导结构布置,并最终实现了业主的要求。

    另外一个项目是京基100建筑,原名京基金融中心(KingKey Financial Center),楼高441.8米,共100层,是目前深圳第二高楼、中国内地第九高楼、全球第十七高楼。当时的建筑结构中,有一个伸臂结构,需要深入到混凝土剪力墙中去,而伸臂和混凝土剪力墙连接节点形式一直难以找到解决方案。最终,借助于Altair数字技术进行了拓扑优化,判断出了该节点的最终形状,实现了最优传力。

    最后,汪洋指出:“借助数字技术,工程师能快速地从众多设计变量中找到最敏感的设计变量和最优的结果。结构工程师在早期阶段能充分介入并发挥作用,不仅优化结构还能提升整体建筑效能。同时,他还强调,虽然数字技术非常强大,但仍离不开工程师设计经验,没有这些经验,目标函数,约束定义,设计变量限值等的确定都会变得异常困难,最优化设计无从谈起。”

【后记】

    如今,越来越多的黑科技正在运用于建筑设计之中。虽然,目前数字技术多应用于精密机械、航空航天等行业。然而,作为性能优化的利器,数字技术在建筑行业也同样有着十分广阔的应用前景。对于不同的具体工程,在不同的约束条件之下,可利用数字技术来对建筑物的不同形态进行探索。反之,也可以是从建筑学的角度出发,通过数字技术来寻求建筑物的最佳形态。由此看来,若能利用好数字技术,得到兼具建筑美学又符合结构性能的创新性建筑形态,也不再是什么难事了。

责任编辑:程玥
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