桿系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法研究.pdf

1、結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)是建筑與結(jié)構(gòu)交叉領(lǐng)域新興研究方向之一,是從結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)設(shè)計的進(jìn)一步發(fā)展有較深的意義。桿系結(jié)構(gòu)類型眾多,在實際工程中應(yīng)用廣泛,桿系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法的研究具有較高的應(yīng)用價值,有助于建筑形式的多樣化。本文以結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論為基礎(chǔ),考慮建筑空間制約條件,以結(jié)構(gòu)剛度最大化為設(shè)計目標(biāo),提出了兼顧形狀、拓?fù)浜徒孛娴臈U系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)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(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)

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

3、在應(yīng)該能收斂階段,節(jié)點移動敏感度趨于零,此階段的結(jié)構(gòu)具有對初始缺陷不敏感的特點。
　　2.提出了兼顧拓?fù)浜托螤畹臈U系結(jié)構(gòu)拓?fù)湫螒B(tài)創(chuàng)構(gòu)方法
　　為了評價每個單元在整個結(jié)構(gòu)中抵抗荷載的貢獻(xiàn)程度,定義了單元增減應(yīng)變能敏感度,并將其作為衡量單元承載效率高低的指標(biāo)。利用單元增減應(yīng)變能敏感度的特性,研究了單元增減的策略,并結(jié)合節(jié)點調(diào)整,提出了兼顧結(jié)構(gòu)拓?fù)渑c形狀的創(chuàng)構(gòu)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(jié)構(gòu)的

4、拓?fù)渥兓?并通過節(jié)點調(diào)整修正拓?fù)渥兓^程中的節(jié)點位置和結(jié)構(gòu)形狀。由于單元可增可減,方法的初始結(jié)構(gòu)既可以簡單也可復(fù)雜,可靈活選擇。在結(jié)構(gòu)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?fù)浜徒孛?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(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)構(gòu)。
　　3.在桿系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法中考慮了建筑空間制約條件
　　為增強(qiáng)本文方法的實用性,采用B樣條曲線(曲面)等來表達(dá)建筑要求所提出的空間制約條件,并在應(yīng)

5、變能敏感度的推導(dǎo)過程中給予反應(yīng),使方法所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)能夠滿足建筑要求。此外,還利用初始結(jié)構(gòu)對最終結(jié)構(gòu)的影響,在初始結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)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(yīng)用場合下的空間制約條件的處理,增強(qiáng)了方法的實用性,同時也豐富了結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法的內(nèi)容。
　　4.研究方法在平面及空間結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用
　　為了探討方法的

6、適用性,對平面及空間結(jié)構(gòu)中的桁架型結(jié)構(gòu),樹狀型結(jié)構(gòu),橋梁型結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了大量算例應(yīng)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(jié)構(gòu)條件、不同創(chuàng)構(gòu)策略以及不同結(jié)構(gòu)類型的桿系結(jié)構(gòu)進(jìn)行形態(tài)創(chuàng)構(gòu)。考察了進(jìn)化過程中結(jié)構(gòu)形態(tài)變化和力學(xué)性能變化,總結(jié)了創(chuàng)構(gòu)策略對結(jié)構(gòu)形態(tài)變化的影響和方法的特點。方法所得結(jié)構(gòu)形式具有以軸力傳遞荷載的幾何特征,結(jié)構(gòu)形式多呈現(xiàn)優(yōu)美的弧狀,這有利于建筑造型中美學(xué)意圖的實現(xiàn)。同時,所得結(jié)構(gòu)形式符合力學(xué)概念

7、,可為結(jié)構(gòu)力學(xué)教育和結(jié)構(gòu)設(shè)計提供參考。
　　5.研究并總結(jié)了方法所得結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能
　　從大量算例的力學(xué)量的變化可知,兼顧拓?fù)渑c形狀的桿系結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法可以使結(jié)構(gòu)向剛度提高、彎矩降低的方向演化,最終結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)力學(xué)性能的改善貢獻(xiàn)較多。對節(jié)點調(diào)整前后結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進(jìn)行驗算,結(jié)果表明調(diào)整后結(jié)構(gòu)不僅可提高結(jié)構(gòu)剛度,且可提高極限承載力和改善初始節(jié)點偏差對結(jié)構(gòu)的影響。雖然以應(yīng)變能作為目標(biāo)函數(shù),