树状支撑自由曲面结构一体化形态创构研究
发布时间：2021-04-14 16:41
随着生活水平的提高,人们对建筑美学的需求日益强烈。树状支撑自由曲面结构上部为自由曲面,下部为树状结构。自由曲面造型丰富,具有流动感,树状结构杆件规整,富有韵律美。本文以应变能为优化目标,通过节点移动来降低结构的应变能,优化结构力学性能。本文的研究内容主要有以下几点:（1）初始结构生成初始结构是结构优化的基础,初始结构的形状决定着结构优化的方向,也深刻影响着优化结果,采用怎样的几何方法创建初始结构是本文研究的重点。树状支撑自由曲面结构由自由曲面与树状结构组合而成,本文利用B样条技术生成自由曲面,生成的曲面造型丰富;根据分形思想生成树状结构,生成的树状结构具有自相似性;本文采用Delaunay网格划分技术对曲面进行网格划分。（2）优化模型建立优化模型是优化思想的体现。本文以应变能为优化目标,以曲面控制点z坐标、树状结构自由节点坐标、壳杆交点坐标为优化变量。曲面控制点移动不仅降低了曲面自身的弯曲应力、薄膜应力、曲面z方向位移,也降低了下部树状结构的平均弯矩。树状结构自由节点的移动主要对自身的力学性能产生影响,树状结构自由节点的移动可以降低下部杆件的平均弯矩,略微降低杆件的平均轴力,但对上部曲...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
罗马小体育宫
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题背景1.1.1建筑与结构在人类文明早期，受限于物质和技术手段，建筑仅仅是一个遮风挡雨的栖身场所。彼时的人们更关心建筑的使用功能，致力于寻求相适应的使用空间，而对建筑美学的考量很少。在使用空间需求的推动下，工程师们创造出了拱形结构、穹顶结构，并用它们来代替梁柱式结构。随着科学技术的发展，出现了比拱券、穹顶更为有效的壳体、悬索、网架等空间结构，这些结构使人们获得了更大的建筑空间，也大大扩展了建筑的使用功能[1]。在建筑使用功能得到满足的前提下，人们对建筑美学的需求日益强烈。在早期的建筑创作过程中，结构的意义仅在于配合建筑实现功能。然而结构作为建筑空间与形式的物质存在，无论其遮蔽程度如何都直接决定着建筑的造型和艺术审美。现代建筑运动后，越来越多的建筑师意识到结构在表达建筑外形方面的先天优势[2]。在皮埃尔·奈尔维的引领下，建筑师们开始朝着结构表象主义发展。结构表象主义强调在结构科学合理的基础上将其艺术化，这种表现形式突破了建筑的表面审美，是对建筑艺术的重新思考[3]。例如，由皮埃尔·奈尔维设计的罗马小体育宫中（图1-1），钢筋混凝土肋型壳的肋网被组织成葵花图案，Y型混凝土斜撑裸露在结构外部，没有任何修饰。上部壳上的力由网肋传到斜柱顶，斜柱的倾角和混凝土壳的边部切线方向一致，斜柱把其上的力传给基矗该结构设计得既轻巧又合理。西班牙建筑师圣地亚哥·卡拉特拉瓦对结构的空间换置和可变构件进行了深入研究，他进一步发展了结构的空间形式表现力。其在结构仿生学方面也进行了积极探索[4]，代表作品有里斯本东方火车站等（图1-2）。图1-1罗马小体育宫图1-2里斯本东方火车站
工学硕士学位论文-2-1.1.2结构形态学的发展20世纪初，形态学思想被引入到建筑结构领域，建筑师们对此进行了积极探索。因为柔性结构只能承受张力，很难有效抵抗弯矩，因而考虑将纯受拉的柔性结构倒置，这样在相同荷载下，纯受拉结构就会变为纯压结构。西班牙建筑师高迪利用这一特性提出了“逆吊试验法”[5-6]，并利用该方法设计了著名的圣家族大教堂。德国建筑师FreiOtto受到自然界的启发，一直致力于仿生建筑研究[7]。他认为在索膜结构中一定存在一个纯受拉或纯受压的状态，利用这一思想设计了慕尼黑奥运会体育场（图1-3）。20世纪60年代，FreiOtto通过观察自然界中树的形状特点，在详细研究了树干的传力方式后，提出了“树状结构”这一概念。利用这一概念，Otto设计了著名的斯图加特机场候机楼[8-9]（图1-4）。随着计算机技术的发展，数值方法被广泛应用到结构的形态创构中。20世纪80年代，日本学者半谷裕彦根据“广义逆矩阵”原理解决了悬索等结构的形状确定问题[10-11]，这一突破使得利用机构特性研究结构形态成为可能。之后，多种结构形态优化方法被提出，将连续体作为优化对象的有“均质化法”[12]、“ESO法”[13-15]等。此外，粒子群算法[16]、蚁群算法[17]、遗传算法[18]等一系列智能搜索算法也被广泛应用到杆系结构中，这些算法的共同特点是：对结构进行预编码，然后依据特定的优化策略去找寻最优解。图1-3慕尼黑奥运会主体育场图1-4斯图加特机场候机楼1.1.3自由曲面结构发展1989年，半谷裕彦教授提出了“一般广义逆矩阵”理论[10]，并将该理论应用到结构的形状确定上，此理论解决了机构的形状确定问题。但是半谷裕彦教授只对索和膜结构做了简单的分析，而且在结构的力学性能方面并未深入研究。1993年，Xie和Steven基于演化
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于B样条的自由曲面结构形态创构方法研究[J]. 崔昌禹,崔国勇,涂桂刚,迟晓彤. 建筑结构学报. 2017(03)
[2]自由曲面混凝土结构力学特性[J]. 崔国勇,崔昌禹,涂桂刚. 浙江大学学报(工学版). 2015(10)
[3]自由曲面混凝土壳体结构静力试验研究[J]. 崔昌禹,崔国勇,姜宝石. 建筑结构学报. 2014(11)
[4]结构形态学与现代空间结构[J]. 沈世钊,武岳. 建筑结构学报. 2014(04)
[5]黑龙江省新博物馆树状结构形态创建与稳定性分析[J]. 武岳,张建亮,曹正罡,刘界鹏. 建筑结构学报. 2013(09)
[6]曲线变换型自由曲面结构的形态创建[J]. 武岳,李欣,曹正罡. 建筑结构学报. 2012(05)
[7]树状结构找形分析及工程应用[J]. 武岳,张建亮,曹正罡. 建筑结构学报. 2011(11)
[8]自由曲面结构形态创建的NURBS-GM方法[J]. 李欣,武岳,崔昌禹. 土木工程学报. 2011(10)
[9]仿生树状钢结构柱设计研究[J]. 王忠全,陈俊,张其林. 结构工程师. 2010(04)
[10]Delaunay三角网构建方法比较研究[J]. 余杰,吕品,郑昌文. 中国图象图形学报. 2010(08)
博士论文
[1]基于蚁群算法的输电塔结构离散变量优化设计[D]. 张卓群.大连理工大学 2014
[2]杆系结构形态创构方法研究[D]. 姜宝石.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]大跨度建筑的结构表现与实现途径[D]. 张婧娴.山东大学 2016
[2]圣地亚哥·卡拉特拉瓦作品的结构表现研究[D]. 陈欣.浙江大学 2013
[3]基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法研究[D]. 李好.华中科技大学 2011
[4]基于广义逆矩阵理论的结构形态创构方法研究[D]. 杜娟.哈尔滨工业大学 2010
[5]基于建筑创作的结构表现研究[D]. 朱周胤.重庆大学 2008
本文编号：3137659
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
罗马小体育宫
哈尔滨工业大学工学硕士学位论文-1-第1章绪论1.1课题背景1.1.1建筑与结构在人类文明早期，受限于物质和技术手段，建筑仅仅是一个遮风挡雨的栖身场所。彼时的人们更关心建筑的使用功能，致力于寻求相适应的使用空间，而对建筑美学的考量很少。在使用空间需求的推动下，工程师们创造出了拱形结构、穹顶结构，并用它们来代替梁柱式结构。随着科学技术的发展，出现了比拱券、穹顶更为有效的壳体、悬索、网架等空间结构，这些结构使人们获得了更大的建筑空间，也大大扩展了建筑的使用功能[1]。在建筑使用功能得到满足的前提下，人们对建筑美学的需求日益强烈。在早期的建筑创作过程中，结构的意义仅在于配合建筑实现功能。然而结构作为建筑空间与形式的物质存在，无论其遮蔽程度如何都直接决定着建筑的造型和艺术审美。现代建筑运动后，越来越多的建筑师意识到结构在表达建筑外形方面的先天优势[2]。在皮埃尔·奈尔维的引领下，建筑师们开始朝着结构表象主义发展。结构表象主义强调在结构科学合理的基础上将其艺术化，这种表现形式突破了建筑的表面审美，是对建筑艺术的重新思考[3]。例如，由皮埃尔·奈尔维设计的罗马小体育宫中（图1-1），钢筋混凝土肋型壳的肋网被组织成葵花图案，Y型混凝土斜撑裸露在结构外部，没有任何修饰。上部壳上的力由网肋传到斜柱顶，斜柱的倾角和混凝土壳的边部切线方向一致，斜柱把其上的力传给基矗该结构设计得既轻巧又合理。西班牙建筑师圣地亚哥·卡拉特拉瓦对结构的空间换置和可变构件进行了深入研究，他进一步发展了结构的空间形式表现力。其在结构仿生学方面也进行了积极探索[4]，代表作品有里斯本东方火车站等（图1-2）。图1-1罗马小体育宫图1-2里斯本东方火车站
工学硕士学位论文-2-1.1.2结构形态学的发展20世纪初，形态学思想被引入到建筑结构领域，建筑师们对此进行了积极探索。因为柔性结构只能承受张力，很难有效抵抗弯矩，因而考虑将纯受拉的柔性结构倒置，这样在相同荷载下，纯受拉结构就会变为纯压结构。西班牙建筑师高迪利用这一特性提出了“逆吊试验法”[5-6]，并利用该方法设计了著名的圣家族大教堂。德国建筑师FreiOtto受到自然界的启发，一直致力于仿生建筑研究[7]。他认为在索膜结构中一定存在一个纯受拉或纯受压的状态，利用这一思想设计了慕尼黑奥运会体育场（图1-3）。20世纪60年代，FreiOtto通过观察自然界中树的形状特点，在详细研究了树干的传力方式后，提出了“树状结构”这一概念。利用这一概念，Otto设计了著名的斯图加特机场候机楼[8-9]（图1-4）。随着计算机技术的发展，数值方法被广泛应用到结构的形态创构中。20世纪80年代，日本学者半谷裕彦根据“广义逆矩阵”原理解决了悬索等结构的形状确定问题[10-11]，这一突破使得利用机构特性研究结构形态成为可能。之后，多种结构形态优化方法被提出，将连续体作为优化对象的有“均质化法”[12]、“ESO法”[13-15]等。此外，粒子群算法[16]、蚁群算法[17]、遗传算法[18]等一系列智能搜索算法也被广泛应用到杆系结构中，这些算法的共同特点是：对结构进行预编码，然后依据特定的优化策略去找寻最优解。图1-3慕尼黑奥运会主体育场图1-4斯图加特机场候机楼1.1.3自由曲面结构发展1989年，半谷裕彦教授提出了“一般广义逆矩阵”理论[10]，并将该理论应用到结构的形状确定上，此理论解决了机构的形状确定问题。但是半谷裕彦教授只对索和膜结构做了简单的分析，而且在结构的力学性能方面并未深入研究。1993年，Xie和Steven基于演化
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于B样条的自由曲面结构形态创构方法研究[J]. 崔昌禹,崔国勇,涂桂刚,迟晓彤. 建筑结构学报. 2017(03)
[2]自由曲面混凝土结构力学特性[J]. 崔国勇,崔昌禹,涂桂刚. 浙江大学学报(工学版). 2015(10)
[3]自由曲面混凝土壳体结构静力试验研究[J]. 崔昌禹,崔国勇,姜宝石. 建筑结构学报. 2014(11)
[4]结构形态学与现代空间结构[J]. 沈世钊,武岳. 建筑结构学报. 2014(04)
[5]黑龙江省新博物馆树状结构形态创建与稳定性分析[J]. 武岳,张建亮,曹正罡,刘界鹏. 建筑结构学报. 2013(09)
[6]曲线变换型自由曲面结构的形态创建[J]. 武岳,李欣,曹正罡. 建筑结构学报. 2012(05)
[7]树状结构找形分析及工程应用[J]. 武岳,张建亮,曹正罡. 建筑结构学报. 2011(11)
[8]自由曲面结构形态创建的NURBS-GM方法[J]. 李欣,武岳,崔昌禹. 土木工程学报. 2011(10)
[9]仿生树状钢结构柱设计研究[J]. 王忠全,陈俊,张其林. 结构工程师. 2010(04)
[10]Delaunay三角网构建方法比较研究[J]. 余杰,吕品,郑昌文. 中国图象图形学报. 2010(08)
博士论文
[1]基于蚁群算法的输电塔结构离散变量优化设计[D]. 张卓群.大连理工大学 2014
[2]杆系结构形态创构方法研究[D]. 姜宝石.哈尔滨工业大学 2013
硕士论文
[1]大跨度建筑的结构表现与实现途径[D]. 张婧娴.山东大学 2016
[2]圣地亚哥·卡拉特拉瓦作品的结构表现研究[D]. 陈欣.浙江大学 2013
[3]基于变密度法的连续体结构拓扑优化方法研究[D]. 李好.华中科技大学 2011
[4]基于广义逆矩阵理论的结构形态创构方法研究[D]. 杜娟.哈尔滨工业大学 2010
[5]基于建筑创作的结构表现研究[D]. 朱周胤.重庆大学 2008
本文编号：3137659
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