Alair技術(shù)助力現(xiàn)代建筑創(chuàng)新設(shè)計

Altair技術(shù)助力現(xiàn)代建筑創(chuàng)新設(shè)計AltairEngineering,Inc摘要： 當前建筑設(shè)計師所設(shè)計的標志性建筑旨在提高建筑師的聲譽與客戶城市的輪廓線，但其日益復雜的形態(tài)對建造者構(gòu)成了重大的挑戰(zhàn)。因為項目的復雜程度增加，工程費用也成為了一個主要的成本因素。除此之外，在對設(shè)計的結(jié)構(gòu)只有模糊的輪廓時，如何進行創(chuàng)新性的設(shè)計，也越來越成為一個挑戰(zhàn)性的問題。AltairEngineering公司的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件OptiStruct及多學科優(yōu)化軟件HyperStudy已經(jīng)由行業(yè)的一些設(shè)計先驅(qū)選用來進行現(xiàn)代建筑創(chuàng)新設(shè)計與優(yōu)化，其拓撲及遺傳優(yōu)化在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與成本優(yōu)化方面已經(jīng)得到認可。應用OptiStruct能有效的突破傳統(tǒng)思維方式，將人類智能與機器優(yōu)化技術(shù)完美接合來實現(xiàn)仿生學設(shè)計。本文將介紹OptiStruct及HyperStudy在這方面的部分應用案例。關(guān)鍵字：OptiStruct，拓撲優(yōu)化，遺傳優(yōu)化，仿生設(shè)計Abstract:Thesignaturebuildingsthatarchitectsdesignthesedaysmightbedesignedtoenhancethearchitect’sreputationalongwiththeskylineoftheclientcity,buttheirincreasingcomplexitiesofshapeposesignificantchallengesforthebuilders.Becauseofthecomplexityoftheprojects,engineeringcostsbecomeamajorcostelement.Besidesthat,ifyoumerelyknowvagueprofileofstructure,howtodesigncreativelyincreasethechallenge.OptiStruct&HyperStudyfromAltairEngineeringhasbeenusedbypioneersofthisindustrytodothedesignandoptimizationofmodernbuildings,andthetopologyandgeneticalgorithmsalreadyverifiedinstructuralinnovationandcostsreducing.OptiStructcanhelpyoubreakthroughthetraditionalwayofthinking;itcombinesthehumanintelligenceandmachineoptimizationperfectlytorealizebiomimicrydesign.SomecasesaboutapplicationofOptiStructinbuildingdesignareintroducedinthispaper.Keywords:OptiStruct,TopologyOptimization,Genetic,Biomimicrydesign前言當前建筑設(shè)計師設(shè)計的標志性建筑旨在提高建筑師的聲譽與客戶城市的輪廓線，但其日益復雜的形態(tài)對建造者構(gòu)成了重大的挑戰(zhàn)，這就是創(chuàng)新設(shè)計面臨的問題。 首先，這樣大的工程從來都不是單一承包商。它們依賴于一些合作伙伴的緊密合作，每一方解決一個重要問題。其次，它們要求更短的開發(fā)時間與減少工程費用的更大壓力（工程費用，因為項目的復雜程度，成為了一個主要的成本因素）。為了能夠應付這些挑戰(zhàn)，工程軟件開發(fā)者必須提供創(chuàng)新的設(shè)計解決方案。AltairEngineering公司作為工程分析軟件領(lǐng)導者之一，已經(jīng)開發(fā)軟件工具革新了在復雜結(jié)構(gòu)中安置結(jié)構(gòu)單元的方式。OptiStruct簡介 OptiStruct為AltairEngineering公司推出的HyperWorks軟件包中的一個優(yōu)化產(chǎn)品。HyperWorks已經(jīng)在工程界得到廣泛應用，其產(chǎn)品包含了模型創(chuàng)建與可視化技術(shù)，比如HyperMesh包含了多種求解器的前處理，HyperView用于結(jié)果后處理與可視化，當然還有OptiStruct優(yōu)化軟件。 OptiStruct提供了四大類優(yōu)化方法[1]：拓撲優(yōu)化(Topology)、形貌優(yōu)化(Topography)、尺寸優(yōu)化(Size)、形狀優(yōu)化(Shape)。除此之外還有自由尺寸（FreeSize）與自由形狀（FreeShape）優(yōu)化方法。在這些優(yōu)化方法中，都可以考慮各種形式的制造約束，比如：最小/最大成員尺寸約束、拔模約束、擠壓、模式組約束（1/2/3平面對稱，周期對稱，徑向模式等）、模式重復、設(shè)計空間應力約束、疲勞約束等，利用這些約束能確保在優(yōu)化過程中就考慮制造方面的約束，從而確保最終優(yōu)化結(jié)構(gòu)更加具有工程實用性。 OptiStruct內(nèi)部集成了有限元求解器，可以解決一般的工程線性靜力應力/應變、模態(tài)、頻率響應、瞬態(tài)響應、隨機振動等結(jié)構(gòu)問題。因此，在優(yōu)化迭代過程中并不需要通過調(diào)用外部求解器來完成計算，所以擁有非常高的優(yōu)化求解效率。當然它也比較開放，用戶可以通過用戶子程序的方式來擴充其響應及優(yōu)化方式。 雖然OptiStruct提供了很多不同種類的優(yōu)化方式，但解決某一行業(yè)真正的工程實際問題，并不是靠單一的優(yōu)化方法就能解決，往往是將各種方法組合使用，在設(shè)計的不同階段使用不同的優(yōu)化方式，最終達到一個完美的設(shè)計方案。這一點在后面的案例介紹中也會介紹到。優(yōu)化結(jié)構(gòu)部件如果你設(shè)計一個帶扭轉(zhuǎn)設(shè)計特征的摩天大樓(如圖1所示)，初始趨勢是對支撐鋼結(jié)構(gòu)進行過設(shè)計來補償使用非傳統(tǒng)的外形。然而通過使用適當?shù)能浖?，你可以減少部件數(shù)，從而可望減小整個結(jié)構(gòu)重量和建造成本。圖1帶扭轉(zhuǎn)設(shè)計特征的建筑及其外表面有限元模型標準的結(jié)構(gòu)分析軟件在這里沒辦法給你幫助。取而代之的是，你可以將模型輸出到獨立的軟件包OptiStruct，施加載荷工況來考慮像側(cè)風和自重載荷等，最終目標是得到建筑物頂部位移最小的完美的結(jié)構(gòu)。一系列定制開發(fā)的遺傳算法然后用來顯示演化結(jié)構(gòu)的載荷路徑及載荷路徑的什么地方需要支撐來承受這個非傳統(tǒng)形狀的建筑。非支撐單元就可以從結(jié)構(gòu)中移除，而且隨著結(jié)構(gòu)整個迭代的演化，一些真實世界的部件可以加入到建筑中來跟模型一起進行測試，比如說升降梯（如圖2所示）[2]。圖2由Topology優(yōu)化得到最佳的支撐單元布置方式你可以隔離和檢視結(jié)構(gòu)特定的部件，來解決復雜的問題，附加的結(jié)構(gòu)單元可以手工的插入進來——在關(guān)鍵點設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)來增加穩(wěn)定性，取代使用不透明玻璃窗子來迎合建筑學上的設(shè)計。整個優(yōu)化過程的目的是找到對給定形狀和尺寸的結(jié)構(gòu)什么樣的支撐結(jié)構(gòu)是需要的。鑒于某種程度的設(shè)計自由度，軟件還可以基于施加的約束來改變結(jié)構(gòu)形狀。一旦所有的載荷路徑確定，而且模型優(yōu)化完成了，它可以重新導入到CAD軟件來轉(zhuǎn)換單元到鋼結(jié)構(gòu)并可用于全結(jié)構(gòu)的進一步分析。當一個特定的結(jié)構(gòu)原始設(shè)計有幾百個支撐單元，使用自由形式的優(yōu)化，可以減少40%左右支撐，極大減少重量和材料消耗，這還沒考慮可觀的時間上的減少。此外它并不需要一個超級計算機來進行優(yōu)化求解，當優(yōu)化設(shè)置好后，其迭代求解過程運行在標準的工作站上幾分鐘就能完成（上面這個案例來自SOM設(shè)計所）。自由形式優(yōu)化建筑的鋼結(jié)構(gòu)模型可從開發(fā)軟件提取和應用于優(yōu)化程序，包含一些線性靜力約束，比如屈曲因子等，基于可選的標準的梁和柱的成員尺寸分類。優(yōu)化求解用來揭示哪些結(jié)構(gòu)單元或者梁是多余的，它們將會懸浮在空中。當它們被移除之后，模型重新導入來做更傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分析。典型的優(yōu)化可減少尺寸和成員數(shù)量，因此而減少成本超過50%！但是如果你都沒有一個初始的結(jié)構(gòu)模型，該怎么辦呢？如果你僅知道最后大致形狀如何，比如在開闊的空間創(chuàng)建一個樹冠來說，發(fā)現(xiàn)自己的創(chuàng)造力被需要建造一個足夠結(jié)實能支持它自己的結(jié)構(gòu)給約束住了？Altair的OptiStruct可以用來進行創(chuàng)新形狀設(shè)計，真正的從指定的條件自己變形。正如我前面所說，作為起始點的是一個空的空間，定義了上下限。使用遺傳算法，以可控的方式通過一些迭代形狀發(fā)生優(yōu)化與演變，最終得到優(yōu)化設(shè)計（如圖3所示）。這個過程包含了設(shè)計師的創(chuàng)造性和結(jié)構(gòu)工程學科。圖3初始材料空間及優(yōu)化得到材料布置方式 當由OptiStruct的Topology優(yōu)化得到創(chuàng)新性的初始幾何外形之后，可以從標準的梁或者部件單元庫中根據(jù)外形來構(gòu)造結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)形式，然后使用OptiStruct的Topology或者Size優(yōu)化方法來確定哪些梁或者支撐部件是必須要的，哪些是多余的部件，必須要的部件具體的梁截面尺寸是多少（如圖4所示）。圖4根據(jù)優(yōu)化得到外形使用標準截面的梁進行建模上面這個例子是由意大利的ISDG公司使用這個軟件設(shè)計的，隨著它的演變類似樹枝的蔓延杈，這個優(yōu)化過程有點類似生物仿生。當然，你并不是僅僅讓形狀優(yōu)化毫無約束的運行，你可以在任何時間加入附加的或者替代的約束，從而改變形狀以何種方式創(chuàng)建。一旦你可以用數(shù)學或者幾何描述你的設(shè)計進展，你可以整合它們到指導約束中，比如方向?qū)ΨQ，模式重復，或者設(shè)置最小質(zhì)量，最大強度條件，提供軟件生成結(jié)構(gòu)的一些自由度，但同時也保持在控制之內(nèi)。在自由形式優(yōu)化過程之后，對完整的形狀進行后處理，通過轉(zhuǎn)換密度等值面到幾何來轉(zhuǎn)換結(jié)果為可用的結(jié)構(gòu)，并沿優(yōu)化模型顯示的應力線插入正確尺寸的部件（如圖5所示）[3]。圖5最終設(shè)計及其效果圖應用HyperStudy進行建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計[4]香港奧雅納工程顧問（OveArup&PartnersHongKongLimited）基于HyperStudy提供的優(yōu)化平臺，集成建筑結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，進行多、高層建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計方法研究。通過控制地震引致的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應，自動且有效地優(yōu)化桿件的截面尺寸，使結(jié)構(gòu)總造價達到最小。應用HyperStudy進行優(yōu)化設(shè)計的詳細過程，可參見下列流程圖（圖6）。圖6：優(yōu)化設(shè)計流程圖借助兩座十層三維鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的簡化模型，以研究建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化設(shè)計方法。首先，我們分析對稱結(jié)構(gòu)與非對稱結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后桿件尺寸的變化，如圖7及表1所示。我們可以看到，雖然兩結(jié)構(gòu)的初始尺寸以及約束條件相同，但由于平面布置不相同，最后對稱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的梁截面尺寸小于或等于相應的非對稱結(jié)構(gòu)優(yōu)化的梁截面尺寸，這是因為非對稱結(jié)構(gòu)需要更大的桿件截面剛度來改善扭轉(zhuǎn)效應。圖7優(yōu)化前后桿件尺寸的變化表1桿件初始及優(yōu)化桿件尺寸這種應用HyperStudy提供的強大優(yōu)化平臺，集成建筑結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，進行建筑結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化的設(shè)計方法是切實可行的。通過控制地震引致的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應，自動且有效地優(yōu)化桿件的截面尺寸，并使結(jié)構(gòu)總造價達到最小。結(jié)語結(jié)合人類智慧和機器創(chuàng)造性并不是白日夢，它正越來越多地用于建筑設(shè)計。這些優(yōu)化工作可以歸結(jié)為一個詞――可施工性優(yōu)化。感謝像SOM、ISDG這樣的先行者，他們的工作讓我們看到了創(chuàng)新性的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計方式，下一步僅僅看室內(nèi)設(shè)計專家在建筑公司領(lǐng)導下多快實現(xiàn)內(nèi)部開發(fā)。參考文獻：[1]AltairOptiStruct9.0ReferenceGuide;[2]AlessandroBeghini，Structura