景观塔结构参数化设计研究.pdf

第 22 卷 第 7 期2023 年 7 月中国建筑金属结构CHINA CONSTRUCTION METAL STRUCTUREVol22 No7Jul20231050 引言参数化结构设计技术的发展和完善，使结构设计在方案阶段、初步设计以及施工图阶段的效率大大提高。结构设计与数字技术相结合，能够解决复杂建筑体型的结构布置，提高结构计算和方案优化的效率。李彦鹏等1结合具体工程实例，探索了参数化技术针对不同设计阶段的应用场景。张谨等2总结了适用于自由曲面结构的数字化构形与优化、仿真分析和三维数字化制图等多项技术。龚敏锋等3根据改进的优化算法，总结提出了针对自由曲面的生成式参数化设计方法。吴琨营4基于 Grasshopper 和GhPython 平台，运用参数化技术分别实现对自由曲面网格结构几何、力学性能两个方面的自动优化。本文在此基础上，总结了某景观塔项目结构参数化过程，提出了数字化结构设计与方案优化的重难点，为同类型项目的设计提供参考。1 工程概况及结构概况某景观塔项目位于重庆市两江协同创新区，项目建筑面积为 131.82m2，景观塔平面投影为不规则椭圆，投影平面尺寸为 18m13.5m，竖向高度为 13.20m。景观塔由旋转楼梯、二层观景平台和双曲面屋盖组成。景观塔结构组成如图 1 所示。本项目采用天然地基柱下独立基础及天然地基条形基础。根据建筑造型要求，本项目双曲面屋盖采用单层双向交叉网格结构，主体结构采用钢柱支撑主次钢梁体系，钢柱分为受力柱和非受力柱，其中受力柱采用外包式刚接柱脚，非受力柱采用铰接柱脚。为实现通透、轻盈的建筑效果，钢柱截面直径分别为 245、152mm，钢楼梯与受力柱形成双向刚接关系，钢楼梯也为受力柱提供斜向支撑。2 参数化结构模型生成2.1 屋盖曲面网格优化初始结构模型屋盖网格为平面网格，网格均匀性、连续性有待优化。为形成屋盖网格结构的空间效应，本项目根据屋盖的建筑设计图提取结构特征线进行了曲面重建，基于面积不变准则将曲面展开成平面，并按照正交方向和径环向生成了两种不同的平面网格，最后映射回自由曲面，完成自由曲面的网格划分5。重建曲面和网格的过程如图 2 3 所示。图 2 屋盖四边形网格生成过程作者简介：汤足熠（1995-），男，硕士研究生，研究方向：参数化结构设计。景观塔结构参数化设计研究汤足熠（广东省建筑设计研究院有限公司，广东 广州 510010）摘 要：为优化结构网格和构件布置，对重庆某景观塔项目进行了参数化建模和分析优化。本项目提取建筑方案的结构特征，对屋盖进行曲面重建和网格优化，实现参数化模型和计算模型的实时交互。根据刚度需求和直接分析法分析结果，优化了局部支撑柱截面；针对受力柱的位置优化钢梯布置，使钢楼梯与受力柱双向刚接；并对大跨度钢楼梯进行了舒适度验算。结果表明：通过参数化结构设计，实现结构模型数据化，优化结构方案，提高了方案比选效率。关键词：景观塔；参数化设计；直接分析法；振动舒适度中图分类号：TU318.2 文献标识码：ADOI：10.20080/ki.ISSN1671-3362.2023.07.036图 1 景观塔结构组成106中国建筑金属结构2023 年图 3 屋盖径环向网格生成过程2.2 参数化模型计算传统的空间结构设计一般是将建立的线模型导入计算软件，再添加截面、边界条件、荷载等信息。对于建立的Grasshopper 模型，本项目直接采用 Karamba 3D 插件在 GH 中对景观塔模型赋予相应的构件截面，生成后续需要施加荷载的平面单元，并通过 Karamba 3D 和 Midas 接口程序将 GH 结构模型直接导入 Midas Gen 进行分析优化。通过 GH 对屋面的网格形式和大小进行参数控制，本项目对屋面网格的布置进行了优化，对比了径环向网格和四边形网格对应力比结果的影响，并设置了基本的网格大小范围，基于对钢结构应力比的分析结果，得到了相对最优的网格大小。屋面网格通过参数化比选分析，结合景观塔钢柱位置与屋面网格交点的位置，本项目最终确定了屋面的结构布置形式，并对局部应力比较大位置的钢梁截面进行了调整，钢结构的应力比结果如图 4 所示。（a）四边形网格屋盖 （b）径向+环向网格屋盖图 4 钢结构应力比云图3 结构优化设计3.1 钢柱截面优化为满足建筑效果对柱截面的要求，原方案景观塔支撑屋盖受力柱截面为 D21916，非受力柱截面为 D15212，柱长9.85m，长细比为 181，属于细长柱范畴。为考察钢柱实际受力情况，需要对结构进行稳定性分析。由于一阶弹性分析未能准确地反应初始缺陷、P-效应、P-效应6，线性分析设计可能存在不经济或者安全储备不足的情况。本项目采用计算长度法，对非受力柱的计算长度系数取 1.0，受力柱取 1.4，并采用直接分析法对钢柱稳定性进行对比分析。根据钢结构设计标准，直接分析法取结构整体初始缺陷最大值 H/250，H 为结构总高度，初始几何缺陷模式按最低阶整体屈曲模态采用。直接分析法在全过程弹塑性分析时，材料应力-应变关系采用理想弹塑性，屈服强度采用设计值7。原方案景观塔钢柱应力比结果如图 5 所示。（a）非受力柱应力比 （b）受力柱应力比图 5 原方案钢柱应力比根据 Midas 计算长度法结果，考虑非受力柱受力能适当降低大柱应力比，但计算结果显示非受力柱自身的应力水平较高，导致结构安全冗余度不足。同时，通过 Sausage 直接分析法的分析，受力柱最大应力比为 0.88，其整体屈曲因子只有 7.275，小于框架结构整体屈曲因子限值，其屈曲主要由非受力柱产生，非受力柱的存在反而使得结构整体稳定性降低。基于以上结果，优化方案将原方案受力柱截面增大为 D24516，减小非受力柱壁厚，将原非受力柱截面改为D1526，提高结构整体稳定性，同时提高安全冗余度。景观塔前 5 阶线性屈曲结果如表 1 所示。表 1 线性屈曲分析结果表格屈曲模态原钢柱原钢柱截面改为 D2451617.27512.43028.13221.96038.26525.82348.36426.92758.40427.956根据景观塔整体刚度需求和直接分析法分析结果，本项目调整局部支撑柱截面，略微增大受力柱截面，大幅度降低非受力柱截面，通过优化布置保证平台钢梁传力合理性和结构整体稳定性。3.2 钢楼梯布置优化考虑到原设计方案受力柱钢柱牛腿单边悬挑，原设计楼梯只约束了钢柱的单向侧移，导致受力柱的应力比偏大。考虑到受力柱与楼梯的位置关系，本项目根据受力柱的位置优化钢梯布置，取消钢柱牛腿单边悬挑的方式，使所有梯段均与受力柱形成可靠双向刚接关系，钢梯亦可成为受力柱斜向支撑，提高结构的整体刚度。同时，在优化钢梯布置后，受力柱的最大应力比由 1.61 减小到 0.84，钢柱的应力比结果大幅度改观。3.3 钢楼梯舒适度时程分析对于大跨度钢楼梯，竖向振动频率小于或接近 3Hz，需要补充人致振动的舒适度分析，本项目采用 Midas Gen 对钢楼梯进行模态和动力时程分析8。根据分析结果，本项目钢楼梯竖向振动对应的自振周期为 0.2588s，竖向振动频率为 3.9Hz，如图 6 所示，满足规范限值。为进一步验证大跨度钢楼梯的舒适107第 7 期中国建筑金属结构度，本项目对钢楼梯采用了时程分析方法进行舒适度的验算，根据恒载作用下的振型计算结果，考虑步行工况频率为 2.00 Hz（行人正常行走频率），选取钢楼梯最不利点的位置施加步行荷载，按照连续行走和单步行走荷载施加方式进行舒适度验算。图 6 钢楼梯竖向振动频率 3.9Hz，自振周期 0.2588s舒适度分析选取了大跨度钢楼梯振型最不利的4个位置a、b、c、d施加节点动力荷载，其中，单步行走的荷载按照行走路径，施加于该路径上的相应节点，如图 7 所示，通过时程分析分别得到了 4 个位置的竖向振动加速度时程曲线和加速度最大值。图 8 给出了时程分析结果，钢楼梯竖向振动峰值加速度小于舒适度规范的峰值加速度限值 0.15m/s2，简谐荷载作用下的横向振动峰值加速度小于限制 0.10m/s2，满足正常使用需求。图 7 舒适度分析荷载施加位置与行走路径图 8 不同荷载模式下钢楼梯加速度响应峰值4 结语本项目通过对某景观塔结构的参数化建模和分析优化，在实现建筑效果的同时，提高了结构的力学效率，结论如下：（1）本项目对屋盖曲面重建找形优化，分别采用了“径环+环向”网格、正交网格进行了屋盖结构方案的参数化布置。（2）本项目实现了对钢柱位置、高度以及楼梯空间位置、踏步尺寸、数量等的参数化控制，使用 Grasshopper 插件实现Rhino 模型与 Midas 模型的实时交互。（3）根据计算长度系数法和直接分析法结果，调整局部支撑柱截面，充分利用受力柱承载力和稳定性，提高了结构整体的安全储备。（4）针对受力柱的位置优化钢梯布置，使所有钢楼梯均与受力柱形成可靠双向刚接，并对大跨度钢楼梯进行舒适度时程分析，保证正常使用需求。（5）施工方面，非受力柱采用后安装技术，在施工过程中不提前压曲，作为后期上人活载的二次安全防线。参考文献1 李彦鹏,周健.参数化技术在结构设计中的应用 J.建筑结构,2022,52(10):142-147.2 张谨,杨律磊,龚敏锋.数字技术在自由曲面空间钢结构设计中的应用 J.江苏建筑,2023(01):13-19.3 龚敏锋,杨律磊,王慧.生成式参数化设计在自由曲面空间结构中的应用 J.建筑结构,2022,52(20):38-44.4 吴琨营.自由曲面空间结构参数化网格划分与优化研究 D.东南大学,2020.5 张佳武,区彤,刘雪兵,等.温室穹顶结构大尺度网格优化研究 J.广东土木与建筑,2022,29(09):48-51.6 高鸣,田金.直接分析法在异形钢结构设计中的应用及其与计算长度系数法的对比 J.建筑结构,2021,51(19):121-125.7 GB 500172017,钢结构设计标准 S.8 季新强,张志强,鄢雨生.钢楼梯在人致激励下的振动舒适度控制研究 J.江苏建筑,2020(05):27-31.