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自由曲面空间结构参数化网格划分与优化研究

吴琨营  
【摘要】:在新的时代背景下,由于非线性建筑可大大提升对情感的表达能力,建筑形态从线性到非线性得到了拓展和延伸,设计师希望用一种新的形态来唤起公众的激情。以解构主义思想为代表的非线性建筑的大量涌现表明,人们的审美追求发生着变迁的。为适应建筑形态的发展,空间结构已经逐渐摆脱规则函数曲面形态的束缚,曲面的非线性和不规则性更加突出。目前,自由曲面空间网格结构因其结构高效性、空间灵活性、美学表现丰富等众多优势在越来越多的国内外标志性建筑中得到应用。随着人类审美水平和建筑追求的不断提高,结构外露、建筑与结构一体化设计、结构美学、结构建筑学这类新概念不断被提出并深受重视。因此,针对自由曲面,如何进行合理的网格划分并加以优化,使其网格分布均匀、杆长一致、线条流畅,满足结构的力学性能要求的同时还要符合建筑的美学要求和视觉效果,在此基础上还能高效实现,是非常必要的。基于以上问题,本文针对自由曲面空间结构网格划分与优化进行了初步研究,运用参数化技术实现了针对不同曲面的三种网格划分方法和两种网格优化方法:(1)基于Grasshopper和Gh Python Script平台,本文以不同评价参数为网格划分目标,编写了自由曲面空间网格结构参数化建模程序,实现了三种适应不同种类曲面的网格划分方法:第一种,以网格均匀性和流畅性为目标,实现了基于曲面近似展开的改进映射法,该方法主要用于旋转类曲面,其中曲面近似展开法是本文针对该类曲面提出的一种改进放射线作图法;第二种,以网格流畅性和完整性为主要目标,实现了基于曲面参数域分割的多类型网格自动划分方法,并针对复杂开洞曲面提出了基于主曲率线分割曲面后再划分网格的方法;第三种,以杆长一致为目标,提出两类基于球面相交原理的等杆长四边形网格自动划分方法,分别适用于四边边界曲面和任意边界曲面。结果表明,以上方法可以得到流畅性较好、网格尺寸更均匀、形状质量更好的网格,同时参数化编程可快速方便地输出模型,提高设计信息交换效率。(2)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,并详细分析了网格方向对自由曲面空间结构力学性能的影响。第一种,以边界网格完整性为目标,实现了基于弹簧单元和节点平衡的网格几何优化,优化后边界网格完整性和均匀性明显改善。第二种,基于三类曲面(上凸曲面、下凹曲面、波浪状曲面)并同时考虑不同网格形状(三角形和四边形)和支承形式(周边支承和多点支承),对构建的1440组网格结构模型进行静力计算,结果表明网格方向对自由曲面空间结构的力学性能影响较大。在此基础上,以力学性能(最大位移和应变能)为优化目标,提出了基于遗传算法的自由曲面空间结构网格方向自动优化方法。网格方向优化后结构力学性能有明显提高,该优化方法有较高的工程应用价值。总之,本文基于参数化技术对多种网格划分与优化方法进行了探索研究,为自由曲面空间网格结构的设计建模提供了理论支持和方法参考。


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