計(jì)算機(jī)軟件建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　這篇計(jì)算機(jī)工程師論文發(fā)表了計(jì)算機(jī)軟件建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)軟件建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是一種新建筑技術(shù)，通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型對(duì)計(jì)算機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，論文對(duì)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)進(jìn)行了深入分析，給出了計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的解決方案，以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑幾何空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　關(guān)鍵詞:計(jì)算機(jī)工程師論文,計(jì)算機(jī)軟件,建筑結(jié)構(gòu)

　　引言

　　伴隨當(dāng)代建筑設(shè)計(jì)獨(dú)特需求的發(fā)展和信息技術(shù)的進(jìn)步,基于計(jì)算機(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)CDO(ComputerDesignOptimization)已變成建筑設(shè)計(jì)師優(yōu)化結(jié)構(gòu)的終極目標(biāo)[1]。其中,建筑信息模型BIM的建立是建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容。伴隨BIM建筑模型定義的明確和有關(guān)軟件的開(kāi)發(fā),為建筑設(shè)計(jì)工程師提供了一系列設(shè)計(jì)優(yōu)化手段和方式。BIM不僅是一個(gè)簡(jiǎn)單的建筑模型,還是關(guān)于建筑信息化的應(yīng)用,即實(shí)現(xiàn)建筑整個(gè)生命周期的可視化和建筑參數(shù)的數(shù)字可控化,使得建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化更便捷、更直觀。事實(shí)上,基于計(jì)算機(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵是在建立建筑結(jié)構(gòu)信息模型時(shí),使其參數(shù)的數(shù)字化和可控化,再通過(guò)調(diào)整參數(shù)和組合應(yīng)用實(shí)現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)。在該過(guò)程中,制定了多種建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,且量化了對(duì)比分析結(jié)果,使選擇更便捷、準(zhǔn)確。基于計(jì)算機(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于建立計(jì)算機(jī)模型和參數(shù)可控化[3]。建筑模型和結(jié)構(gòu)模型各不相同,前者更偏重于建筑的空間幾何,每個(gè)參數(shù)都依據(jù)幾何信息選定的;后者更偏重于結(jié)構(gòu)物理特征,每個(gè)參數(shù)都依據(jù)物理特征選定的。然而建筑最終帶來(lái)視覺(jué)體驗(yàn),是各幾何空間的有序結(jié)合,其物理特征屬于內(nèi)在元素,很難被用戶(hù)所感知。

　　1基于計(jì)算機(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

　　通常來(lái)講,建筑信息模型BIM是建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要內(nèi)容,提供了一系列設(shè)計(jì)優(yōu)化選擇。BIM技術(shù)是通過(guò)建立建筑信息模型,來(lái)模擬和優(yōu)化建筑設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等整個(gè)過(guò)程的相關(guān)問(wèn)題[5]。比如,任何建筑構(gòu)件的大小都會(huì)影響建筑面積,構(gòu)件大小又受到結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的影響,建筑構(gòu)件材質(zhì)、大小和建筑面積都可用于成本核算,然而這些因素之間的聯(lián)系復(fù)雜,難以直觀判斷出來(lái),那么就要使這些元素參數(shù)化,以參數(shù)調(diào)整方式量化對(duì)比分析結(jié)果,使得建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化更快速、更便捷。

　　2針對(duì)建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的解決方案

　　2.1建筑模型階段關(guān)于建筑模型的構(gòu)建,是從建筑幾何信息數(shù)字化著手,這個(gè)過(guò)程的參數(shù)可控是依據(jù)幾何信息確定的,通過(guò)三維建模軟件構(gòu)建建筑模型[8]。在此階段,主要應(yīng)用的軟件有以下幾種:

　　(1)Revit軟件Revit軟件是由Autodesk公司開(kāi)發(fā),主要用于構(gòu)件BIM建筑模型,具體見(jiàn)下圖1所示。該軟件支持全方位建筑信息模型的構(gòu)建,融合了多專(zhuān)業(yè)的理論內(nèi)容,實(shí)現(xiàn)了界面的可視化,出圖效果較好。同時(shí),該軟件偏向于可視化功能,還未設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)調(diào)整優(yōu)化功能,只能通過(guò)信息輸入模塊實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)平臺(tái)的圖形信息輸入[9]。

　　(2)Rhino軟件如今,建筑設(shè)計(jì)人員對(duì)建筑外型曲線的審美有所變化,需要軟件具有將數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形的功能。Hinoceros軟件是RobertMcNeel&Associates公司研發(fā)的基于NURBS理論的三維建模軟件[10],已成功從市場(chǎng)上各類(lèi)三位建模軟件中脫穎而出,被廣泛運(yùn)用到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑優(yōu)化、動(dòng)畫(huà)制作等方面。該軟件除了具備輸出三維格式文件的功能之外,還是一個(gè)公開(kāi)的系統(tǒng)平臺(tái),除了公司研發(fā)的Bongo、Flamingo等插件外,還提供了免費(fèi)的SDK研發(fā)工具,支持客戶(hù)編寫(xiě)支持Rhino三維軟件的專(zhuān)用插件,某種程度上拓展了軟件功能,具體見(jiàn)下圖2所示。

　　2.2結(jié)構(gòu)模型階段

　　通過(guò)上述方式構(gòu)建了建筑幾何模型之后,需在各幾何空間內(nèi)建立結(jié)構(gòu)框架,也就是通過(guò)空間線條劃分?jǐn)嗝婧徒Y(jié)構(gòu)特征,將單一的幾何空間轉(zhuǎn)變?yōu)槟艹惺芤欢ㄖ亓Φ目臻g結(jié)構(gòu)[12]。在該過(guò)程中,不僅要明確新幾何參數(shù),還要選定材質(zhì)、大小、硬度、擴(kuò)展性等物理特征參數(shù),用于分析結(jié)構(gòu)材質(zhì)和特征,從而構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)模型。那么,這個(gè)過(guò)程可能應(yīng)用的軟件有以下幾種:(1)Salamander軟件事實(shí)上,Salamander軟件是針對(duì)Rhino的專(zhuān)用插件,具體見(jiàn)下圖3所示,主要功能是定義Rhino三維模型中的空間結(jié)構(gòu)的截面、材質(zhì)等內(nèi)容,還設(shè)計(jì)了GSA和Designlink輸入/輸出接口[13]。(2)GSA軟件奧雅納公司研發(fā)的GSA軟件是針對(duì)通用結(jié)構(gòu)有限元的分析軟件,具體見(jiàn)上圖3所示,具有輸入/輸出文本、AutoCAD、Revit等格式文件的功能,同時(shí)還具有輸入/輸出ANSYS、SAP等結(jié)構(gòu)分析文件的功能[15]。(3)其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件我國(guó)目前常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件有Civil、ETABS、SAP2000等[16],具體見(jiàn)上圖4所示,這類(lèi)軟件具備完善的建模系統(tǒng)平臺(tái),兼容CAD圖形、文本、數(shù)據(jù)庫(kù)等格式文件的輸入和輸出。

　　2.3循環(huán)階段

　　在完成結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建之后,可開(kāi)展全方位、詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),從宏觀到微觀來(lái)確定幾何空間構(gòu)件的位置、大小、硬度等參數(shù),并將其反饋到BIM建筑模型中[17]。在這種情況下,模型不再是簡(jiǎn)單的由線條形成的幾何空間,而是具有截面、結(jié)構(gòu)框架的三維建筑模型。由此可見(jiàn),建筑模型和結(jié)構(gòu)模型往往處于反復(fù)循環(huán)狀態(tài),從整體幾何空間到結(jié)構(gòu)構(gòu)件元素,都需要進(jìn)行對(duì)應(yīng)的參數(shù)確定和調(diào)整,而在此循環(huán)過(guò)程中,結(jié)合目前建模軟件的功能特征,難以在建筑模型階段實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),同樣的,建筑模型優(yōu)化也難以在結(jié)構(gòu)模型階段實(shí)現(xiàn)。所以,結(jié)構(gòu)優(yōu)化和建筑參數(shù)調(diào)整都要通過(guò)外部軟件來(lái)實(shí)現(xiàn),某種程度上反映了文章第一段提及的建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)的三大難點(diǎn):參數(shù)邏輯選擇、階段性和參數(shù)控制形式[18]。伴隨建筑模型和結(jié)構(gòu)模型的反復(fù)循環(huán),建筑設(shè)計(jì)人員可以系統(tǒng)了解幾何空間結(jié)構(gòu)框架,從而制定出完善的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,以實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑幾何空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

　　3結(jié)語(yǔ)

　　綜上所述,傳統(tǒng)強(qiáng)調(diào)物理特征的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件功能單一,在幾何空間參數(shù)調(diào)整方面仍有欠缺,所以目前甚至未來(lái),基于計(jì)算機(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的改革關(guān)鍵是幾何空間參數(shù)調(diào)整優(yōu)化模塊的建立,實(shí)現(xiàn)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的全方位優(yōu)化。至今為止,建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)受軟件功能的影響仍然顯著,參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化控制困難重重,隨著計(jì)算機(jī)軟件的不斷完善,建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)邏輯選擇、階段性、控制形式等難題將迎刃而解。

　　作者：郝會(huì)鑫 單位：蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司

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