Altair技术助力现代建筑创新设计

1、 Altair技术助力现代建筑创新设计 Altair Engineering, Inc 摘要：当前建筑设计师所设计的标志性建筑旨在提高建筑师的声誉与客户城市的轮廓线，但其日益复杂的形态对建造者构成了重大的挑战。因为项目的复杂程度增加，工程费用也成为了一个主要的成本因素。除此之外，在对设计的结构只有模糊的轮廓时，如何进行创新性的设计，也越来越成为一个挑战性的问题。Altair Engineering公司的结构优化软件OptiStruct及多学科优化软件HyperStudy已经由行业的一些设计先驱选用来进行现代建筑创新设计与优化，其拓扑及遗传优化在结构创新与成本优化方面已经得到认可。应用OptiS

2、truct能有效的突破传统思维方式，将人类智能与机器优化技术完美接合来实现仿生学设计。本文将介绍OptiStruct及HyperStudy在这方面的部分应用案例。关键字： OptiStruct，拓扑优化，遗传优化，仿生设计Abstract:The signature buildings that architects design these days might be designed to enhance the architects reputation along with the skyline of the client city, but their increasing com

3、plexities of shape pose significant challenges for the builders. Because of the complexity of the projects, engineering costs become a major cost element. Besides that, if you merely know vague profile of structure, how to design creatively increase the challenge. OptiStruct & HyperStudy from Altair

4、 Engineering has been used by pioneers of this industry to do the design and optimization of modern buildings, and the topology and genetic algorithms already verified in structural innovation and costs reducing. OptiStruct can help you break through the traditional way of thinking; it combines the

5、human intelligence and machine optimization perfectly to realize biomimicry design. Some cases about application of OptiStruct in building design are introduced in this paper. Keywords: OptiStruct, Topology Optimization, Genetic, Biomimicry design前言当前建筑设计师设计的标志性建筑旨在提高建筑师的声誉与客户城市的轮廓线，但其日益复杂的形态对建造者构成了

6、重大的挑战，这就是创新设计面临的问题。首先，这样大的工程从来都不是单一承包商。它们依赖于一些合作伙伴的紧密合作，每一方解决一个重要问题。其次，它们要求更短的开发时间与减少工程费用的更大压力（工程费用，因为项目的复杂程度，成为了一个主要的成本因素）。为了能够应付这些挑战，工程软件开发者必须提供创新的设计解决方案。Altair Engineering公司作为工程分析软件领导者之一，已经开发软件工具革新了在复杂结构中安置结构单元的方式。OptiStruct简介OptiStruct为Altair Engineering公司推出的HyperWorks软件包中的一个优化产品。HyperWorks已经在工程

7、界得到广泛应用，其产品包含了模型创建与可视化技术，比如HyperMesh包含了多种求解器的前处理，HyperView用于结果后处理与可视化，当然还有OptiStruct优化软件。OptiStruct提供了四大类优化方法1：拓扑优化(Topology)、形貌优化(Topography)、尺寸优化(Size)、形状优化(Shape)。除此之外还有自由尺寸（Free Size）与自由形状（Free Shape）优化方法。在这些优化方法中，都可以考虑各种形式的制造约束，比如：最小/最大成员尺寸约束、拔模约束、挤压、模式组约束（1/2/3平面对称，周期对称，径向模式等）、模式重复、设计空间应力约束、疲劳

8、约束等，利用这些约束能确保在优化过程中就考虑制造方面的约束，从而确保最终优化结构更加具有工程实用性。OptiStruct内部集成了有限元求解器，可以解决一般的工程线性静力应力/应变、模态、频率响应、瞬态响应、随机振动等结构问题。因此，在优化迭代过程中并不需要通过调用外部求解器来完成计算，所以拥有非常高的优化求解效率。当然它也比较开放，用户可以通过用户子程序的方式来扩充其响应及优化方式。虽然OptiStruct提供了很多不同种类的优化方式，但解决某一行业真正的工程实际问题，并不是靠单一的优化方法就能解决，往往是将各种方法组合使用，在设计的不同阶段使用不同的优化方式，最终达到一个完美的设计方案。这

9、一点在后面的案例介绍中也会介绍到。优化结构部件如果你设计一个带扭转设计特征的摩天大楼(如图1所示)，初始趋势是对支撑钢结构进行过设计来补偿使用非传统的外形。然而通过使用适当的软件，你可以减少部件数，从而可望减小整个结构重量和建造成本。 图 1 带扭转设计特征的建筑及其外表面有限元模型标准的结构分析软件在这里没办法给你帮助。取而代之的是，你可以将模型输出到独立的软件包OptiStruct，施加载荷工况来考虑像侧风和自重载荷等，最终目标是得到建筑物顶部位移最小的完美的结构。一系列定制开发的遗传算法然后用来显示演化结构的载荷路径及载荷路径的什么地方需要支撑来承受这个非传统形状的建筑。非支撑单元就可以

10、从结构中移除，而且随着结构整个迭代的演化，一些真实世界的部件可以加入到建筑中来跟模型一起进行测试，比如说升降梯（如图2所示）2。 图 2 由Topology优化得到最佳的支撑单元布置方式你可以隔离和检视结构特定的部件，来解决复杂的问题，附加的结构单元可以手工的插入进来在关键点设置支撑结构来增加稳定性，取代使用不透明玻璃窗子来迎合建筑学上的设计。整个优化过程的目的是找到对给定形状和尺寸的结构什么样的支撑结构是需要的。鉴于某种程度的设计自由度，软件还可以基于施加的约束来改变结构形状。一旦所有的载荷路径确定，而且模型优化完成了，它可以重新导入到CAD软件来转换单元到钢结构并可用于全结构的进一步分析。

11、当一个特定的结构原始设计有几百个支撑单元，使用自由形式的优化，可以减少40%左右支撑，极大减少重量和材料消耗，这还没考虑可观的时间上的减少。此外它并不需要一个超级计算机来进行优化求解，当优化设置好后，其迭代求解过程运行在标准的工作站上几分钟就能完成（上面这个案例来自SOM设计所）。自由形式优化建筑的钢结构模型可从开发软件提取和应用于优化程序，包含一些线性静力约束，比如屈曲因子等，基于可选的标准的梁和柱的成员尺寸分类。优化求解用来揭示哪些结构单元或者梁是多余的，它们将会悬浮在空中。当它们被移除之后，模型重新导入来做更传统的结构分析。典型的优化可减少尺寸和成员数量，因此而减少成本超过50%！但是如

12、果你都没有一个初始的结构模型，该怎么办呢？如果你仅知道最后大致形状如何，比如在开阔的空间创建一个树冠来说，发现自己的创造力被需要建造一个足够结实能支持它自己的结构给约束住了？Altair的OptiStruct可以用来进行创新形状设计，真正的从指定的条件自己变形。正如我前面所说，作为起始点的是一个空的空间，定义了上下限。使用遗传算法，以可控的方式通过一些迭代形状发生优化与演变，最终得到优化设计（如图3所示）。这个过程包含了设计师的创造性和结构工程学科。图 3 初始材料空间及优化得到材料布置方式当由OptiStruct的Topology优化得到创新性的初始几何外形之后，可以从标准的梁或者部件单元库

13、中根据外形来构造结构内部结构形式，然后使用OptiStruct的Topology或者Size优化方法来确定哪些梁或者支撑部件是必须要的，哪些是多余的部件，必须要的部件具体的梁截面尺寸是多少（如图4所示）。图 4 根据优化得到外形使用标准截面的梁进行建模上面这个例子是由意大利的ISDG公司使用这个软件设计的，随着它的演变类似树枝的蔓延杈，这个优化过程有点类似生物仿生。当然，你并不是仅仅让形状优化毫无约束的运行，你可以在任何时间加入附加的或者替代的约束，从而改变形状以何种方式创建。一旦你可以用数学或者几何描述你的设计进展，你可以整合它们到指导约束中，比如方向对称，模式重复，或者设置最小质量，最大强

14、度条件，提供软件生成结构的一些自由度，但同时也保持在控制之内。在自由形式优化过程之后，对完整的形状进行后处理，通过转换密度等值面到几何来转换结果为可用的结构，并沿优化模型显示的应力线插入正确尺寸的部件（如图5所示）3。 图 5 最终设计及其效果图应用HyperStudy进行建筑结构抗震优化设计4香港奥雅纳工程顾问（Ove Arup & Partners Hong Kong Limited）基于HyperStudy提供的优化平台，集成建筑结构有限元分析软件，进行多、高层建筑结构抗震优化设计方法研究。通过控制地震引致的结构动态响应，自动且有效地优化杆件的截面尺寸，使结构总造价达到最小。应用Hype

15、rStudy进行优化设计的详细过程，可参见下列流程图（图6）。图6：优化设计流程图借助两座十层三维钢筋混凝土框架结构的简化模型，以研究建筑结构抗震优化设计方法。首先，我们分析对称结构与非对称结构优化前后杆件尺寸的变化，如图7及表1所示。 我们可以看到，虽然两结构的初始尺寸以及约束条件相同，但由于平面布置不相同，最后对称结构优化的梁截面尺寸小于或等于相应的非对称结构优化的梁截面尺寸，这是因为非对称结构需要更大的杆件截面刚度来改善扭转效应。图7 优化前后杆件尺寸的变化表1 杆件初始及优化杆件尺寸这种应用HyperStudy提供的强大优化平台，集成建筑结构有限元分析软件，进行建筑结构抗震优化的设计方法是切实可行的。通过控制地震引致的结构动态响应，自动且有效地优化杆件的截面尺寸，并使结构总造价达到最小。结语结合人类智慧和机器创造性并不是白日梦，它正越来越多地用于建筑设计。这些优化工作可以归结为一个词可施工性优化。感谢像SOM、ISDG这样的先行者，他们的工作让我们看到了创新性的建筑结构设计方式，下一步仅仅看室内设计专家在建筑公司领导下多快实现内部开发。参考文献：1 Altair OptiStruct 9.0 Reference Guide;2 Alessandro Beghini ，Struct