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：当前建筑筑设计师师所设计的的标志性性建筑旨旨在提高高建筑师师的声誉誉与客户户城市的的轮廓线线，但其其日益复复杂的形形态对建建造者构构成了重重大的挑挑战。因因为项目目的复杂杂程度增增加，工工程费用用也成为为了一个个主要的的成本因因素。除除此之外外，在对对设计的的结构只只有模糊糊的轮廓廓时，如如何进行创创新性的的设计，也也越来越越成为一一个挑战战性的问问题。Alttairr Ennginneerringg公司的的结构优优化软件件OpttiSttrucct及多多学科优优化软件件HypperSStuddy已经

2、经由行业业的一些些设计先先驱选用用来进行行现代建建筑创新新设计与与优化，其其拓扑及及遗传优优化在结结构创新新与成本本优化方方面已经经得到认认可。应应用OpttiSttrucct能有效效的突破破传统思思维方式式，将人人类智能能与机器器优化技技术完美美接合来来实现仿仿生学设设计。本本文将介介绍OpttiSttrucct及HypperSStuddy在这这方面的的部分应用用案例。关键字： OpttiSttrucct，拓扑扑优化，遗遗传优化化，仿生生设计Abstrractt:The ssignnatuure buiildiingss thhat arcchittectts ddesiign theese

3、 dayys mmighht bbe ddesiigneed tto enhhancce thee aarchhiteects repputaatioon aloong wiith thee skkyliine of thee clliennt ccityy, bbut theeir inccreaasinng ccompplexxitiies of shaape posse ssignnifiicannt cchalllenngess foor tthe buiildeers. Beccausse oof tthe commpleexitty oof tthe proojeccts, enn

4、ginneerringg coostss beecome aa maajorr coost eleemennt. Bessidees tthatt, iif yyou merrelyy knnow vaggue proofille oof sstruuctuure, hoow tto ddesiign creeatiivelly iincrreasse tthe chaalleengee. OOptiiStrructt & HypperSStuddy ffromm Alltaiir EEngiineeerinng hhas beeen uusedd byy piioneeerss off th

5、his inddusttry to do thee deesiggn aand opttimiizattionn off mooderrn bbuilldinngs, annd tthe toppoloogy andd geenettic alggoriithmms aalreeadyy veeriffiedd inn sttruccturral innnovaatioon aand cossts redduciing. OpptiSStruuct cann heelp youu brreakk thhrouugh thee trradiitioonall waay oof tthinnkin

6、ng; it commbinnes thee huumann inntellliggencce aand macchinne ooptiimizzatiion perrfecctlyy too reealiize bioomimmicrry ddesiign. Somee caasess abboutt apppliicattionn off OpptiSStruuct in buiildiing dessignn arre iintrroduucedd inn thhis papper. Keywoordss: OOptiiStrructt, TTopoologgy OOptiimizzat

7、iion, Geenettic, Biiomiimiccry dessignn前言当前建筑设设计师设设计的标标志性建建筑旨在在提高建建筑师的的声誉与与客户城城市的轮轮廓线，但但其日益益复杂的的形态对对建造者者构成了了重大的的挑战，这就是是创新设设计面临临的问题题。首先，这这样大的的工程从从来都不不是单一一承包商商。它们们依赖于于一些合合作伙伴伴的紧密密合作，每每一方解决一一个重要要问题。其其次，它它们要求求更短的的开发时时间与减减少工程程费用的的更大压压力（工工程费用用，因为为项目的的复杂程程度，成成为了一一个主要要的成本本因素）。为了能够应应付这些些挑战，工工程软件件开发者者必须提提供创新新

8、的设计计解决方方案。Alttairr EEngiineeerinng公司作作为工程程分析软软件领导导者之一一，已经经开发软软件工具具革新了了在复杂杂结构中中安置结结构单元元的方式式。OptiSStruuct简介OptiiStrructt为Alttairr Ennginneerringg公司推推出的HypperWWorkks软件包包中的一一个优化化产品。HypperWWorkks已经在在工程界界得到广广泛应用用，其产产品包含含了模型型创建与与可视化化技术，比比如HypperMMeshh包含了了多种求求解器的的前处理理，HypperVVieww用于结结果后处处理与可可视化，当当然还有有OpttiS

9、ttrucct优化软软件。OptiiStrructt提供了了四大类类优化方方法11：拓拓扑优化化(Toopollogyy)、形貌貌优化(Toopoggrapphy)、尺寸寸优化(Siize)、形状状优化(Shhapee)。除此此之外还还有自由由尺寸（Freee SSizee）与自自由形状状（Freee SShappe）优化化方法。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

10、有工程实用性。OptiiStrructt内部集集成了有有限元求求解器，可可以解决决一般的的工程线线性静力力应力/应变、模模态、频频率响应应、瞬态态响应、随随机振动动等结构构问题。因因此，在在优化迭迭代过程程中并不不需要通通过调用用外部求求解器来来完成计计算，所所以拥有有非常高高的优化化求解效效率。当当然它也也比较开开放，用用户可以以通过用用户子程程序的方方式来扩扩充其响响应及优优化方式式。虽然OpptiSStruuct提供了了很多不不同种类类的优化化方式，但但解决某某一行业业真正的的工程实实际问题题，并不不是靠单单一的优优化方法法就能解解决，往往往是将将各种方方法组合合使用，在在设计的的不同阶

11、阶段使用用不同的的优化方方式，最最终达到到一个完完美的设设计方案案。这一一点在后后面的案案例介绍绍中也会会介绍到到。优化结构部部件如果你设计计一个带带扭转设设计特征征的摩天天大楼(如图1所示)，初始始趋势是是对支撑撑钢结构构进行过设设计来补补偿使用用非传统统的外形形。然而而通过使使用适当当的软件件，你可可以减少少部件数数，从而而可望减减小整个个结构重重量和建建造成本本。 图 1 带带扭转设设计特征征的建筑筑及其外外表面有有限元模模型标准的结构构分析软软件在这这里没办办法给你你帮助。取取而代之之的是，你你可以将将模型输输出到独独立的软软件包OpttiSttrucct，施加加载荷工工况来考考虑像侧

12、侧风和自自重载荷荷等，最最终目标标是得到到建筑物物顶部位位移最小小的完美美的结构构。一系列定制制开发的的遗传算算法然后后用来显显示演化化结构的的载荷路路径及载载荷路径径的什么么地方需需要支撑撑来承受受这个非非传统形形状的建建筑。非非支撑单单元就可可以从结结构中移移除，而而且随着着结构整整个迭代代的演化化，一些些真实世世界的部部件可以以加入到到建筑中中来跟模模型一起起进行测测试，比比如说升升降梯（如如图2所示）2。 图 2 由由Toppoloogy优化得得到最佳佳的支撑撑单元布布置方式式你可以隔离离和检视视结构特特定的部部件，来来解决复复杂的问问题，附附加的结结构单元元可以手手工的插插入进来来在

13、关关键点设设置支撑撑结构来来增加稳稳定性，取取代使用用不透明明玻璃窗窗子来迎迎合建筑筑学上的的设计。整个优化过过程的目目的是找找到对给给定形状状和尺寸寸的结构构什么样样的支撑撑结构是是需要的的。鉴于于某种程程度的设设计自由由度，软软件还可可以基于于施加的的约束来来改变结结构形状状。一旦旦所有的的载荷路路径确定定，而且且模型优优化完成成了，它它可以重重新导入入到CAD软件来来转换单单元到钢钢结构并并可用于于全结构构的进一一步分析析。当一个特定定的结构构原始设设计有几几百个支支撑单元元，使用用自由形形式的优优化，可可以减少少40%左右支支撑，极极大减少少重量和和材料消消耗，这这还没考考虑可观观的时

14、间间上的减减少。此此外它并并不需要要一个超超级计算算机来进进行优化化求解，当当优化设置置好后，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）。自由形式优优化建筑的钢结结构模型型可从开开发软件件提取和和应用于于优化程程序，包包含一些些线性静静力约束束，比如如屈曲因因子等，基基于可选选的标准准的梁和和柱的成成员尺寸寸分类。优优化求解解用来揭揭示哪些些结构单单元或者者梁是多多余的，它它们将会会悬浮在在空中。当当它们被被移除之之后，模模型重新新导入来来做更传传统的结结构分析析。典型型的优化化可减少少尺寸和和成员数数量，因因此而减减少成本本超过50%！但是如果你你都没有

15、有一个初初始的结结构模型型，该怎怎么办呢呢？如果果你仅知知道最后后大致形形状如何何，比如如在开阔阔的空间间创建一一个树冠冠来说，发发现自己己的创造造力被需需要建造造一个足足够结实实能支持持它自己己的结构构给约束束住了？Altaiir的OpttiSttrucct可以用用来进行行创新形形状设计计，真正正的从指指定的条条件自己己变形。正正如我前前面所说说，作为为起始点点的是一一个空的的空间，定定义了上上下限。使使用遗传传算法，以以可控的的方式通通过一些些迭代形形状发生生优化与与演变，最最终得到到优化设设计（如如图3所示）。这这个过程程包含了了设计师师的创造造性和结结构工程程学科。图 3 初初始材料料

16、空间及及优化得得到材料料布置方方式当由OpptiSStruuct的Toppoloogy优化得得到创新新性的初初始几何何外形之之后，可可以从标标准的梁梁或者部部件单元元库中根根据外形形来构造造结构内内部结构构形式，然然后使用用OpttiSttrucct的Toppoloogy或者Sizze优化方方法来确确定哪些些梁或者者支撑部部件是必必须要的的，哪些些是多余余的部件件，必须须要的部部件具体体的梁截截面尺寸寸是多少少（如图图4所示）。图 4 根根据优化化得到外外形使用用标准截截面的梁梁进行建建模上面这个例例子是由由意大利利的ISDDG公司使使用这个个软件设设计的，随着着它的演演变类似似树枝的的蔓延杈

17、杈，这个个优化过过程有点点类似生生物仿生生。当然然，你并并不是仅仅仅让形形状优化化毫无约约束的运运行，你你可以在在任何时时间加入入附加的的或者替替代的约约束，从从而改变变形状以以何种方方式创建建。一旦你可以以用数学学或者几几何描述述你的设设计进展展，你可可以整合合它们到到指导约约束中，比比如方向向对称，模模式重复复，或者者设置最最小质量量，最大大强度条条件，提提供软件件生成结结构的一一些自由由度，但但同时也也保持在在控制之之内。在在自由形形式优化化过程之之后，对对完整的的形状进进行后处处理，通通过转换换密度等等值面到到几何来来转换结结果为可可用的结结构，并并沿优化化模型显显示的应应力线插插入正

18、确确尺寸的的部件（如如图5所示）3。 图 5 最最终设计计及其效效果图应用HypperSStuddy进行建建筑结构构抗震优优化设计计4香港奥雅纳纳工程顾顾问（Ovee Arrup & PParttnerrs HHongg Koong Limmiteed）基于HypperSStuddy提供的的优化平平台，集集成建筑筑结构有有限元分分析软件件，进行行多、高高层建筑筑结构抗抗震优化化设计方方法研究究。通过过控制地地震引致致的结构构动态响响应，自自动且有有效地优优化杆件件的截面面尺寸，使使结构总总造价达达到最小小。应用HypperSStuddy进行优优化设计计的详细细过程，可可参见下下列流程程图（图图

19、6）。图6：优化化设计流流程图借助两座十十层三维维钢筋混混凝土框框架结构构的简化化模型，以以研究建建筑结构构抗震优优化设计计方法。首首先，我我们分析析对称结结构与非非对称结结构优化化前后杆杆件尺寸寸的变化化，如图图7及表1所示。 我们可可以看到到，虽然然两结构构的初始始尺寸以以及约束束条件相相同，但但由于平平面布置置不相同同，最后后对称结结构优化化的梁截截面尺寸寸小于或或等于相相应的非非对称结结构优化化的梁截截面尺寸寸，这是是因为非非对称结结构需要要更大的的杆件截截面刚度度来改善善扭转效效应。图7 优化化前后杆杆件尺寸寸的变化化表1 杆件件初始及及优化杆杆件尺寸寸这种应用HHypeerSttudyy提供的的强大优优化平台台，集成成建筑结结构有限限元分析析软件，进进行建筑筑结构抗抗震优化化的设计计