INSPIRE在建筑结构应用中的创新研究

1、课题背景       

 随着空间结构的不断发展，结构形式复杂多样，结构中构件的力学性能更加复杂。自1991 年 德 国 Stuttgart机场楼首次使用树状结构以来，这种新型结构以其独特的力学功能和美学艺术得到了迅 速推广，已在结构工程中有很多成功应用的实例，美 国 Detroit机 场、卡塔尔国家会议中心、孟买Tote旅馆、广州文化中心黄金树，苏州工业园区多功能厅、长沙火车站以及唐山勒泰中心均采用了这种结构。

        树状结构是现代典型的轻量化结构设计方案，具有传力路径合理、支撑覆盖范围广、可用较少构件形成较大的支撑空间的特点。但是由于形态复杂，结构设计中需要优先解决整体形态设计的问题，即在满足建筑功能需求的前提下，合理设计树干高度、树枝层数、分叉位置及数目、与屋盖结构的支撑位置等，使各构件布置符合最佳传力路径，体现力流从上到下、由低级树枝向高级树枝的汇聚过程，最终实现形与力的完美结合。

 INSPIRE为工程师提供了创新设计及快速优化的功能，因此本课题以INSPIRE做为拓扑优化工具，参考相关技术文献，探索如何利用INSPIRE快速实现树状仿生结构的概念设计方法。

2、模型说明

在不影响方法研究的前提下，为了提升计算效率，首先利用简化的二维平面结构进行课题的问题研究，对比分析了体积约束、最小特征尺寸、地面支撑点个数对拓扑结果的影响，最后利用三维模型验证了方法的可行性和有效性。二维模型尺寸为5000mmx10000mm，顶面施加均布载荷，地面支撑如下图所示：

3 拓扑结果

3.1 中间单点支撑拓扑结果：

3.2 单点单侧支撑、两点支撑、三点支撑拓扑结果：

3.3 三维结构树状拓扑结果：

        三维模型首先采用圆柱形设计空间，底部中心约束，顶部施加均布载荷，约束体积分数15%，优化目标为结构刚度最大。拓扑结果如图所示，外形呈现漏斗型，展现了自然的曲线弧度，而内部空心，上端呈树枝状支撑，整体拓扑结构为设计工程师提供了创新的设计思路。

4 分析结论

       通过上述分析，可以看出SolidThing在建筑结构创新性研究及设计上应用前景关阔，上述思路方法科应用于建筑大厅中树状支承结构，机场航站楼，高速铁路候车大厅，大型公共活动中心，大型会展中心支撑结构的前期概念方案设计。后续会对创新结构做进一步的优化完善及工程可行性分析。SolidThing高效、可靠是设计师强大的辅助工具。