基于Kangaroo“粒子-弹簧系统”的主动弯曲结构参数化找形方法研究

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随着计算机模拟技术的提升,“性能化生成设计”(Performance-based Design)成为了当今建筑设计的重要方向,而基于结构性能的形式生成设计需要建筑师兼备数学、物理学、形式美学等多方面的能力。然而由于长期的学科分工,建筑师在面对基于结构形式的设计时常常处于眼高手低的窘境,结构知识的匮乏与固定的设计思维使得建筑师在面对结构性能化设计时亟需高效、直观的辅助设计方法。因此对于结构找形的研究已经成为建筑设计与结构设计的重要课题。主动弯曲结构是指利用材料的弹性弯曲变形所产生的结构内力对抗外部荷载的结构形式,其空间形态既具备形式美感又兼备结构潜力,已经成为国内外关于结构性能化设计领域的新兴方向。然而由于弹性弯曲的非线性特征以及弹性材料的复杂性能,主动弯曲结构的预先找形问题已然成为横亘在形式设计前的阻碍,亟待解决。本文研究从主动弯曲结构的形式设计入手,分析了目前国内外对于该领域的研究现状,得出目前主动弯曲结构的找形方法存在难理解、难运用、难交互、不系统等问题,有待进一步的研究。本文的第一部分从国内外的文献与工程实践角度总结梳理了目前主动弯曲结构的分类,根据各种分类的具体案例归纳总结了当前主动弯曲结构的找形方法,并分别指出其优势与局限,尤其比较了几种数字化模拟方法的差异;接着从弹性力学基础理论的研究角度限定了找形方法的适用范围,依据目前的研究范围限定在细长杆件和薄板单元的基础,选择“欧拉伯努利梁理论”作为本次研究的理论基础,进行方法研究。第二部分主要研究如何为主动弯曲结构提供方便易用的找形方法,首先从主动弯曲结构的实践案例中总结出,本文是对弹性弯曲单元找形方法的研究,以此为基础将主动弯曲结构的单元分为线单元、各向同性薄板单元与各向异性薄板单元。然后基于Rhinoceros软件下的参数化平台Grasshopper搭载基于“粒子-弹簧系统”的Kangaroo组成研究平台,配合Python编程语言对材料属性进行脚本开发,提出了各种不同类型的单元弯曲变形的找形方法并给出了具体找形步骤。针对不同类型的单元,开发了不同的材料属性设置的脚本,并利用物理实验的方法对找形结果进行了验证,证明了该找形方法的准确性。本次研究提出了一种直观高效实现主动弯曲结构单元的参数化找形方法,并根据材料属性参数设置的需求编写了有关弹性材料属性的算法,摆脱了繁杂的数理解析的过程。使建筑师在利用主动弯曲结构进行形式设计时可预先进行计算机仿真模拟,提升了建筑师对于结构性能化设计的认知,对结构找形研究有一定的促进作用。本文正文共约59000字,图表124幅。
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