改进进化论方法的应用—多功能结构形态创构研究.pdfVIP

改进进化论方法的应用 一多功能结构形态创构研究 崔昌禹 姜宝石 郑虹妍 (哈尔滨工业大学，哈尔滨，150090) 提要：建筑工程实践表明，形式自由的结构造型越来越受到建筑师的关注。采用改进进化论方法，创构出的结构形式自 由丰富，力学合理，并已应用于工程实践，取得了良好的建筑效果。为了更好的满足实际工程需要，本文以平面问题为研究 对象，对改进进化论方法进行了拓展，将方法中的设计域拓展为自由边界设计域，将设计目标进行改进，试图创构出满足多 种空间条件的不同形式的结构，并进行了探讨了多工况(如支座、荷载变化等)情况下的应用方法。算例表明所得结构力学 合理，以拉压为主，形式自由，且能够体现力的合理传递，特别是对创构指定内力性质的结构(拉压结构)形态时，进化效 率高。这些拓展使该方法更具实用价值。 关键词：结构形态创构；形态优化；非线性方法；改进进化论 引言 结构形态创构是近年来结构研究的热点，目前已提出了多种结构形态创构方法，如“均质法…”，‘Bublle 99 方法嵋1 9“GA方法¨J’’，“ESO方法HJ’等，但尚未成熟。改进进化论方法是一种“简单、直接、有效” 的结构形态创构方法。该方法是模仿自然界的进化现象，通过“淘汰”，“保留”，“补充”的操作把结 构体逐步演变成合理结构体的方法晦】，创构出的结构形式自由、合理，已被应用到多项实际工程的设计。 在实际工程应用中发现，方法中的矩形设计域不能很满足建筑师对建筑设计的要求及实际可能存在的 多种设计条件，另一方面，从工程特点与进化效率角度来考虑，需要进一步探讨纯受拉、纯受压结构的生 成方法以及多工况条件下的形态创构问题。本文针对以上工程应用的需求，为增强方法的实用性，把改进 进化论方法的设计域由通常的矩形设计域扩展为自由边界设计域，相应的设计域内生成的网格，由四边形 网格改成三角形网格，以便满足任意空间条件的工程要求。同时通过改变目标力学量，研究了全受拉、全 受压结构形态创构方法，并扩展了改进进化论方法在多种荷载、支座变化情况下的结构形态创构应用方法。 本文对此进行了详细论述，并通过算例讨论了它所具有的性能和实用性。 一、 改进进化论方法的扩展 T 1创构结构形态的问题 以均匀分布耳标力学量的方式来承受荷城的结构形态的创构问题可以用式(I)米裘选 “—Minimum S∈no ‰≤％ ‰s瓯 式中，Ⅳ为口标力学量的标准偏差，它表示口标力学晕分巾的均匀程度．S为结构的形状；0o为空间条什， 表示形成结构的蟛状的允许卒州领域和各种建筑条件：“，，为最大席^：G。为允许应力：6脯为最大位 移；6n为允许位移。 空间条件0。在改进后为自由边界的设计域，其闩由曲线边界采用非均匀有理B样条来表逃。日标力 学量的不同可以自U构出不捌的结构形忐，以应力张量第不变量为日标函数可以创构纯受拉或纯受压结 构．政变14标函数还可以实现多工况的结构形态创构，详细内容在一、三节讨论， 2自由边界设计域的改进进化论方法 自由边界设计域的“自由”主要体现其边界形状的任意性。而对于具体工程或计算宜例又必须确定的。 工程或实际应用过程十，要给出一些必要的工程约束信息，即建筑醴训时的空间限定要求．如建筑水平轮 廓线、限高等约束信息。自由边界的设计域的形状同样需要这些源于具体的实际问题的设计条件的约束信 息。对来自建筑或其他工程方面的边界要求中曲线部分采用B样条曲线插值来模拟。 自由边界设计域的改进进化论方法的新结构形成过程，与改进进化论方法相类似： 露魏圹姜1忿于书 a)＆*域0n b)结构件s c)*计域内的m^等值线 d)新的结构体s。 图1新结构体的Ⅳ成n程 方法中引入了在整个设汁域当中目标力学量是连续分布的假定。 设定如图1中a)所示的设训域，图【中b)所示为跨q·受一集中力F，底部有两个铰支座的耋占构体，有 限元计算后得到结构的目标力学景丹布云图，如图所示．渫色表