复杂曲面钢结构屋面的数值找形与结构设计

随着市场对大跨度建筑屋面造型个性化要求的逐步提升,传统的解析曲面已无法实现设计师新奇的创意,越来越多的复杂曲面造型受到了设计师的青睐和市场的认可.本文以北京大学体育馆为背景,寻找一种复杂曲面钢结构屋面的数值找形技术(NVRBS技术),阐述其基本原理、应用方法及前景,并对复杂曲面钢结构设计的特点和难点做了分析,得出了对这类复杂屋面设计颇有指导意义的结论.

异形边界曲面结构的找形分析与应用

借助于数值找形技术,建筑师往往能凭借复杂曲面造型赋予作品较大的视觉冲击力和生命力。论文以某城市书房设计为背景,通过介绍数值找形技术在曲面结构设计中的应用方法,分析如何利用数值找形技术解决曲面结构构件的准确定位、屋面找坡和消防设计等问题,并与结构设计程序接轨展开计算分析,最终解决异形边界曲面结构的一系列设计问题。

零弯矩型自由曲面结构找形方法

为获得受力合理且形式丰富的自由曲面结构,借鉴传统模型试验找形法的原理,提出基于动力松弛法和局部线性化法的零弯矩型自由曲面结构数值找形方法.该方法利用了零弯矩型薄壳结构与相同荷载与边界条件下的柔性膜结构具有相同形状的性质,通过膜结构来实现自由曲面结构的找形.首先采用动力松弛法确定柔性结构在不同驱动力作用下的平衡构形;然后利用局部线性化方法调整结构初始参数,实现对结构形状的精确调控,以满足建筑设计对控制点坐标的要求.利用所提方法分别对逆吊型、充气型和张拉型自由曲面进行了数值模拟分析.通过对Isler逆吊试验模型的模拟,并与实际模型的3D扫描结果进行比较,验证了方法的精确性;通过对一充气型自由曲面的模拟,证明通过多区域分步控制可实现复杂造型结构的多点精确控制;通过对一找形后的张拉型自由曲面结构进行受力分析,证明采用本文方法可获得受力合理的纯压结构.研究表明,本文方法的计算效率更高,适用范围更广,有助于实现建筑与结构设计的协调统一.