計算機(jī)軟件建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

　　這篇計算機(jī)工程師論文發(fā)表了計算機(jī)軟件建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，計算機(jī)軟件建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計是一種新建筑技術(shù)，通過建立數(shù)學(xué)模型對計算機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，論文對計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計的難點進(jìn)行了深入分析，給出了計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計的解決方案，以實現(xiàn)對建筑幾何空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

　　關(guān)鍵詞:計算機(jī)工程師論文,計算機(jī)軟件,建筑結(jié)構(gòu)

　　引言

　　伴隨當(dāng)代建筑設(shè)計獨特需求的發(fā)展和信息技術(shù)的進(jìn)步,基于計算機(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計CDO(ComputerDesignOptimization)已變成建筑設(shè)計師優(yōu)化結(jié)構(gòu)的終極目標(biāo)[1]。其中,建筑信息模型BIM的建立是建筑結(jié)構(gòu)計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計的重要內(nèi)容。伴隨BIM建筑模型定義的明確和有關(guān)軟件的開發(fā),為建筑設(shè)計工程師提供了一系列設(shè)計優(yōu)化手段和方式。BIM不僅是一個簡單的建筑模型,還是關(guān)于建筑信息化的應(yīng)用,即實現(xiàn)建筑整個生命周期的可視化和建筑參數(shù)的數(shù)字可控化,使得建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化更便捷、更直觀。事實上,基于計算機(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的關(guān)鍵是在建立建筑結(jié)構(gòu)信息模型時,使其參數(shù)的數(shù)字化和可控化,再通過調(diào)整參數(shù)和組合應(yīng)用實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化目標(biāo)。在該過程中,制定了多種建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案,且量化了對比分析結(jié)果,使選擇更便捷、準(zhǔn)確?；谟嬎銠C(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵在于建立計算機(jī)模型和參數(shù)可控化[3]。建筑模型和結(jié)構(gòu)模型各不相同,前者更偏重于建筑的空間幾何,每個參數(shù)都依據(jù)幾何信息選定的;后者更偏重于結(jié)構(gòu)物理特征,每個參數(shù)都依據(jù)物理特征選定的。然而建筑最終帶來視覺體驗,是各幾何空間的有序結(jié)合,其物理特征屬于內(nèi)在元素,很難被用戶所感知。

　　1基于計算機(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的難點

　　通常來講,建筑信息模型BIM是建筑結(jié)構(gòu)計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計的重要內(nèi)容,提供了一系列設(shè)計優(yōu)化選擇。BIM技術(shù)是通過建立建筑信息模型,來模擬和優(yōu)化建筑設(shè)計、施工、運營和維護(hù)等整個過程的相關(guān)問題[5]。比如,任何建筑構(gòu)件的大小都會影響建筑面積,構(gòu)件大小又受到結(jié)構(gòu)和材質(zhì)的影響,建筑構(gòu)件材質(zhì)、大小和建筑面積都可用于成本核算,然而這些因素之間的聯(lián)系復(fù)雜,難以直觀判斷出來,那么就要使這些元素參數(shù)化,以參數(shù)調(diào)整方式量化對比分析結(jié)果,使得建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化更快速、更便捷。

　　2針對建筑結(jié)構(gòu)計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計的解決方案

　　2.1建筑模型階段關(guān)于建筑模型的構(gòu)建,是從建筑幾何信息數(shù)字化著手,這個過程的參數(shù)可控是依據(jù)幾何信息確定的,通過三維建模軟件構(gòu)建建筑模型[8]。在此階段,主要應(yīng)用的軟件有以下幾種:

　　(1)Revit軟件Revit軟件是由Autodesk公司開發(fā),主要用于構(gòu)件BIM建筑模型,具體見下圖1所示。該軟件支持全方位建筑信息模型的構(gòu)建,融合了多專業(yè)的理論內(nèi)容,實現(xiàn)了界面的可視化,出圖效果較好。同時,該軟件偏向于可視化功能,還未設(shè)置建筑結(jié)構(gòu)的參數(shù)調(diào)整優(yōu)化功能,只能通過信息輸入模塊實現(xiàn)系統(tǒng)平臺的圖形信息輸入[9]。

　　(2)Rhino軟件如今,建筑設(shè)計人員對建筑外型曲線的審美有所變化,需要軟件具有將數(shù)學(xué)公式轉(zhuǎn)變?yōu)閳D形的功能。Hinoceros軟件是RobertMcNeel&Associates公司研發(fā)的基于NURBS理論的三維建模軟件[10],已成功從市場上各類三位建模軟件中脫穎而出,被廣泛運用到產(chǎn)品設(shè)計、建筑優(yōu)化、動畫制作等方面。該軟件除了具備輸出三維格式文件的功能之外,還是一個公開的系統(tǒng)平臺,除了公司研發(fā)的Bongo、Flamingo等插件外,還提供了免費的SDK研發(fā)工具,支持客戶編寫支持Rhino三維軟件的專用插件,某種程度上拓展了軟件功能,具體見下圖2所示。

　　2.2結(jié)構(gòu)模型階段

　　通過上述方式構(gòu)建了建筑幾何模型之后,需在各幾何空間內(nèi)建立結(jié)構(gòu)框架,也就是通過空間線條劃分?jǐn)嗝婧徒Y(jié)構(gòu)特征,將單一的幾何空間轉(zhuǎn)變?yōu)槟艹惺芤欢ㄖ亓Φ目臻g結(jié)構(gòu)[12]。在該過程中,不僅要明確新幾何參數(shù),還要選定材質(zhì)、大小、硬度、擴(kuò)展性等物理特征參數(shù),用于分析結(jié)構(gòu)材質(zhì)和特征,從而構(gòu)建空間結(jié)構(gòu)模型。那么,這個過程可能應(yīng)用的軟件有以下幾種:(1)Salamander軟件事實上,Salamander軟件是針對Rhino的專用插件,具體見下圖3所示,主要功能是定義Rhino三維模型中的空間結(jié)構(gòu)的截面、材質(zhì)等內(nèi)容,還設(shè)計了GSA和Designlink輸入/輸出接口[13]。(2)GSA軟件奧雅納公司研發(fā)的GSA軟件是針對通用結(jié)構(gòu)有限元的分析軟件,具體見上圖3所示,具有輸入/輸出文本、AutoCAD、Revit等格式文件的功能,同時還具有輸入/輸出ANSYS、SAP等結(jié)構(gòu)分析文件的功能[15]。(3)其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件我國目前常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件有Civil、ETABS、SAP2000等[16],具體見上圖4所示,這類軟件具備完善的建模系統(tǒng)平臺,兼容CAD圖形、文本、數(shù)據(jù)庫等格式文件的輸入和輸出。

　　2.3循環(huán)階段

　　在完成結(jié)構(gòu)模型構(gòu)建之后,可開展全方位、詳細(xì)的結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化設(shè)計,從宏觀到微觀來確定幾何空間構(gòu)件的位置、大小、硬度等參數(shù),并將其反饋到BIM建筑模型中[17]。在這種情況下,模型不再是簡單的由線條形成的幾何空間,而是具有截面、結(jié)構(gòu)框架的三維建筑模型。由此可見,建筑模型和結(jié)構(gòu)模型往往處于反復(fù)循環(huán)狀態(tài),從整體幾何空間到結(jié)構(gòu)構(gòu)件元素,都需要進(jìn)行對應(yīng)的參數(shù)確定和調(diào)整,而在此循環(huán)過程中,結(jié)合目前建模軟件的功能特征,難以在建筑模型階段實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,同樣的,建筑模型優(yōu)化也難以在結(jié)構(gòu)模型階段實現(xiàn)。所以,結(jié)構(gòu)優(yōu)化和建筑參數(shù)調(diào)整都要通過外部軟件來實現(xiàn),某種程度上反映了文章第一段提及的建筑結(jié)構(gòu)計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計的三大難點:參數(shù)邏輯選擇、階段性和參數(shù)控制形式[18]。伴隨建筑模型和結(jié)構(gòu)模型的反復(fù)循環(huán),建筑設(shè)計人員可以系統(tǒng)了解幾何空間結(jié)構(gòu)框架,從而制定出完善的優(yōu)化設(shè)計方案,以實現(xiàn)對建筑幾何空間結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。

　　3結(jié)語

　　綜上所述,傳統(tǒng)強(qiáng)調(diào)物理特征的結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件功能單一,在幾何空間參數(shù)調(diào)整方面仍有欠缺,所以目前甚至未來,基于計算機(jī)軟件的建筑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的改革關(guān)鍵是幾何空間參數(shù)調(diào)整優(yōu)化模塊的建立,實現(xiàn)對建筑結(jié)構(gòu)的全方位優(yōu)化。至今為止,建筑結(jié)構(gòu)計算機(jī)優(yōu)化設(shè)計受軟件功能的影響仍然顯著,參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化控制困難重重,隨著計算機(jī)軟件的不斷完善,建筑結(jié)構(gòu)參數(shù)邏輯選擇、階段性、控制形式等難題將迎刃而解。

　　作者：郝會鑫 單位：蘭州鐵道設(shè)計院有限公司

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