丹麦团队利用HyperWorks证明拓扑优化对混凝土建筑结构的价值

行业：建筑工程

挑战：结构优化设计与建造和审美的结合。

Altair 解决方案：一套软件集成包，用于形态建模和结构优化。

优点：显著减少设计时间和环境成本。

背景介绍

丹麦的奥胡斯建筑学院过去一直对拓扑优化技术在混凝土建筑结构中的应用潜力以及它在混凝土浇铸聚苯乙烯模板的机械制造中的应用非常关注，基于仿真的拓扑优化技术已经在汽车、航空和造船工业广泛使用。现在将拓扑优化技术用于混凝土建筑结构，并将该技术与用于混凝土浇筑的聚苯乙烯模板机械化制造相耦合。

UnikabetonPrototype项目结合了学术和工业团队，由项目经理工程师Per Dombernowsky和Asbj?rnS?ndergaard领导，Asbj?rnS?ndergaard负责项目设 计和优化方面。

Unikabeton（独特的混凝土结构），这一项目由丹麦建筑界最大的8家机构和企业通力合作，共同开发一系列的优化实验，以便得到全尺寸混凝土结构的设计和优化方法。    

挑战

计算机优化工具的使用对于建筑领域来说是陌生领域。S?ndergaard认为造成这种现象的主要原因是“建筑领域的保守思想阻碍了将CAE作为结构设计的工具”，不愿意将设计控制权交给优化软件。

Unikabeton项目将是建筑设计中第一个使用拓扑优化的学术研究项目。由于混凝土制造而产生的二氧化碳排放量占全球排放总量的5%，该团队的实验结果将意义深远。      

解决方案

该团队选择AltairHyperWorks进行优化实验。“带有OptiStruct的HyperWorks软件包能够整合有限元建模和优化，”S?ndergaard说道，“因此，学习和培训可以在同一个软件平台进行。此外，Altair令人印象深刻的优化案例以及灵活的扩 展方式极大的增强了项目经理的信心，他们最初对于大规模拓扑优化的可行性还持有怀疑态度。”

该团队首先进行结构分析并在数字化制造流程中进行小规模仿真，与一系列常规的预制和现浇混凝土构件进行比较。分析表明，在满足规范的构造要求下，优化过的结构材料使用减少了60%-70%。同时还发现了新的美学，比如从最终设计 中可以看到结构荷载的传递。

完成对混凝土构件的初步工作后，团队打算优化一块非均匀双曲混凝土板，这块板由地基上三根不对称放置的混凝土支柱支撑。原型结构的大小为12x6x3.3米。

使用拓扑优化，使结构EPS模板满足数控铣削加工的制造要求。该团队使用聚苯乙烯块铣削加工模块，在现场使用传统的脚手架和装配技术进行组装，然后将自密实混凝土浇筑到模板中。

有了拓扑优化技术，建筑师放弃了直接控制结构形式，因为软件可以从大量数据中形成结构形状。在需要建筑师确定某些设计方案时，可以使用“非设计空间”——在优化过程中排除在外的区域。Unikabeton项目中，非设计空间被指定为顶部混凝土构件和三个支柱，以满足设计要求，比如设计将产生一个无孔顶面以防止雨雪等天气影响。                                                                

结论

Unikabeton优化项目的成功显示了仿真驱动的拓扑优化对建筑结构的重要价值。它为模拟生物结构系统的形态优化提供了方法，借此可以用最小质量生成最佳性能的结构。

研究小组指出，从设计中减去多余的材料能够显著降低与建造结构相关的环境成本，从混凝土生产和运输方面节省能源。而且，用来制造模板的聚苯乙烯能够以制造新模板时循环使用。

从大的方面来说，这个项目标志着建筑实践中的一个潜在的重大转变。“凭借建筑学历史经验的积累，非计算机的结构设计表明了结构设计的经验主义流程，”S?ndergaard指出，“拓扑优化实现了从拓扑学到拓扑设计思想的转变，其中对经验的需求转换为对优化先决条件的一般知识。”援引日本工程师MutsuroSasaki的话，S?ndergaard指出，优化成就了新的结构类型，即构件从一个连续的整体中设计出来，摒弃了传统的子分类系统，如梁、板和柱。

Sφndergaard说，“HyperMesh是一个非常强大的有限元建模工具，能够满足创建高级设计空间模型的关键需求。HyperWorks是稳健而灵活的分析工具，对于理解优化结果的复杂结构和其可行性评估起到了很大的帮助。”

该团队同时使用HyperView进行后处理，对位移和应力进行分析和检查。 Sφndergaard称他的团队已经预见了HyperWorks在商业建筑项目中远大的应用前景。

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