計算機軟件建筑結構優化設計

　　這篇計算機工程師論文發表了計算機軟件建筑結構優化設計，計算機軟件建筑結構優化設計是一種新建筑技術，通過建立數學模型對計算機參數進行調整優化，論文對計算機優化設計的難點進行了深入分析，給出了計算機優化設計的解決方案，以實現對建筑幾何空間結構的優化設計。

　　關鍵詞:計算機工程師論文,計算機軟件,建筑結構

　　引言

　　伴隨當代建筑設計獨特需求的發展和信息技術的進步,基于計算機軟件的建筑結構優化設計CDO(ComputerDesignOptimization)已變成建筑設計師優化結構的終極目標[1]。其中,建筑信息模型BIM的建立是建筑結構計算機優化設計的重要內容。伴隨BIM建筑模型定義的明確和有關軟件的開發,為建筑設計工程師提供了一系列設計優化手段和方式。BIM不僅是一個簡單的建筑模型,還是關于建筑信息化的應用,即實現建筑整個生命周期的可視化和建筑參數的數字可控化,使得建筑結構優化更便捷、更直觀。事實上,基于計算機軟件的建筑結構設計優化的關鍵是在建立建筑結構信息模型時,使其參數的數字化和可控化,再通過調整參數和組合應用實現建筑結構優化目標。在該過程中,制定了多種建筑結構優化方案,且量化了對比分析結果,使選擇更便捷、準確。基于計算機軟件的建筑結構優化設計的關鍵在于建立計算機模型和參數可控化[3]。建筑模型和結構模型各不相同,前者更偏重于建筑的空間幾何,每個參數都依據幾何信息選定的;后者更偏重于結構物理特征,每個參數都依據物理特征選定的。然而建筑最終帶來視覺體驗,是各幾何空間的有序結合,其物理特征屬于內在元素,很難被用戶所感知。

　　1基于計算機軟件的建筑結構優化設計的難點

　　通常來講,建筑信息模型BIM是建筑結構計算機優化設計的重要內容,提供了一系列設計優化選擇。BIM技術是通過建立建筑信息模型,來模擬和優化建筑設計、施工、運營和維護等整個過程的相關問題[5]。比如,任何建筑構件的大小都會影響建筑面積,構件大小又受到結構和材質的影響,建筑構件材質、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系復雜,難以直觀判斷出來,那么就要使這些元素參數化,以參數調整方式量化對比分析結果,使得建筑結構優化更快速、更便捷。

　　2針對建筑結構計算機優化設計的解決方案

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

　　(1)Revit軟件Revit軟件是由Autodesk公司開發,主要用于構件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建,融合了多專業的理論內容,實現了界面的可視化,出圖效果較好。同時,該軟件偏向于可視化功能,還未設置建筑結構的參數調整優化功能,只能通過信息輸入模塊實現系統平臺的圖形信息輸入[9]。

　　(2)Rhino軟件如今,建筑設計人員對建筑外型曲線的審美有所變化,需要軟件具有將數學公式轉變為圖形的功能。Hinoceros軟件是RobertMcNeel&Associates公司研發的基于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,被廣泛運用到產品設計、建筑優化、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平臺,除了公司研發的Bongo、Flamingo等插件外,還提供了免費的SDK研發工具,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結構模型階段

　　通過上述方式構建了建筑幾何模型之后,需在各幾何空間內建立結構框架,也就是通過空間線條劃分斷面和結構特征,將單一的幾何空間轉變為能承受一定重力的空間結構[12]。在該過程中,不僅要明確新幾何參數,還要選定材質、大小、硬度、擴展性等物理特征參數,用于分析結構材質和特征,從而構建空間結構模型。那么,這個過程可能應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構的截面、材質等內容,還設計了GSA和Designlink輸入/輸出接口[13]。(2)GSA軟件奧雅納公司研發的GSA軟件是針對通用結構有限元的分析軟件,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等結構分析文件的功能[15]。(3)其他結構優化軟件我國目前常用的結構優化軟件有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平臺,兼容CAD圖形、文本、數據庫等格式文件的輸入和輸出。

　　2.3循環階段

　　在完成結構模型構建之后,可開展全方位、詳細的結構分析和優化設計,從宏觀到微觀來確定幾何空間構件的位置、大小、硬度等參數,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、結構框架的三維建筑模型。由此可見,建筑模型和結構模型往往處于反復循環狀態,從整體幾何空間到結構構件元素,都需要進行對應的參數確定和調整,而在此循環過程中,結合目前建模軟件的功能特征,難以在建筑模型階段實現結構優化設計,同樣的,建筑模型優化也難以在結構模型階段實現。所以,結構優化和建筑參數調整都要通過外部軟件來實現,某種程度上反映了文章第一段提及的建筑結構計算機優化設計的三大難點:參數邏輯選擇、階段性和參數控制形式[18]。伴隨建筑模型和結構模型的反復循環,建筑設計人員可以系統了解幾何空間結構框架,從而制定出完善的優化設計方案,以實現對建筑幾何空間結構的優化設計。

　　3結語

　　綜上所述,傳統強調物理特征的結構優化軟件功能單一,在幾何空間參數調整方面仍有欠缺,所以目前甚至未來,基于計算機軟件的建筑結構優化設計的改革關鍵是幾何空間參數調整優化模塊的建立,實現對建筑結構的全方位優化。至今為止,建筑結構計算機優化設計受軟件功能的影響仍然顯著,參數調整和優化控制困難重重,隨著計算機軟件的不斷完善,建筑結構參數邏輯選擇、階段性、控制形式等難題將迎刃而解。

　　作者：郝會鑫 單位：蘭州鐵道設計院有限公司

　　推薦閱讀：《計算機測量與控制》(月刊)創刊于1993年，由中國計算機自動測量與控制技術協會主辦。