设计与工程团队决定使用造船业开创的一种方法:内部为弯曲钢板,附有框架网作为承重结构。
占地36,000平方英尺的火车站换乘大厅是Arnhem Master Plan的核心;Arnhem Master Plan是荷兰集办公区、商场、住宅以及其他建筑物为一体的大型城市规划项目。换乘大厅包括售票区和火车、出租车及公交车等候区、以及零售店和餐馆等。由UNStudio创造的有机设计由一系列流畅的曲线组成。原计划是用混凝土建造该结构,但复杂的曲线使混凝土方案变得不可行,因此设计人员转而采用钢材。设计与工程团队并没有使用带承重桁架的传统钢结构,而是决定使用造船业开创的一种方法:内部为弯曲钢板,附有框架网作为承重结构。钢结构被分成150个小块。这些构建块在建筑厂完成制造,在现场进行装配。
CentraL Industry Group (CIG)是一家从造船业起家的公司,现在也服务于建筑市场。该公司获选建造这一独特的结构。由于这种施工方法只在公共建筑中使用过几次,因此需要进行大量计算来证明全局和局部强度、以及设计的刚度和稳定性。由于几何结构非常复杂,因此使用传统手动结构分析法在项目进度内进行所需的计算并不现实。事实上,我们很难估计手动计算需要用多长时间。但是,CIG精通ANSYS Mechanical Parametric Design Language (APDL),可以利用自动方法在相对短的时间内执行分析。
创建结构模型
CIG的工程师首先在Rhinoceros@ 3D计算机辅助设计(CAD)软件中利用建筑师提供的楼宇内部形状创建了一个承重结构的完整模型。对实际形状未做任何简化。Rhinoceros无法导出厚度或材料,因此如果导出整个模型,必须手动重新创建厚度和材料。为了避免这个问题,CIG的工程师将Rhinoceros模型构建为一系列子文件,每个子文件都具有恒定的厚度和统一的材料。该结构主要由AH36钢构成。他们使用Rhinoceros脚本,以SAT格式单独导出每个子文件。然后,使用APDL脚本将每个子文件导入到ANSYSMechanical,同时获取每个层的厚度和材料属性。将每个子文件转换为ANSYS Mechanical组,这样可方便地查看或隐藏模型的每个部分。模型由SHELL281、SHELL132、BEAM189和COMBIN14单元组成。
全局分析
接下来,工程师执行全局强度/刚度/稳定性分析,并首次证明了可以利用这种施工方法构建该结构。团队选择了19种不同的载荷条件,包括重力、雪、风和环境温度载荷等。这些载荷条件被组合成成75种载荷。工程师使用另一个APDL脚本执行了75次仿真,并搜索在每个单元中产生最高应力的载荷组合结果。然后,脚本将每个单元的最高应力绘制在单个结构图像中,这样一眼就能看到热点。脚本在结构上确定了对每个单元产生最高应力的载荷组合的编号。这种方法使工程师能够理解结构的性能,并节省了向客户展示结果所需的时间。工程师在从全局模型获得的子模型的边界处执行指定的平移和旋转,以便在子模型中进一步分析热点。予模型包含更多结构细节和更密的网格。
工程师使用全局模型来仿真屋顶结构的现场模块构建过程,以确定模块装配和临时支撑上反作用力引起的剩余应力。剩余应力可用来定义单个结构项的局部稳定性计算裕量。反作用力可用来设计临时支撑结构。
工程师执行全局线性和非线性屈曲分析以确定结构的全局稳定性。另外,使用全局刚度模型来确定靠近玻璃板区域的结构挠曲。通过仿真确定的最大挠曲大约为5cm,工程师在钢材与玻璃之间的接头留出小缝隙,从而解决了这个挠曲问题。
图1 钢结构的Rhinoceros模型
图2 标准刚度配置与另一领先配置之间的绝对差
图3 从需要“全局”子模型的区域得到的全局分析结果
图4 通过全局强度分析确定的每个单元的最高应力值
支撑结构差异建模
车站大厅建在停车场等不同混凝土结构的上方。工程师使用弹簧单元将这些结构和下面土地的垂直刚度包含到模型中。承包商使用一种不同的有限元软件套件对混凝土结构进行建模。
对于19种载荷条件中的每一种,工程师都反复在钢结构ANSYS模型与混凝土结构分析之间迭代,同时改变支撑结构处的指定水平平移,直到两个模型的水平运动和反作用力相等为止。
工程师利用数组表中一系列垂直弹簧常数创建APDL脚本,以通过不同弹簧值进行迭代。这使ANSYS模型能够确定支撑结构属性变化的效果。例如,如果某个支撑结构的刚性值比规范值高100%,这会如何影响钢结构中的应力,如何影响支撑结构的反作用力呢?该分析可为混凝土停车结构的建造者提供结构约束。另一个APDL脚本则将标准刚度配置与刚度变化之间的差别绘制在结构上,以确定处理支撑结构变化所需的安全裕量。在计算支撑结构以及下节介绍的局部稳定性时需要这个裕量。
在建设之前利用仿真来测试建造方法,建筑师能够设计出前所未有的创新建筑结构。
图5 缺陷形状的非线性失效分析(GNIA)
图6 单个板的模型
调整单个板的大小
荷兰和国际建筑规范都没有指定具体方法来确定具有复杂曲线的板材的稳定性,因此工程师在ANSYS Mechanical中使用APDL脚本研发了一种分析方法。
APDL脚本在包含高度弯曲的区域和承重区域内从全局模型中创建子模型。这些子模型包含更多细节和更精细的网格。将全局分析中的内部节点力作为边界条件,以表示板材中的应力。简单地从平面外方向支撑边缘。
当建造金属薄板结构时,几何结构无法完全匹配模型,因此需要有一定公差。为了将这些缺陷考虑在内,需要在孤立板材上执行线性屈曲分析。计算得到的最关键屈曲形状可作为非线性分析的起始几何结构。工程师对屈曲形状的位移进行缩放,以符合建筑规范的最大允许缺陷。执行针对缺陷的几何非线性弹性屈曲分析(GNIA),以评估板材失效时的应力等级。在上文所述的变化分析中,确定了应力可能因支撑结构的变化而比分析得到的预测值高出10%,因此应将最大允许应力值减小10%。此外,考虑到上文所述的模块构建过程中计算出的剩余应力,最大允许应力值还要进一步减小。APDL脚本自动执行整个过程,并生成客户报告所需的相关数字、图表和计算数据。
该项目说明了APDL能够自动执行复杂分析过程。如果使用传统的手动计算方法,这个项目所花费的时间将会超出项目研发周期。APDL脚本使得整个分析能够高效、及时完成。如果没有仿真,这个建筑结构就无法得到验证,并有可能无法完成建设。在建设之前利用仿真来测试建造方法,建筑师能够设计出前所未有的创新建筑结构。
专门介绍当代建筑与设计的出版物《AZURE杂志》.将Arnhem中央车站评为2015年十大最佳建筑。
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本文标题:仿真应用于建筑设计创新