自由形态网格结构建筑造型与力学性能一体化设计理论及关键技术研究

Free-form grid structures with the characteristic of flexible configuration are particular architectural trends and hotspot of the information times. This project focuses on the design problem of complicated configuration of grid structures and proposes the integration design concept of configuration and mechanical behavior of free-form grid structures. It will mainly study on the whole design procedure composed of surface modeling, topology generation and structural configuration in order to establish the key technology combined with the configuration and mechanical behavior. Research contents include: 1) Proposing the reverse design technique for free-form surface, realizing the surface optimization technique based on the energy method, and establishing the surface evaluation criteria to improve the surface modeling theory; 2) Realizing the adaptive reflection meshing method, proposing topology optimization method based on the configuration conjugated curves to improve the topology generation theory; 3) Combined with the structural performance, establishing the intelligent optimization method for structural configuration. Obtaining the practical design technique for members from the free-form grid structures. Utilizing the advantage of interdisciplinary, this project follows the technical route composed of theoretical analysis, program implement, and validation. Through the research of this project, the design theory and technology of free-form grid structures will be further improved. It is effective for prompting the application of free-form grid structures in practical engineering.

自由形态网格结构是以灵活多变的自由曲面外部形态为特征的新型空间结构，为当今信息时代特有的建筑趋势与建筑热点。本项目针对此类网格结构复杂的形态设计问题，提出建筑造型与力学性能一体化设计思想，围绕自由形态网格结构的曲面建构、拓扑布局、结构形态设计的全过程展开研究，建立形态统一的关键设计技术：1)提出曲面逆向设计技术，实现基于能量法的曲面优化技术，建立曲面形态的综合评价标准，完善合理曲面建构理论；2)建立自适应网格映射生成技术，提出基于形态共轭曲线的拓扑优化方法，实现合理拓扑布局；3)建立基于性能的结构形态智能优化方法，形成自由形态网格结构的构件实用化技术。利用学科交叉优势，遵循基本理论与方法研究-程序开发-验证手段相结合的技术路线，突出研究重点。通过本项目研究，可望进一步完善与发展自由形态网格结构的设计理论与关键技术，促进自由形态网格结构在实践中的应用。

本项目执行时间为2013年1月至2015年12月，资助金额为25万元。在这三年时间内项目组圆满完成预定的科研任务，达到预期目标。以自由形态网格结构为研究对象，本项目利用学科交叉优势，遵循基本理论与方法研究-程序开发-验证手段相结合的技术路线，针对此类结构复杂的形态设计问题，提出了建筑造型与力学性能一体化设计思想。围绕自由形态结构的曲面建构、拓扑布局、结构形态设计的全过程展开了研究，建立了形态统一的关键设计技术：1) 提出基于节点的蒙皮曲面网格映射方法，建立仿生类自由形态网格结构重构技术与曲面逆向设计技术，基于完备变形能模型实现了能量法曲面优化技术，建立了曲面形态的综合评价标准，完善合理曲面建构理论；2) 建立了自适应网格映射生成技术，丰富了自由曲面网格划分模式，提出了基于形态共轭曲线的拓扑优化方法，实现了合理拓扑布局；3) 基于能量法以及混合粒子群智能算法，形成了基于性能的自由形态结构的一体化优化技术；开展了适用于自由形态网格结构的连接节点开发及其力学性能研究，形成了自由形态结构实用化技术；构建了多种自由形态空间结构体系。通过本项目的研究，进一步完善与发展了自由形态结构的设计理论与关键技术，促进了自由形态结构在实践中的应用。