杆支承式壳-网混合型自由曲面结构形态创构方法研究

Thin-walled concrete shells, reticulated steel shell and branching structures are typical structural forms commonly adopted for long-span space structures. The organic combination of these structural types also provides a new method to build a new type of long-span space structures, viz. concrete-steel hybrid shell supported on branching frames. Structural morphogenesis method is not only a way to search for a variety of ‘better shape’ of buildings, but also an effective tool to design a new structure system. Based on the nature of structure morphology, this method studies the law that controls the structures’ evolution and explores the environment, conditions, motivation and approach of the evolutionary process, which guides the structure ‘self evolution’ to the optimal direction of overall performance. Therefore a complete, practical and efficient theory and method applied to the bar support continuum-reticulated shells of free-curved surface is proposed, which gives consideration to the shape, topology and size optimization. This method could be applied to the structural morphogenesis for both single and hybrid type of structures, which enhances the applicability. On this basis, this research combines numerical simulation with experiments and investigates the mechanical properties and failure mechanism of the final structures. All of the above will help to determine what are the reliability index of the free-form structures. This research is expected to enhance the domestic research level of the structure morphology, and promote the theory of the spatial structures to a relatively comprehensive direction.

薄壳、网壳、杆系支撑结构是实现大跨空间结构的常用手段，而这些体系的有机结合又给新型大跨空间结构的实现将提供新的途径。结构形态创构方法是寻求建筑物多种“良好形状”的方法，也是构思新型建筑结构的一种有效工具。从结构形态的本质出发，探索能够使结构向整体性能最优方向“自行演变”的环境、条件、动力以及途径，研究支配结构形态演变的规律，进而提出能够兼顾形状、拓扑、截面的一套完整、实用、高效的杆支承式壳—网混合型自由曲面结构形态创构的方法。该方法能够处理单一以及混合型结构的形态创构问题，增强了原有方法的适用性。在此基础上，采用数值模拟与实验相结合的方法，进一步研究经过该创构方法优化后的最终结构的力学特性和失效机制，为进一步确定该类具有自由造型特点结构的可靠性指标奠定基础。希望通过本项目的研究，提升我国在结构形态学领域的整体研究水平，使我国空间结构向更加全面、更富于活力的方向发展。

空间结构形态创构是实现“建筑与结构协调统一”的有效途径，不同的解决思路分别对应着不同的解决方案和结果，方法与方法之间既有共性，也有区别。课题组从三种不同的理论基础出发，研究了相应的创构方法，1）基于感度分析法，2）基于拟机构法，3）基于“形图”与“力图”的对偶关系，围绕连续壳、网壳、包括树状结构在内的杆支撑以及这三者结合的复杂空间结构，每种方法都进行了不同程度的拓展延伸。主要内容如下：.基于感度分析法，建立了以应变能最小化为目标，以结构几何关键点广义坐标为设计变量的结构优化方法。并进一步的，考虑几何非线性对创构过程的影响，将结构几何非线性引入到自由曲面壳的形态创构中，考虑施工便携性，将直纹面的几何特性引入到壳的形态创构中。研究表明，本方法可用于不同类型建筑要求的空间结构形态优化。.拟机构法的提出，来源于人们对自然规律的认识，对机构施加外力时，机构自行改变原来状态在某一新状态下停留，而其停留是无弯矩平衡的自然停留。该方法可以最大限度地抑制弯矩，创构出以轴力或薄膜力为主要方式传递荷载的高效结构，对于杆系结构、网状结构、曲面结构以及它们的组合，均能很好的适用。这对建筑与结构方案的确定有着重要理论意义和工程应用价值。.基于“形图”与“力图”的对偶关系，通过引入图解静力学改进动力松弛法对壳找形，该方法总结图解静力学方法与动力松弛法的特点，在找形过程中能够直观深入的认识和了解结构中复杂的形-力关系，为建筑设计者和研究人员从新角度理解壳结构的力学性能提供帮助。.该项目从结构形态的本质出发，探索了能够使结构向整体性能最优方向“自行演变”的环境、条件、动力以及途径，建立了较为完整的空间结构形态创构方法的理论体系，均采用FORTRAN编制成各种形式的空间结构几何创建及优化程序，并且通过算例验证了方法的可靠性，获得对混合型空间结构力学性能的初步认识，探索的考虑施工便捷性的结构形态创构方法，为该类理论指导设计的建筑提供落地实践的可能，进一步推动建筑与结构设计由经验型向科学型的理论设计方法转变。.项目执行期内，累计发表SCI期刊论文3篇，EI期刊论文2篇，核心期刊论文2篇，组织成员参加国际会议4人次，发表国际会议论文2篇，参加国内会议9人次，发表国内会议论文9篇，培养博士1名，硕士7名，另有1篇已经投稿在审的EI期刊论文1篇，待撰写的与项目有关的期刊论文3篇，培养在读博士2名，在读硕士5名。