研 发 背 景

　　随着现代建筑材料和施工技术的发展，人们对于室内大空间的需求日益提高，一大批高标准、高规格的体育场馆、会展、高铁站房和航站楼等复杂空间结构如雨后春笋般出现在全国各地，成为各地新的地标性建筑。

　　对于这种形态复杂的空间结构，建筑外型的确定与结构计算分析是密不可分的。过去采用传统方式建立分析模型往往效率低下，且需不断导入导出并修改模型，难以应付大量的方案比选工作。

　　中建八局新型建造工程公司设计研究院基于Rhino及其Grasshopper平台，构建复杂空间结构智能化设计程序，探究利用参数化平台快速、准确地实现复杂空间结构的设计和深化。

　　当前，复杂空间结构的设计还普遍存在以下问题：一是曲面结构尤其是自由曲面结构的建模方法通用性不强，网格划分难度大、质量不高；二是结构建模、计算分析及深化设计软件之间还存在一定的壁垒，导致结构全过程设计效率低下，也容易增加出错的概率。

　　新型建造设计研究院研发团队基于参数化设计理念，查阅资料、交流调研、总结经验，借力计算机技术进行方案比选，开发相关的参数化插件，并在实际应用过程中优化改进、提炼总结，形成成套技术。

　　关键技术1

　　不同类型空间结构的智能化建模技术

　　规则曲面结构网格智能划分技术

　　智能化设计从网格质量的角度出发，以长度以及网格质量形状系数控制为指标，创新研究开发了基本单元法、多面体法等网格划分技术，解决了传统网格划分方法所构建的网壳结构均匀性不够理想，且杆件长度差异大，工业生产效率低、现场构件管理不方便等难题。

　　自由曲面结构网格智能划分技术

　　自由曲面空间网格结构是指结构整体几何形态不能用解析函数精确表达或拟合，并能以任何方式自由变化的空间网格结构。

　　智能化设计创新提出等边三角形填充法和基本单元法，可以对自由曲面进行均匀划分，再根据kangaroo插件进行优化，得到高质量的网格结构。通过多个案例详细论证，综合比较其力学性能和流畅性，证明了该方法具有很好的适应性、有效性和优越性，有助于提高自由曲面结构的建筑美学和力学性能。

　　▲ 不同划分方法曲面网格比较

　　特殊结构的智能化建模技术

　　对于一些特殊类型结构，如旋转楼梯、不同类型桁架、网架或曲面网壳等，智能化设计成果基于Rhino和Grasshopper平台开发了相关的参数化插件，工程师只需按一定逻辑将封装好的节点进行连线，便可快速准确地完成参数化模型创建，避免重复工作，显著提高了设计效率。

　　关键技术2

　　基于参数化的空间结构计算及优化设计技术

　　结构建模与计算软件实时联动技术

　　在Grasshopper与SAP2000等计算软件之间，基于python、VB和C#语言编写代码电池，通过直接插件或API接口实现智能化连接。新型建造设计研究院开发了材料、构件、约束、荷载定义等整套插件，结合Excel表格的数据处理功能，使结构设计更加便捷和高效。

　　▲ Sap2000软件接口整套插件

　　▲ 计算结果在参数化平台联动电池

　　▲ 计算结果在参数化平台实时显示

　　结构优化参数化实现技术

　　利用参数化设计平台调用结构计算分析软件数据，通过参数控制，实现结构建模、计算分析和优化设计全过程自动运行，大幅提高结构优化调整效率，为结构设计创效提供强有力的技术手段。

　　▲ 参数化平台中优化算法设置

　　关键技术3

　　基于参数化的空间结构深化设计技术

　　结构建模与深化设计软件实时联动技术

　　为寻找提高深化设计建模效率的方法，智能化设计通过Grasshopper平台，编写相关插件将结构线模导入深化设计软件，通过调用已有的截面和节点库对线模进行截面和节点的赋值，获得最终完整的结构深化模型。

　　▲ 参数化建模软件与深化设计软件联动

　　结构计算分析与深化设计软件实时联动技术

　　深化设计结果的反馈将有利于提高结构设计的合理性、经济性和可实施性。参数化平台打通结构计算分析与深化设计软件之间的实时联动，有助于实现结构建模、计算分析及深化设计三者之间的一体化推进，为结构全过程智能化设计提供了强有力的技术支撑。

　　▲ 自由曲面结构建模、计算分析及深化设计一体化设计

　　工程应用

　　济南黄河体育中心专业足球场

　　项目位于山东省济南市新旧动能转换起步区，总建筑面积为19.7万平方米，整体高度约60米，是山东省首个6万座足球场。

　　针对项目大跨度复杂空间钢桁架结构，设计团队利用智能化设计技术，有效的解决了结构设计中网格建模、参数修改、计算分析等难题，并在施工模拟验算时自行研发了弹性支撑卸载法，建立了包含5万余个构件、45个施工模拟步骤的计算模型，考虑全过程温度及风荷载影响、滑动支座摩擦性能影响，设计了临时支撑系统，保证了施工方案合理可控，为工程顺利实施保驾护航。

　　广州中新科技文化艺术中心

　　项目位于广州市黄埔区九龙大道西侧，占地面积约2.7万平方米，建筑面积约7.2万平方米，由科学技术馆、公共艺术馆、文化馆三大功能组成为“三馆合一”超低能耗绿色建设项目。

　　设计团队自投标阶段即开始参与屋盖钢结构的方案设计，分别对网架结构、管桁架结构及网壳结构等多种体系进行分析，对比杆件规格、应力比、位移等结构性能，并估算用钢量。在项目中标后继续参与节点设计和项目组织，针对施工方案进行优化策划，开展施工过程模拟验算和临时技措计算等相关工作，协助项目各参建方的沟通交流，提出多项合理化建议并得到采纳。

　　研发成果

　　智能化设计成果已受理发明专利2项，授权计算机软件著作权2项，发表论文2篇，并形成技术研究报告1份，综合报告1份。根据科技项目咨询报告和上海市土木工程学会成果评价，成果达到国际先进水平。

　　复杂空间智能化设计成果可为工程项目结构优化创效提供强有力的技术支撑，促进工程高效设计、成本节约。中建八局将继续打造钢结构领域特色品牌，推动行业技术进一步发展。

　　原标题：《【设计引领】中建八局以智能化设计让复杂空间结构化繁为简》

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