前言

     本文先利用連續體變密度拓撲優化的技術，嘗試探索了“鳥巢”大型空間曲面網狀承載結構的設計方法，得到原生的概念結構，最后利用inspire工具，設計了新型自然的鳥巢結構。驗證了基于變密度拓撲優化方法應用在建筑結構領域法的優勢和適用性。最終效果如下圖。       

1、背景介紹

        國家體育場“鳥巢”是中國宏大雄偉、新穎亮麗的標致性體育建筑，世人矚目。整個主體建筑通過巨型網狀結構聯系，內部沒有任何支撐， 賦予體育場以不可思議的戲劇性和無與倫比的震撼力。“鳥巢”的屋蓋呈雙曲面馬鞍型，東西軸長298 米、南北軸長333 米，最高點69 米、最低點40 米，中間為長橢圓形開口。主架圍繞屋蓋中間的開口放射形布置, 與屋面及立面的次結構一起形成了“ 鳥巢” 的特殊建筑造型。結構用鋼量達到4.2萬噸，搭建“鳥巢”的主桁架重達1.4 萬噸，桁架柱重約1.7萬噸，主桁架和桁架柱一起形成如圖1、圖2的主要承載體系。

        如此大跨度的鋼結構，如何能高效的承受幾萬噸的自重，風力載荷和地震載荷？

        本文利用簡化的鳥巢模型，借助Altair產品的變密度拓撲優化技術，嘗試探索大型空間曲面網狀結構的優化設計方法，拓撲優化結果如圖3、圖4所示：

                               圖3  網狀加強結構                                                   圖4 主桁架結構

2、模型設置

      分別利用體單元模型和殼單元模型進行了優化分析，網格模型如下圖所示：

    結構載荷包括：自重、風載荷、地震載荷；

    約束條件：結構接地邊界的自由度。

    優化變量：所有設計空間。

    約束條件：體積分數＜0.3。

    優化目標：加權應變能最小。

3、路徑解讀

    將拓撲結果利用多邊形建模工具進行結構轉化，具體過程如下所述：

①創建參考平面：在inspire利用草繪工具，創建參考平面，如下圖：

②內路徑設計：利用wrap工具，根據優化結果，設計內傳力路徑，如下圖：

③主支撐立柱設計：利用wrap、bridge工具，根據優化結果，設計內傳力路徑，如下圖：

④生成整體模型：根據結構的對稱性，利用鏡像工具，生成整體承載結構，如下圖：

4、課題總結

     本文利用Ispire的先進優化工具及高效的拓撲路徑解讀工具，設計了鳥巢式空間曲面結構。本文中的模型對鳥巢結構及載荷進行了適當簡化，旨在進行結構設計方法的交流與探索。

     最后附上模型及建模視頻，供交流使用。

cut_mirror.zip