[發(fā)明專利]一種柔性建筑的建造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201610247120.0
• 申請日: 2016-04-20
• 公開（公告）號: CN105888068B
• 公開（公告）日: 2017-12-26
• 發(fā)明（設計）人: 黃卓駒;丁潔民;張崢;張月強
• 申請（專利權）人: 同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司
• 主分類號: E04B1/34
• 分類號: E04B1/34
• 代理公司: 上?？剖⒅R產(chǎn)權代理有限公司31225
• 代理人: 葉敏華

技術領域

本發(fā)明屬于建筑結構技術領域，尤其是涉及一種柔性建筑的建造方法。

背景技術

力是物體之間的相互作用，這是一種抽象的概念，結構是承載這一抽象概念的具體事物。在實際的建筑結構中，結構的形狀與其受力特點是緊密相關的，結構在荷載下承受壓力為主的“拱作用”和“殼作用”時，相比受彎為主的“梁作用”“板作用”時，具有更高的剛度和更大的承載能力，從這個角度說，前者比后者更合理。而從材料性能角度，相比拱和殼、承受拉力的索膜結構由于沒有屈曲問題，材料強度能完全發(fā)揮，因而又具有更高的結構效率。

從材料力學的角度看，合理的結構，其形態(tài)走向與主應力方向一致，材料分布與主應力大小一致?？梢哉f，合理的形態(tài)正是對材料中力的真實呈現(xiàn)。在結構設計中有“找形(Form Finding)”的說法，即尋找力學效率高的結構形狀，實際上是對形狀的優(yōu)化。這種優(yōu)化有兩方面，一方面是對剛性結構優(yōu)化，使得結構在成立的基礎上變得效率更高；另一方面是對柔性結構的優(yōu)化，使得結構從不成立變?yōu)槌闪ⅰ?/p>

在計算機還沒有出現(xiàn)的時代，建筑師和工程師利用物理實驗的方法來尋找合理的結構形態(tài)，如倒掛法、尋找索膜形狀的彈性膜法等。

隨著計算機技術的發(fā)展，目前可以通過計算機技術進行找形。其思路大致有兩種，一是從形狀的角度出發(fā)，通過不斷改變結構形狀尋找合理的內(nèi)力分布，如力密度法、動力松弛法、有限單元法等；二是從力的角度出發(fā)，不斷刪去內(nèi)力小的單元，“雕琢”出合理的形狀，如BESO法等。

找形是建筑與結構兩大專業(yè)的一個重要的結合點，但在現(xiàn)實中，建筑師往往沒有足夠的結構和力學概念來進行合理的找形，而不經(jīng)過找形的柔性結構是沒有剛度的，不能承擔外荷載的作用，結構工程師無法進行計算。建立一種使建筑師容易理解、使工程師容易計算的柔性結構形狀確定方法，有相當大的實用意義。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種適用范圍廣的柔性建筑的建造方法。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn)：一種柔性建筑的建造方法，僅通過柔性建筑結構的幾何關系確定結構形狀，過程不涉及力的概念，在形狀確定后再計算內(nèi)力分布，使得內(nèi)力在確定的形狀下達到平衡，從而讓柔性建筑結構獲得能承受外荷載的應力剛度，該方法包括以下步驟：

(1)給定柔性建筑結構的初始狀態(tài)并指定各節(jié)點的初始位置；

(2)建立索段與節(jié)點之間連接的拓撲關系，并在計算機中用數(shù)據(jù)結構表示；

(3)建立對稱的權值矩陣，用于表達節(jié)點之間的權重；

(4)引入邊界條件，指定某些節(jié)點為固定點；

(5)除指定為邊界的固定節(jié)點外，通過迭代的方式移動節(jié)點；

(6)如果下一次迭代的節(jié)點最大移動距離小于閾值或達到最大迭代次數(shù)，執(zhí)行步驟(7)，否則，返回步驟(5)；

(7)獲取最終的節(jié)點位置與柔性建筑結構的形狀；

(8)根據(jù)最終的節(jié)點位置，以最終索段的長度乘以其兩端節(jié)點之間的權重作為比例，向索段中引入內(nèi)力，使柔性建筑結構中的內(nèi)力平衡；

(9)加工建造。

所述的步驟(5)中，將柔性建筑結構中的節(jié)點看作網(wǎng)格頂點，索段看作網(wǎng)格的邊，采用加權拉普拉斯平滑法的網(wǎng)格平滑法移動節(jié)點至與其相連接的其他節(jié)點坐標的加權平均值位置。

所述的步驟(5)具體為：對某一節(jié)點鄰域中各個頂點取不同的權重，通過多次迭代循環(huán)，將節(jié)點移動到其鄰域的重心處，即

其中，x_j是j節(jié)點的空間坐標組成的向量，x_i為j鄰域中第i個節(jié)點的空間坐標向量，n為j節(jié)點鄰域中節(jié)點的個數(shù)，為i節(jié)點相對j節(jié)點的權重。

所述的步驟(8)具體為：以節(jié)點j為起點、以與該節(jié)點j通過索段相連的節(jié)點i為終點，構造方向向量x_i-x_j，構造力密度并且同一根索段中的內(nèi)力相等， 即則通過調(diào)節(jié)節(jié)點的權重改變?nèi)嵝越ㄖ男螤睿@得使結構平衡的內(nèi)力分布，

其中，x_j是j節(jié)點空間坐標組成的向量，x_i為j鄰域中第i個節(jié)點的空間坐標向量，n為j節(jié)點鄰域中節(jié)點的個數(shù)，為i節(jié)點相對j節(jié)點的權重，q為給定的基準力密度，q_i為對基準力密度賦予權重后的加權力密度，F(xiàn)_ji為j節(jié)點中方向指向i節(jié)點的節(jié)點力。

所述的步驟(9)具體為：按照索段的材料、截面、預應力反求索段的下料長度，進行加工建造。

權重滿足