設(shè)計與工程團(tuán)隊決定使用造船業(yè)開創(chuàng)的一種方法：內(nèi)部為彎曲鋼板，附有框架網(wǎng)作為承重結(jié)構(gòu)。

    占地36，000平方英尺的火車站換乘大廳是Arnhem Master Plan的核心；Arnhem Master Plan是荷蘭集辦公區(qū)、商場、住宅以及其他建筑物為一體的大型城市規(guī)劃項(xiàng)目。換乘大廳包括售票區(qū)和火車、出租車及公交車等候區(qū)、以及零售店和餐館等。由UNStudio創(chuàng)造的有機(jī)設(shè)計由一系列流暢的曲線組成。原計劃是用混凝土建造該結(jié)構(gòu)，但復(fù)雜的曲線使混凝土方案變得不可行，因此設(shè)計人員轉(zhuǎn)而采用鋼材。設(shè)計與工程團(tuán)隊并沒有使用帶承重桁架的傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)，而是決定使用造船業(yè)開創(chuàng)的一種方法：內(nèi)部為彎曲鋼板，附有框架網(wǎng)作為承重結(jié)構(gòu)。鋼結(jié)構(gòu)被分成150個小塊。這些構(gòu)建塊在建筑廠完成制造，在現(xiàn)場進(jìn)行裝配。

    CentraL Industry Group (CIG)是一家從造船業(yè)起家的公司，現(xiàn)在也服務(wù)于建筑市場。該公司獲選建造這一獨(dú)特的結(jié)構(gòu)。由于這種施工方法只在公共建筑中使用過幾次，因此需要進(jìn)行大量計算來證明全局和局部強(qiáng)度、以及設(shè)計的剛度和穩(wěn)定性。由于幾何結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，因此使用傳統(tǒng)手動結(jié)構(gòu)分析法在項(xiàng)目進(jìn)度內(nèi)進(jìn)行所需的計算并不現(xiàn)實(shí)。事實(shí)上，我們很難估計手動計算需要用多長時間。但是，CIG精通ANSYS Mechanical Parametric Design Language (APDL)，可以利用自動方法在相對短的時間內(nèi)執(zhí)行分析。

    創(chuàng)建結(jié)構(gòu)模型

    CIG的工程師首先在Rhinoceros@ 3D計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)軟件中利用建筑師提供的樓宇內(nèi)部形狀創(chuàng)建了一個承重結(jié)構(gòu)的完整模型。對實(shí)際形狀未做任何簡化。Rhinoceros無法導(dǎo)出厚度或材料，因此如果導(dǎo)出整個模型，必須手動重新創(chuàng)建厚度和材料。為了避免這個問題，CIG的工程師將Rhinoceros模型構(gòu)建為一系列子文件，每個子文件都具有恒定的厚度和統(tǒng)一的材料。該結(jié)構(gòu)主要由AH36鋼構(gòu)成。他們使用Rhinoceros腳本，以SAT格式單獨(dú)導(dǎo)出每個子文件。然后，使用APDL腳本將每個子文件導(dǎo)入到ANSYSMechanical，同時獲取每個層的厚度和材料屬性。將每個子文件轉(zhuǎn)換為ANSYS Mechanical組，這樣可方便地查看或隱藏模型的每個部分。模型由SHELL281、SHELL132、BEAM189和COMBIN14單元組成。

    全局分析

    接下來，工程師執(zhí)行全局強(qiáng)度／剛度／穩(wěn)定性分析，并首次證明了可以利用這種施工方法構(gòu)建該結(jié)構(gòu)。團(tuán)隊選擇了19種不同的載荷條件，包括重力、雪、風(fēng)和環(huán)境溫度載荷等。這些載荷條件被組合成成75種載荷。工程師使用另一個APDL腳本執(zhí)行了75次仿真，并搜索在每個單元中產(chǎn)生最高應(yīng)力的載荷組合結(jié)果。然后，腳本將每個單元的最高應(yīng)力繪制在單個結(jié)構(gòu)圖像中，這樣一眼就能看到熱點(diǎn)。腳本在結(jié)構(gòu)上確定了對每個單元產(chǎn)生最高應(yīng)力的載荷組合的編號。這種方法使工程師能夠理解結(jié)構(gòu)的性能，并節(jié)省了向客戶展示結(jié)果所需的時間。工程師在從全局模型獲得的子模型的邊界處執(zhí)行指定的平移和旋轉(zhuǎn)，以便在子模型中進(jìn)一步分析熱點(diǎn)。予模型包含更多結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和更密的網(wǎng)格。

    工程師使用全局模型來仿真屋頂結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場模塊構(gòu)建過程，以確定模塊裝配和臨時支撐上反作用力引起的剩余應(yīng)力。剩余應(yīng)力可用來定義單個結(jié)構(gòu)項(xiàng)的局部穩(wěn)定性計算裕量。反作用力可用來設(shè)計臨時支撐結(jié)構(gòu)。

    工程師執(zhí)行全局線性和非線性屈曲分析以確定結(jié)構(gòu)的全局穩(wěn)定性。另外，使用全局剛度模型來確定靠近玻璃板區(qū)域的結(jié)構(gòu)撓曲。通過仿真確定的最大撓曲大約為5cm，工程師在鋼材與玻璃之間的接頭留出小縫隙，從而解決了這個撓曲問題。

圖1 鋼結(jié)構(gòu)的Rhinoceros模型

圖2 標(biāo)準(zhǔn)剛度配置與另一領(lǐng)先配置之間的絕對差

圖3 從需要“全局”子模型的區(qū)域得到的全局分析結(jié)果

圖4 通過全局強(qiáng)度分析確定的每個單元的最高應(yīng)力值

    支撐結(jié)構(gòu)差異建模

    車站大廳建在停車場等不同混凝土結(jié)構(gòu)的上方。工程師使用彈簧單元將這些結(jié)構(gòu)和下面土地的垂直剛度包含到模型中。承包商使用一種不同的有限元軟件套件對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

    對于19種載荷條件中的每一種，工程師都反復(fù)在鋼結(jié)構(gòu)ANSYS模型與混凝土結(jié)構(gòu)分析之間迭代，同時改變支撐結(jié)構(gòu)處的指定水平平移，直到兩個模型的水平運(yùn)動和反作用力相等為止。

    工程師利用數(shù)組表中一系列垂直彈簧常數(shù)創(chuàng)建APDL腳本，以通過不同彈簧值進(jìn)行迭代。這使ANSYS模型能夠確定支撐結(jié)構(gòu)屬性變化的效果。例如，如果某個支撐結(jié)構(gòu)的剛性值比規(guī)范值高100%，這會如何影響鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力，如何影響支撐結(jié)構(gòu)的反作用力呢？該分析可為混凝土停車結(jié)構(gòu)的建造者提供結(jié)構(gòu)約束。另一個APDL腳本則將標(biāo)準(zhǔn)剛度配置與剛度變化之間的差別繪制在結(jié)構(gòu)上，以確定處理支撐結(jié)構(gòu)變化所需的安全裕量。在計算支撐結(jié)構(gòu)以及下節(jié)介紹的局部穩(wěn)定性時需要這個裕量。

    在建設(shè)之前利用仿真來測試建造方法，建筑師能夠設(shè)計出前所未有的創(chuàng)新建筑結(jié)構(gòu)。

圖5 缺陷形狀的非線性失效分析(GNIA)

圖6 單個板的模型

    調(diào)整單個板的大小

    荷蘭和國際建筑規(guī)范都沒有指定具體方法來確定具有復(fù)雜曲線的板材的穩(wěn)定性，因此工程師在ANSYS Mechanical中使用APDL腳本研發(fā)了一種分析方法。

    APDL腳本在包含高度彎曲的區(qū)域和承重區(qū)域內(nèi)從全局模型中創(chuàng)建子模型。這些子模型包含更多細(xì)節(jié)和更精細(xì)的網(wǎng)格。將全局分析中的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)力作為邊界條件，以表示板材中的應(yīng)力。簡單地從平面外方向支撐邊緣。

    當(dāng)建造金屬薄板結(jié)構(gòu)時，幾何結(jié)構(gòu)無法完全匹配模型，因此需要有一定公差。為了將這些缺陷考慮在內(nèi)，需要在孤立板材上執(zhí)行線性屈曲分析。計算得到的最關(guān)鍵屈曲形狀可作為非線性分析的起始幾何結(jié)構(gòu)。工程師對屈曲形狀的位移進(jìn)行縮放，以符合建筑規(guī)范的最大允許缺陷。執(zhí)行針對缺陷的幾何非線性彈性屈曲分析(GNIA)，以評估板材失效時的應(yīng)力等級。在上文所述的變化分析中，確定了應(yīng)力可能因支撐結(jié)構(gòu)的變化而比分析得到的預(yù)測值高出10%，因此應(yīng)將最大允許應(yīng)力值減小10%。此外，考慮到上文所述的模塊構(gòu)建過程中計算出的剩余應(yīng)力，最大允許應(yīng)力值還要進(jìn)一步減小。APDL腳本自動執(zhí)行整個過程，并生成客戶報告所需的相關(guān)數(shù)字、圖表和計算數(shù)據(jù)。

    該項(xiàng)目說明了APDL能夠自動執(zhí)行復(fù)雜分析過程。如果使用傳統(tǒng)的手動計算方法，這個項(xiàng)目所花費(fèi)的時間將會超出項(xiàng)目研發(fā)周期。APDL腳本使得整個分析能夠高效、及時完成。如果沒有仿真，這個建筑結(jié)構(gòu)就無法得到驗(yàn)證，并有可能無法完成建設(shè)。在建設(shè)之前利用仿真來測試建造方法，建筑師能夠設(shè)計出前所未有的創(chuàng)新建筑結(jié)構(gòu)。

    專門介紹當(dāng)代建筑與設(shè)計的出版物《AZURE雜志》．將Arnhem中央車站評為2015年十大最佳建筑。

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本文標(biāo)題：仿真應(yīng)用于建筑設(shè)計創(chuàng)新

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