“世界教室”

項目介紹

    學習環境的質量，尤其是采光、空間和聲響等方面，切實影響著我們的學習效率和學習體驗。鑒于這一點，Future Systems建筑公司率先進行了“未來教室”的開發。

    他們的目標是打造高品質教室，讓孩子和成人能夠在一個賞心悅目、充滿靈感的環境中享受學習樂趣。此類教室打破了教師和學生的傳統角色定位，旨在激發學生的創造力和想像力。

    學生們可以在這樣的教室里相互協作，以富有創造性的方式使用各種各樣的新技術。該基礎設施將盡量“面向未來”，教師和學生可以攜帶通信設備進入教室，并將這些設備連入樓宇系統。

    學生們可以在教室的任何位置展示他們的成果，教室內外之間將建立起真正的連接。部分遮蔽的露臺可用于進行表演或者個人/小組學習，而無論是在露臺上還是在室內，都可以借助無線技術來使用ICT服務。

    教室將按照高標準采用玻璃鋼(GRP)進行預建造，不僅高效節能、持久耐用，而且具有出色的可復制性。

挑戰

設計范圍包含一個由衛生間、衣帽間和儲藏室等房間組成的服務區、一個通過屋頂通風窗進行采光的大型弧形教學區，以及一面對著露臺方向的玻璃幕墻。該建筑的環境控制策略充分利用了自然通風和日光照明。橢圓形的外包層使建筑可以保持較少的物化能消耗，并最大程度減小了表面積，從而盡量降低熱損失。

“世界教室”的有限元模型

建筑外層上指明管道最佳布局的載荷路徑

解決方案

    優化教室結構拓撲優化是針對給定的設計空間，利用有限元分析來確定最佳材料布局的過程，在此過程中，要考慮到多個設計約束。這種技術廣泛應用于航空航天和汽車市場中，用以盡量減少結構組件中所使用的材料。Future Systems及其結構工程合作伙伴Creactive Design希望探究出是否能夠利用拓撲優化技術對這個“世界教室”的創新式多功能屋頂的設計加以改良。

    Altair開發的市場領先的優化軟件解決方案——HyperWorks仿真技術套件中的OptiStruct在業內享譽盛名，因此，Creactive將合作目光投向Altair及其產品設計部Altair ProductDesign，以期他們能夠協助完成這個探索性項目。

    Altair ProductDesign的任務是確定教室屋頂的哪些位置需要進行加固，以及按照機電系統的鋪設走向還應在哪些位置進行雙重加固。在屋頂加固作業中，既要最大程度保證整個建筑的剛度，又要避免使用過多的材料。為達到這一目標，Altair ProductDesign定義了由恒載和活載組成的關鍵載荷工況，其中包括屋頂本身重量，以及風載荷、雪載荷等額外載荷和可能發生的撞擊與使用不當。該團隊使用HyperWorks套件開發出教室結構的有限元(FE)模型，并向其施加了經過確認的關鍵載荷工況。

施加載荷后的位移等值線圖

    團隊經過分析確定了在自重載荷、雪載荷、風載荷和使用不當等負載條件下，教室結構的哪些區域所受應力最大，并認為弧形外邊緣上用于緊固建筑整體結構的第一組螺栓將承受絕大部分作用力。此外，團隊通過使用OptiStruct了解到屋頂結構中的哪些位置需要使用加強筋才能達到性能目標。

    借助分析數據，Altair ProductDesign團隊能夠給出機電系統以及屋頂管道的最佳布局建議，并對照拓撲結果進行調整以保持一致，從而最大程度提高整體結構的剛度。

結論

    通過在設計流程中使用拓撲優化方法，該團隊獲取了寶貴的信息，不但深入了解了結構特性，還使大家更加有信心確保最終設計方案在應用于建造過程時會達到預期效果。

自從該項目實施后世界教室”已先后落戶于英國倫敦里士滿的Meadlands小學、Grey Court中學和Strathmore特殊學校。

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本文標題：利用優化技術改進，可復制教室環境的設計

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