設(shè)計(jì)與工程團(tuán)隊(duì)決定使用造船業(yè)開(kāi)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(chē)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(chǎng)、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(chē)、出租車(chē)及公交車(chē)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(jì)由一系列流暢的曲線(xiàn)組成。原計(jì)劃是用混凝土建造該結(jié)構(gòu)，但復(fù)雜的曲線(xiàn)使混凝土方案變得不可行，因此設(shè)計(jì)人員轉(zhuǎn)而采用鋼材。設(shè)計(jì)與工程團(tuán)隊(duì)并沒(méi)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(kāi)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(gè)小塊。這些構(gòu)建塊在建筑廠完成制造，在現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)。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(guò)幾次，因此需要進(jìn)行大量計(jì)算來(lái)證明全局和局部強(qiáng)度、以及設(shè)計(jì)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(dòng)結(jié)構(gòu)分析法在項(xiàng)目進(jìn)度內(nèi)進(jìn)行所需的計(jì)算并不現(xiàn)實(shí)。事實(shí)上，我們很難估計(jì)手動(dòng)計(jì)算需要用多長(zhǎng)時(shí)間。但是，CIG精通ANSYS Mechanical Parametric Design Language (APDL)，可以利用自動(dòng)方法在相對(duì)短的時(shí)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(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(gè)承重結(jié)構(gòu)的完整模型。對(duì)實(shí)際形狀未做任何簡(jiǎn)化。Rhinoceros無(wú)法導(dǎo)出厚度或材料，因此如果導(dǎo)出整個(gè)模型，必須手動(dòng)重新創(chuàng)建厚度和材料。為了避免這個(gè)問(wèn)題，CIG的工程師將Rhinoceros模型構(gòu)建為一系列子文件，每個(gè)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(gè)子文件。然后，使用APDL腳本將每個(gè)子文件導(dǎo)入到ANSYSMechanical，同時(shí)獲取每個(gè)層的厚度和材料屬性。將每個(gè)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(gè)部分。模型由SHELL281、SHELL132、BEAM189和COMBIN14單元組成。

    全局分析

    接下來(lái)，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(duì)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(gè)APDL腳本執(zhí)行了75次仿真，并搜索在每個(gè)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(gè)單元的最高應(yīng)力繪制在單個(gè)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(duì)每個(gè)單元產(chǎn)生最高應(yīng)力的載荷組合的編號(hào)。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(hù)展示結(jié)果所需的時(shí)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(lái)仿真屋頂結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場(chǎng)模塊構(gòu)建過(guò)程，以確定模塊裝配和臨時(shí)支撐上反作用力引起的剩余應(yīng)力。剩余應(yīng)力可用來(lái)定義單個(gè)結(jié)構(gòu)項(xiàng)的局部穩(wěn)定性計(jì)算裕量。反作用力可用來(lái)設(shè)計(jì)臨時(shí)支撐結(jié)構(gòu)。

    工程師執(zhí)行全局線(xiàn)性和非線(xiàn)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(lái)確定靠近玻璃板區(qū)域的結(jié)構(gòu)撓曲。通過(guò)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(gè)撓曲問(wèn)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(duì)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(guò)全局強(qiáng)度分析確定的每個(gè)單元的最高應(yīng)力值

    支撐結(jié)構(gòu)差異建模

    車(chē)站大廳建在停車(chē)場(chǎng)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(duì)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模。

    對(duì)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(shí)改變支撐結(jié)構(gòu)處的指定水平平移，直到兩個(gè)模型的水平運(yùn)動(dòng)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(guò)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(gè)支撐結(jié)構(gòu)的剛性值比規(guī)范值高100%，這會(huì)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(chē)結(jié)構(gòu)的建造者提供結(jié)構(gòu)約束。另一個(gè)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(jì)算支撐結(jié)構(gòu)以及下節(jié)介紹的局部穩(wěn)定性時(shí)需要這個(gè)裕量。

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

圖5 缺陷形狀的非線(xiàn)性失效分析(GNIA)

圖6 單個(gè)板的模型

    調(diào)整單個(gè)板的大小

    荷蘭和國(guó)際建筑規(guī)范都沒(méi)有指定具體方法來(lái)確定具有復(fù)雜曲線(xiàn)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(jiǎn)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(shí)，幾何結(jié)構(gòu)無(wú)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(xiàn)性屈曲分析。計(jì)算得到的最關(guān)鍵屈曲形狀可作為非線(xiàn)性分析的起始幾何結(jié)構(gòu)。工程師對(duì)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(duì)缺陷的幾何非線(xiàn)性彈性屈曲分析(GNIA)，以評(píng)估板材失效時(shí)的應(yīng)力等級(jí)。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(cè)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(guò)程中計(jì)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(dòng)執(zhí)行整個(gè)過(guò)程，并生成客戶(hù)報(bào)告所需的相關(guān)數(shù)字、圖表和計(jì)算數(shù)據(jù)。

    該項(xiàng)目說(shuō)明了APDL能夠自動(dòng)執(zhí)行復(fù)雜分析過(guò)程。如果使用傳統(tǒng)的手動(dòng)計(jì)算方法，這個(gè)項(xiàng)目所花費(fèi)的時(shí)間將會(huì)超出項(xiàng)目研發(fā)周期。APDL腳本使得整個(gè)分析能夠高效、及時(shí)完成。如果沒(méi)有仿真，這個(gè)建筑結(jié)構(gòu)就無(wú)法得到驗(yàn)證，并有可能無(wú)法完成建設(shè)。在建設(shè)之前利用仿真來(lái)測(cè)試建造方法，建筑師能夠設(shè)計(jì)出前所未有的創(chuàng)新建筑結(jié)構(gòu)。

    專(zhuān)門(mén)介紹當(dāng)代建筑與設(shè)計(jì)的出版物《AZURE雜志》．將Arnhem中央車(chē)站評(píng)為2015年十大最佳建筑。

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