受拓扑优化启发的现代体育场设计

每四年一次,奥运会将成千上万的运动员和观众聚集在一起,参加最大的国际体育赛事之一。一个国家举办奥运会的机会使他们能够对自己的文化和创新的未来发表艺术声明。例如, 中国著名的 2008 年奥运会体育场 被昵称为“鸟巢”,因为用来支撑它的结构梁类似于在鸟巢中发现的错综复杂的编织树枝,这是该项目的灵感来源。

为了支持申办奥运会,东道国通常会建造全新的体育场馆和其他基础设施,这需要仔细规划,当然也需要大量资金。对于像体育场这样大的项目,准备时间又这么短,确保设计可行、美观且在预算范围内是最重要的。  

尽管时间紧迫且预算有限,但现代模拟软件使建筑师能够创建创新且结构合理的体育场,同时在设计中仍然展示一个国家文化和生活方式的关键特征。使用 拓扑优化,设计师可以自由地解释新概念的加载模式,而不会冒结构问题的风险。 

Altair® 启发 加速创新、结构高效的零件和组件的创建、优化和研究。其拓扑优化技术旨在反映骨骼如何响应人体压力而生长。仿生学启发的方法使设计工程师能够在设计空间内产生有机外观的载荷路径,并确保整体结构使用尽可能少的材料满足强度和刚度目标。结果是美观且实用的设计也受益于材料成本的节省。 

Altair 的工程师使用 Inspire 通过拓扑优化创建了一个体育场概念,这种方法影响了许多过去的奥林匹克体育场项目。

使用 Altair Inspire 创建的 Colossus 体育场设计项目模型。
使用 Altair Inspire 创建的 Colossus 体育场设计项目模型。

我们采访了 Altair 全球建筑工程与施工高级总监 Luca Frattari,以深入了解他的“巨像”体育场博士项目的灵感,以及他对计算机辅助工程 (CAE) 在建筑中的应用的见解将来会看起来像。 

Colossus 项目的灵感是什么?您希望通过这个技术演示器展示什么技术和方法?

在这个项目中,我试图利用我们可用的优化技术,即应用于三维域的拓扑优化。体育场上的每一个环都由不同的建筑细节制成。体育场有两个对称轴,因此如果您将设计的四分之一镜像两次,它将模仿整个设计布局。当这个项目在 2010 年进行时,我们没有足够强大的计算机来处理这种大小的模型,所以我们一次只能处理它的四分之一。从研究的角度来看,目的是利用拓扑优化来获得尽可能多的洞察力。如果仔细观察外圈,它与中圈和底圈不同,每个圈的支撑设计都略有不同。我的目标是避免技术的局限性,只是为了看看我可以获得什么类型的结果并创建对建模结果的字面解释。我没有将结构合理化为由标准梁、杆或线性元素组成。我想有尽可能多的连接,让结构的流动从上到下“移动”。当时作为一名设计师,我想看看我可以用这种方法创造多少。这让我想到了你在这张照片中看到的东西,比你通常在这样的设计中看到的更倾向于美学。 

 

使用拓扑优化技术重新设计体育场。
使用拓扑优化技术重新设计体育场。

你能引导我们完成重新设计的过程吗?

在 Inspire 中,这个版本是用钢筋混凝土制成的,但正如你在这里看到的,解释很重,这意味着设计师从原始设计中提取了大量信息,并创建了一个与最初概念截然不同的新版本。它在结构上更加精明,因为它已经嵌入了既定的结构概念,但它并不一定要突破审美界限,所以这就是我想要用最新的解释来做的。澄清一下,这个项目的范围是证明这项技术可以产生这些类型的概念,但不会取代设计师。衍生式设计可能感觉像是将设计师从设计中抽离出来,但实际上,它增强了设计师必须具有创造力的能力。这项技术不仅能让设计师探索新的形状,还能创造出“开箱即用”的结构设计,这些设计理论上在结构上也是合理的。 

使用钢筋混凝土材料诠释体育场。
使用钢筋混凝土材料诠释体育场。

拓扑优化是否在其优化中考虑了材料?用户能否评估不同的材料以评估成本和性能的权衡?

在设计的早期阶段,根据项目所需的材料密度或特性,您选择的材料类型可能无法用于最终设计。也许你知道它的风格,并希望它成为一个非常传统的体育场,就像英国足球场一样,或者像你现在在中东看到的一些体育场一样更加有机。当然,在改变材料和改进性能、刚度或特别是成本方面存在权衡。制造约束有时比材料更能影响优化结果。但在这个层面上,我们正在宏观层面上工作,并试图确定材料应该去哪里以及需要多少。 

在我的研究过程中探索所有这些结构见解非常直观。你可以设计一个形状,它可以是一个非常先进的设计,但你必须接受结构完整性的潜在妥协。出于多种原因,您可能会发现,例如,您无法生产特定长度的柱子或悬臂,因为材料和时间不可能或不符合规定。设计过程越详细,您将面临的限制就越多。在这个阶段,想法是探索形状。通过在早期阶段使用模拟,您可以开发一个艺术愿景,一个形状,您知道大致可行,这样下游您就不必做出可能会破坏结构的某些艺术完整性的巨大妥协。 

虽然突破设计的极限,看看你可以用不同的材料和设计创造什么很重要,但创作者必须牢记,奥林匹克体育场是国家表达文化和技术进步的媒介。因此,这个国家的文化首先需要被视为他们生活方式的象征,并为奥运会而聚在一起。 

我相信像 Inspire 这样的工具可以帮助这些项目的概念化,因为我的架构师看到了快速创建这些类型概念的优势,同时避免了代价高昂的设计错误和废弃工作的风险。  

在初始设计期间,体育场设计的哪些领域最重要?是否有外部观察者不太明显的区域也受益于减轻重量的优化? 

一般来说,在设计体育场馆时,显然有一些强制性的设计要求需要考虑,包括结构安全性、可达性和成本。在这种情况下,在概念阶段,我的兴趣在于支撑物或柱子。对我来说,这些元素可以真正展示我们所讨论过的此类技术的潜力,因为我认为几乎不可能将这些类型的元素可视化,这些元素可以将一层连接到另一层,就像这张图片一样。创造各种形状的可能性对我来说很有吸引力。如果朝顶部看第一个和第二个环,可以看到有 45 度的倾斜。倾斜部分的目的是确保地板不会在任何地方移动或倒塌,这是摩天大楼或非常高的建筑物的特征。这是您在概念层面无法想出的东西,而模拟和衍生式设计将设计师的能力提升到一个新的水平。设置负载后,您可以在该技术中获得真正独特的形状和结构建议。

Inspire 技术支持大型结构的有机生成设计,如图所示。
Inspire 技术支持大型结构的有机生成设计,如图所示。

体育场设计中最具挑战性的方面有哪些? 

当然,安全是建筑师、设计师和工程师应该关注的地方。有多种设计方案需要考虑,在 Inspire 中的 SimSolid 求解器中,您可以评估复杂组件(如体育场)的结构可行性,并在几分钟内获得分析结果。对于体育场等建筑物,您需要考虑地震作用或由跺脚或跳跃等动作引起的感应振动,以确定这些动作何时以及如何影响结构。这种规模的结构每年可能会被数千人占用,并且在任何情况下,人群都可以开始欢呼和跳跃,因为他们的团队赢得了比赛,因此您需要考虑此类场景可能产生的负载。 

您有最喜欢的奥运场馆设计吗?从设计的角度来看,这座体育场如何使它如此具有创新性?

弗雷·奥托 (Frei Otto) 设计的 1972 年慕尼黑奥林匹克体育场。这是一个美丽的设计,融合了湖泊、景观,结构的屋顶由钢索和顶部的玻璃板组成。这只是一个非常雄伟的结构。 Otto 以创造轻量级设计和原型而闻名,他们有足够的胆量设计出当时如此雄心勃勃的东西,并具有风格和非常强大的技术背景。 

慕尼黑奥林匹克体育场
慕尼黑奥林匹克体育场

土木工程仿真的现状如何?您如何看待 CAE 在未来发展的大型建筑项目中的使用?

我想说的是,CAE 在土木工程中有大量用途,在 3D 结构设计和优化中占有重要地位。所有在这些领域在奥林匹克体育场层面工作的公司都已经拥有经验和必要的工具。大多数时候,我什至会说他们牵头起草行业设计标准,并针对诸如风测试或抗震设计等学科进行改进。 

CAE 将在简化大型建筑项目的工作流程方面发挥更大的作用。这个领域的公司需要一种方法来进行设计更改,而不会仅仅由于其规模而影响其现有工作。假设有一个十个步骤的过程,无论设计更新必须发生在何处,他们都需要工具来根据需要启用更改,而设计的其余部分应该自动更新并适应该更改。它可能是项目截止日期的重大变更或最后一刻的变更。在奥运会上,他们可能会在开幕式前24小时完成园林绿化,因此时间至关重要。或者可能影响结构的美学变化,但您不希望这种变化需要繁琐的模型更新或对单个模型细节的手动工作。这些是影响工程、咨询和整个项目团队的成本。

我看到越来越聪明地采用 CAE,尤其是对于不同平台之间的数据流。公司正在花费更多资金来避免常见的设计瓶颈,因为他们希望在其技术之间具有渗透性。他们正在从最好的供应商那里寻找最好的工具,有了 Altair,您可以在一个平台下访问所有必要的结构分析和优化工具,并为您提供完整的 CAD 连接和模型传输解决方案。 

要了解有关使用模拟驱动设计改进建筑结构的更多信息,请访问 www.altair.com/civil-engineering/.