计算机软件建筑结构优化设计

　　这篇计算机工程师论文发表了计算机软件建筑结构优化设计，计算机软件建筑结构优化设计是一种新建筑技术，通过建立数学模型对计算机参数进行调整优化，论文对计算机优化设计的难点进行了深入分析，给出了计算机优化设计的解决方案，以实现对建筑几何空间结构的优化设计。

　　关键词:计算机工程师论文,计算机软件,建筑结构

　　引言

　　伴随当代建筑设计独特需求的发展和信息技术的进步,基于计算机软件的建筑结构优化设计CDO(ComputerDesignOptimization)已变成建筑设计师优化结构的终极目标[1]。其中,建筑信息模型BIM的建立是建筑结构计算机优化设计的重要内容。伴随BIM建筑模型定义的明确和有关软件的开发,为建筑设计工程师提供了一系列设计优化手段和方式。BIM不仅是一个简单的建筑模型,还是关于建筑信息化的应用,即实现建筑整个生命周期的可视化和建筑参数的数字可控化,使得建筑结构优化更便捷、更直观。事实上,基于计算机软件的建筑结构设计优化的关键是在建立建筑结构信息模型时,使其参数的数字化和可控化,再通过调整参数和组合应用实现建筑结构优化目标。在该过程中,制定了多种建筑结构优化方案,且量化了对比分析结果,使选择更便捷、准确。基于计算机软件的建筑结构优化设计的关键在于建立计算机模型和参数可控化[3]。建筑模型和结构模型各不相同,前者更偏重于建筑的空间几何,每个参数都依据几何信息选定的;后者更偏重于结构物理特征,每个参数都依据物理特征选定的。然而建筑最终带来视觉体验,是各几何空间的有序结合,其物理特征属于内在元素,很难被用户所感知。

　　1基于计算机软件的建筑结构优化设计的难点

　　通常来讲,建筑信息模型BIM是建筑结构计算机优化设计的重要内容,提供了一系列设计优化选择。BIM技术是通过建立建筑信息模型,来模拟和优化建筑设计、施工、运营和维护等整个过程的相关问题[5]。比如,任何建筑构件的大小都会影响建筑面积,构件大小又受到结构和材质的影响,建筑构件材质、大小和建筑面积都可用于成本核算,然而这些因素之间的联系复杂,难以直观判断出来,那么就要使这些元素参数化,以参数调整方式量化对比分析结果,使得建筑结构优化更快速、更便捷。

　　2针对建筑结构计算机优化设计的解决方案

　　2.1建筑模型阶段关于建筑模型的构建,是从建筑几何信息数字化着手,这个过程的参数可控是依据几何信息确定的,通过三维建模软件构建建筑模型[8]。在此阶段,主要应用的软件有以下几种:

　　(1)Revit软件Revit软件是由Autodesk公司开发,主要用于构件BIM建筑模型,具体见下图1所示。该软件支持全方位建筑信息模型的构建,融合了多专业的理论内容,实现了界面的可视化,出图效果较好。同时,该软件偏向于可视化功能,还未设置建筑结构的参数调整优化功能,只能通过信息输入模块实现系统平台的图形信息输入[9]。

　　(2)Rhino软件如今,建筑设计人员对建筑外型曲线的审美有所变化,需要软件具有将数学公式转变为图形的功能。Hinoceros软件是RobertMcNeel&Associates公司研发的基于NURBS理论的三维建模软件[10],已成功从市场上各类三位建模软件中脱颖而出,被广泛运用到产品设计、建筑优化、动画制作等方面。该软件除了具备输出三维格式文件的功能之外,还是一个公开的系统平台,除了公司研发的Bongo、Flamingo等插件外,还提供了免费的SDK研发工具,支持客户编写支持Rhino三维软件的专用插件,某种程度上拓展了软件功能,具体见下图2所示。

　　2.2结构模型阶段

　　通过上述方式构建了建筑几何模型之后,需在各几何空间内建立结构框架,也就是通过空间线条划分断面和结构特征,将单一的几何空间转变为能承受一定重力的空间结构[12]。在该过程中,不仅要明确新几何参数,还要选定材质、大小、硬度、扩展性等物理特征参数,用于分析结构材质和特征,从而构建空间结构模型。那么,这个过程可能应用的软件有以下几种:(1)Salamander软件事实上,Salamander软件是针对Rhino的专用插件,具体见下图3所示,主要功能是定义Rhino三维模型中的空间结构的截面、材质等内容,还设计了GSA和Designlink输入/输出接口[13]。(2)GSA软件奥雅纳公司研发的GSA软件是针对通用结构有限元的分析软件,具体见上图3所示,具有输入/输出文本、AutoCAD、Revit等格式文件的功能,同时还具有输入/输出ANSYS、SAP等结构分析文件的功能[15]。(3)其他结构优化软件我国目前常用的结构优化软件有Civil、ETABS、SAP2000等[16],具体见上图4所示,这类软件具备完善的建模系统平台,兼容CAD图形、文本、数据库等格式文件的输入和输出。

　　2.3循环阶段

　　在完成结构模型构建之后,可开展全方位、详细的结构分析和优化设计,从宏观到微观来确定几何空间构件的位置、大小、硬度等参数,并将其反馈到BIM建筑模型中[17]。在这种情况下,模型不再是简单的由线条形成的几何空间,而是具有截面、结构框架的三维建筑模型。由此可见,建筑模型和结构模型往往处于反复循环状态,从整体几何空间到结构构件元素,都需要进行对应的参数确定和调整,而在此循环过程中,结合目前建模软件的功能特征,难以在建筑模型阶段实现结构优化设计,同样的,建筑模型优化也难以在结构模型阶段实现。所以,结构优化和建筑参数调整都要通过外部软件来实现,某种程度上反映了文章第一段提及的建筑结构计算机优化设计的三大难点:参数逻辑选择、阶段性和参数控制形式[18]。伴随建筑模型和结构模型的反复循环,建筑设计人员可以系统了解几何空间结构框架,从而制定出完善的优化设计方案,以实现对建筑几何空间结构的优化设计。

　　3结语

　　综上所述,传统强调物理特征的结构优化软件功能单一,在几何空间参数调整方面仍有欠缺,所以目前甚至未来,基于计算机软件的建筑结构优化设计的改革关键是几何空间参数调整优化模块的建立,实现对建筑结构的全方位优化。至今为止,建筑结构计算机优化设计受软件功能的影响仍然显著,参数调整和优化控制困难重重,随着计算机软件的不断完善,建筑结构参数逻辑选择、阶段性、控制形式等难题将迎刃而解。

　　作者：郝会鑫 单位：兰州铁道设计院有限公司

　　推荐阅读：《计算机测量与控制》(月刊)创刊于1993年，由中国计算机自动测量与控制技术协会主办。