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概述

形态构建

张力结构是一种新型结构形式,这类结构由连续受拉构件和离散受压构件组成。张力结构内部只存在拉、压两种轴心受力方式,结构中不存在受弯构件。这样的受力方式使得材料得到最大化利用。此类结构自重轻、适用跨度大、施工方便。其具体形式,如索桁架、索穹顶等,已广泛应用于各类大跨度建筑结构中。

张力结构初始预应力对几何外形和结构刚度起着决定性作用,同时几何外形又影响结构预应力分布,几何外形和结构预应力分布高度关联、相互影响。张力结构的设计、分析必须首先确定几何外形和预应力分布。

sonew将这一过程称为形态构建

功能目标

实际工程项目的张力结构不但是具有预应力的自平衡体系,而且需满足一定的功能目标。功能目标可能是张力结构力学性能需要,也可能来自于建筑外形等外部要求。

功能目标可分为2类:

  1. 几何功能目标

    例如采用车辐式双层索网结构形式的体育场屋盖内开口为与下方跑道形状一致,其内环平面为椭圆;为使内环撑杆规格统一,其长度相等。

  2. 预应力功能目标

    例如调节车辐式双层索网上下弦的预应力比值以满足结构刚度要求;调节吊索预应力值,使荷载作用下吊索不松弛。

实际工程项目张力结构形态构建的功能目标不是单一类别,而且两者兼而有之。确定功能目标是张力结构形态构建的关键。

构建现状

现有形态构建方法主要有:

  1. 力密度法
  2. 有限元法
  3. 动力松弛法

有限元法、动力松弛法利用近似模型模拟预应力生成过程,对于复杂的张力结构和功能目标求解困难。常规力密度法要么着眼于确定某一几何外形或拓扑连接形成张力结构的可行性,要么基于某一结构最优原则进行形态构建,很难运用到实际工程项目中。

国内外实际项目的张力结构形态构建均是基于结构自身特性,A类型结构方法很难照搬到B类型结构,A类型功能目标变化,原方法可能也得大量修改。这就导致只有既懂力学原理,又能编程找形的少部分人才能设计张力结构。同时,一般项目前期需多方案试算、对比分析,将耗费大量精力在找形实现上。可以说,构建工具的缺乏或不足,制约了张力结构的工程设计。

sonew的愿景

针对以上问题,sonew从形态构建基本方程的组建及求解上创新,旨在张力结构形态的快速、精准构建,帮助结构工程师将精力集中于方案创意,而不是繁复的方法研究和代码编制。

其具有以下特点:

  1. 通用性

    基于力密度法,无需材料、截面信息,以凸优化算法求解控制方程。构建结果可直接导入常规结构分析、设计软件。 适用于车辐式索网、索穹顶、悬索桥等任意张力结构。

  2. 一体化

    采用张力结构找形找力一体化设计专利方法,克服找形、找力功能目标设置困难,交替求解繁复、不易收敛的缺点,实现形与力的统一。

  3. 多目标

    预设3类,共13种功能目标,覆盖形态构建全场景。

  4. 渐进式

    设置有大量非线性功能目标的复杂结构求解困难时,采取由浅入深、先易后难的策略。

我相信,sonew将助力张力结构不断创新。