结构形态学与现代空间结构

结构形态学与现代空间结构1.什么是结构形态学2.自由曲面结构3.自由拓扑结构4.张力结构5.仿生结构6.超大跨空间结构展望

对结构合理形态的探索一直是结构工程领域的重要课题，纵观那些著名的经典结构，无不体现了使用功能、优美形体与合理受力的协调一致。以此为目标的相关研究已日益成为广受关注的热点领域。结构形态学的发展

形态学（morphology）的概念源于生物学，目的是研究生物形状的本质特征。20世纪初，其思想逐步渗入建筑结构领域，一些建筑结构巨匠进行了许多探索与实践。A.GaudiH.IslerP.L.NerviF.CandelaF.OttoB.Fuller半谷裕彦S.Calatrava

他们所提出的一些设计理念也可以看做是形态学思想在建筑结构领域的体现：

结构应具有自身的表现力，合理的结构本身就蕴含着美。——

PierLuigiNervi

建筑的目的不是炫耀技术，而是更好地表达自然。了解存在于自然界的构造过程，人工地表达这种过程，乃设计之道。

——

F.Otto

自然界存在着以最少结构提供最大强度的矢量系统人类的发展需求应与全球的资源和科技水平结合在一起，用最高效的手段解决最多的问题——

B.FullerGeometry（几何）研究对各种几何形状的描述与调控Form–Forcerelationship（形-态关系）研究结构形状与其受力性能间的内在联系Computation（计算）

研究各种找形、优化和形态生成的计算方法TechnologyTransfer（学科交叉）

从其他学科（例如数学、生物学）引入新思想、新方法Prototyping（模型实现）

通过实物或虚拟模型来实现结构造型IASS于1991年成立“结构形态学”工作组，首次提出StructuralMorphology

一词，但一直没有严格定义。从工作组所列的一些研究方向，可以对其内涵有所认识：形：结构形状（Form）

应符合适用、新颖、美观、自然等要求。态：结构性能（Performance）

应符合内力分布合理、传力简捷、经济高效等要求。根据上述讨论，试拟结构形态学的定义如下：

结构形态学是从整体上研究形与态的相互作用规律，目的是寻求二者的协调统一，实现一种以合理、自然、高效为目标的结构美学。结构形态学为空间结构的体系创新提供了思想源泉和理论基础；空间结构的体系创新实践也促进了结构形态学理论的不断丰富与发展。

空间结构多数用于大型公共建筑，形式丰富多彩，而且往往凭借合理形体来实现结构的高效率，因此形态学研究对空间结构具有重要意义。1.什么是结构形态学2.自由曲面结构3.自由拓扑结构4.张力结构5.仿生结构6.超大跨空间结构展望

空间结构的传统造型多为球面、柱面、鞍面等规则曲面或它们的组合，这些曲面的合理性在理论和实践上均已得到认可。黑龙江省速滑馆名古屋体育馆石景山体育馆

近年来，随着计算机技术的发展，自由曲面以其丰富的建筑表现力，日益受到建筑师的青睐。

自由曲面是指无法用解析函数表达的曲面，也可理解为那些明显区别于传统建筑造型的曲面。日本某多功能活动中心法国Metz蓬皮杜中心

如何在曲面生成过程中实现曲面多样性与受力合理性的有机结合，即所谓的形态创建问题，是自由曲面结构设计中的首要问题。自由曲面结构的形态创建方法可分为两类：基于实验的模型方法基于优化思想的数值方法1.基于模型试验的形态创建方法

逆吊实验法是这方面的典型例子。该法自动满足受力合理性（零弯矩）的要求；通过反复调整约束条件，获得符合要求的自由曲面。悬索拱二维逆吊三维逆吊

德国建筑师FreiOtto

利用逆吊实验法设计了曼海姆大篷和汉诺威世博会日本馆。MannheimMultihalle,1975汉诺威世博会日本馆,2000模型模型

自上世纪50年代以来，

瑞士工程师HeinzIsler

利用逆吊实验法设计了数百个混凝土薄壳结构。SicliFactoryHeimburgTennisCenter模型模型逆吊实验法对结构形态学早期研究发挥了重要作用。但由于实验相似律和测试精度等方面的制约，目前已较少应用。将逆吊实验思想与数值模拟方法相结合，即所谓的“数值逆吊法”，为克服上述困难，发挥逆吊实验法的优势，提供了一种有效途径。算例：四点悬吊曲面实验与数值模拟模型平面尺寸300×130mm，最大垂度61.4mm。通过3D扫描技术获得实物模型的数字信息。同时采用非线性有限元法模拟实验状态，通过调整弹性模量实现对结构形状的精确控制。垂度随迭代步的变化数值模拟结果悬吊模型固化翻转状态最大误差4%弹性模量随迭代步的变化数值方法还便于调整各种约束条件，广泛比较各种逆吊方案，实现结构形态多样化。六点支承结构加拉索加中心支承中心开洞几何尺寸荷载分布质量分布结构系统支座约束建筑材料SicliFactory实际工程算例

Heimburg网球中心逆吊实验结果数值模拟结果

汉诺威世博会日本馆实际工程2.基于优化思想的数值创建方法

将自由曲面的几何建模技术与结构优化思想结合，以曲面形状参数作为优化变量，结构受力合理作为优化目标，采用适当的优化算法，可获得一系列符合要求的、可供建筑师选择的自由曲面形态。

这就是所谓的“自由曲面形态创建”方法。自由前曲面奇几何捕建模嫂方法1)曲面巧拟合嫩方法目前最车常用的宴是非均匀重有理B样条应（NUR乌BS)技术踢，其蚁优点柿是适怀用于甲任意亲自由成曲面购，且巷仅需至通过壤少量东参数样（控制翁点与权因子）调驳整曲共面形睁状。2)曲线变研换方法通过挨对曲渡线进恼行平移、缩放、旋转等变换团生成曲牵面。可旅通过准线和母线的形脱状参重数调图整曲态面形嫁状。清该方页法比翻较适计用于晓空间苦网格尖结构匠。NUR凉BS曲面平移讽缩放悟曲面算例首一：六曲面悲拟合妨型自巷由曲扒面薄桨壳边界条件与有限元网格周边固定铰支弹性模量泊桑比竖向均布荷载50m50m初始曲面及控制点连线优化变匆量：NU咱RB凡S曲面的控制榜点和权因筝子优化捎目标：应变能波最小优化算五法：梯度钞法第1步第200步第800步曲面优化过程应力膨变化疤曲线曲面蜘优化屈过程茂中结茄构响拿应的乘变化随着应变能变小奥，结必构的废各项弹力学寇指标纲均趋布于优堆化，否说明肉这种旗方法正确、有效。应变吼能优奖化过墙程荷载-位移全后过程曲阳线极限荷或载变化嫂曲线算例勾二：壮曲线仇变换情型自喊由曲搁面薄震壳母线准线准线控制点母线控制点母线与准线初始曲面矩形平面60m×40m优化变舌量：母线和拿准线的捧形状参捏数优化通目标：应变能滚最小优化算员法：梯度法优化后曲面调整后母线形状初始母线形状调整后准线形状初始准线形状荷载-位移罩全过粘程曲届线曲面吓优化窜过程抗中结塌构响创应的径变化位移恨变化嘴曲线应变盟能优步化过忽程极限荷歪载变化睬曲线与算例婶一类似岸，随着应变访能变小，喊结构的决各项力突学指标均均趋于萌优化。以上烤算例伟说明苦：针贯对不绍同问趁题的缠特点铺，将手不同输的几何神建模垮方法、结构合侵理性评砖价方法和优化算似法进行组苦合，可杂以形成财多种多访样的、继各具特遭色的形放态创建惨方法。这类短方法烂已在吓实际先工程扭中得负到成宏功应亿用。日本挡福冈类中央卡公园蜜核心狗设施（20窜05）长190调m、最大缸宽度50存m，采召用40c忧m厚RC薄壳结乓构从初践始形赌状开问始经给过45步优佳化得矩到最腥终形黑状。邻原始斜形状污的最地大位绑移为11.前1cm，最终版形状则堆减小到2.8柳1cm英国磨萨维疮尔大池篷(木网壳,2粉00洗6)1.什么尊是结只构形破态学2.自由曲挥面结构3.自由拓拿扑结构4.张力结岁构5.仿生勤结构6.超大会跨空达间结气构展夫望拓扑（to乡丰po件lo前gy）是一个致几何学个概念，策描述物歉体内部蚁各组成著部分之烦间的相索对关系忌。对于勺空间奸结构研，拓扑可亩以理解苹为杆系搜结构中各杆排件之间若的构成殃关系，帮或开洞连党续体内各乖部分娇之间腰的连鼻通关减系。形状尺寸拓扑对物膏体几神何描督述的眉三个染方面以规则网格为特征的传统空间结构拓扑形式自由雀拓扑西结构染的构涝件布家置方煤式明希显不蜓同于旨传统伞的规酷则网创格，盗彰显燃了建细筑个羽性。自由喜拓扑亿构型评可通叶过纯宾几何宴方法痰、仿扬生方田法等赞实现欲，例导如：自由岛拓扑隶结构随机缩慧编织多面体幻玉填充自由拓毛扑结构红的形态绵创建与自由采曲面结无构类似烦，自由全拓扑结蚁构的形渣态创建党也可采慢用基于优化巡寿思想隙的数公值方厅法：以忽拓扑薯参数茄（如全杆件无的有垄无）垮作为优化变贸量，结柜构受框力合轮理（与如应公变能队最小织）作浓为优化目批标，通过闯适当的优化算搞法实现。空间网云格结构拓扑课优化连续胸体结馆构拓笨扑优安化下面牙通过享算例盯介绍餐两类汉自由赚拓扑秋结构害的形佣态创荡建方妈法：优化述算法畏：遗传算质法结构总质愚量与外力功的乘纱积最闹小（由形状、拓扑、截面三组氧变量仓组成叛的集叹合）优化惧目标键：优化截变量:算例1：单劫层球篇面网跌格结己构拓哲扑优却化总质退量位移算例2：单层桨柱面网瞧格结构巡寿拓扑优弓化由单待元增驳减形造成的胖拓扑左构型由节晌点移较动与贼单元石增减纽奉结合想形成犹的拓挑扑构明型初始趟结构曲面形即状不变阅，但节跌点可在仰柱面内移动，并通赔过删除低效猴率的填结构豪单元衬及在据高效雾率区增加单元矮，使括结构应变能闯最小且分游布趋墓于均感匀。算例3：基纠于ESO算法料的连半续体万拓扑海优化模仿蓄自然命进化汗现象妖，根落据结献构不挨同部吸位的Mi顿se闻s应力大小进售行“保留、淘汰、补充”等操作须，使之休逐步演搏变成应力均努匀的结磁构。(ESO:Evol嫂uti选ona寇ryStru违ctu猛ralOpti考miz鉴ati着on纹)ES兼O算法壳示意屋盖冰长250边m，宽30m，高20训m，两支纽奉承点间峡的距离问为100构m。通壤过结脊构实盏体模流型分埋析，折逐步御去除Mis蓬es应力汤较小草部分词，实阿现形零态创沙建。卡塔尺尔教收育城笋会展脚中心Co亩nv选en哭ti悔on两C裂en想te勤r欺in探E未du拔ca肝ti迷on乎C建it喊y,再D钉oh描a,换Q者at自ar给定约瞎束条件优化结旧果算例4：三铜点支蔽承混袭凝土鸭屋盖厚结构颗拓扑仙优化结构简沿图支承肋败优化结悼果屋盖念（跨穗度7.膏2m）分盯两层慈，上济层70凭mm厚混凝翅土面层尊（红色帖部分）泡为给定旁约束条章件，下角层支承申肋（蓝路色部术分）鲁是优伪化对舌象。目优化荐目标然为结鸣构应持变能坡最小曾。建成缴照片P.父D损om勿be蓄rn肿ow建sk蛙y,柄A狗.馅So斗nd片er畜ga擦ar倚d.桑D姜es衡ig灿n,还a详na们ly脾si龟s漫an适d浊re获al梢iz竭at姨io痕n普of蔽t量op薯ol姓og萍y叹op巩ti顶mi绞ze谣d冻co膜nc集re垒te咬s点tr藏uc迎tu成re索s.超J白.霉IA情SS葛,2需01酱2,催53坑(4颈):柄20亦9-拐21抚61.什么杜是结庙构形镰态学2.自由曲忧面结构3.自由番拓扑附结构4.张力掩结构5.仿生批结构6.超大跨而空间结辞构展望张力结体构是以桶构件少受拉别来抵春抗外闲荷载雅的一绩类柔绩性结崭构体掌系，蓄具有用材潮省、效率捕高的特流点。威海体芽育场（膜桂结构贺）慕尼黑湿奥林匹柄克体育炕场（索铸网结叙构）这类体委系需要神通过施昼加适当松预张力勇获得稳灿定形状特，因驰此设计足中首先萌需解决初始形名态确定堡问题。1）模化型实抢验法丝网模章型利用炒可形腹成纯炼张力勿作用曾的柔湿性材趁料或爱肥皂着膜进寨行模唱拟，哭获得单预期街的建赌筑形廉状。确定小初始忧形态之早期项采用模型送实验勿法，目关前多狼采用数值分品析方法。肥皂膜丢模型19肿67蒙特利态尔博览晕会德国搁馆（索网粪结构）实验敢模型实际至工程2）数干值分外析法张力结针构的初始形谎态分析就是找通过都调整摘结构边界条充件和预张摊力，寻痕求符代合建心筑功辣能及震美学诞要求得且受针力合蓝理的初始曲江面，是移一般肌工程六分析岂的反方问题论。有三粱种基间本方谁法：父力密犯度法倍、动雹力松初弛法过、非唱线性袜有限连元法表。目斩前均丙较为于成熟成。以下跨列举搜一些威较为箱典型瓣的工弄程，茅以说犯明结围构形猾态学抛在此威类结树构中迫的成逆功应台用。东京棒棋球馆气顽承式膜幻玉结构（19谣88）充气过托程模拟跨度205塔m丹佛玩国际约机场象候机污厅（199喉3）平面近拾似矩形议（305宁×67哑m)，由17个连诊在一旦起的唉双支意柱伞阀形膜董结构籍单元梦组成全张力卵体系Fu信ll恐er认为锣宇宙帐是由甚万有岛引力员形成的的张录力网痕，星衣球是惰网中笼的一跳个个陪孤岛鼻；按吹照此幼原则禾可构踢造由连续绿的受谅拉构得件与不连毅续的倦受压爹构件组成裤的自芦平衡粱预应草力体皆系，袍他称蚁之为全张力诉体系(T鞋en逃se锤gr障it旨y)。根据这市一概念量，K.罢Sne笛lso颠n等设计戒了很多国新奇的培模型，坚但真正羽意义上换的实际浴工程迄娃今尚未燃实现。各种共基本民单元RainbowArch,2001NeedleTower,1969TripleCrown,1991K.押Sne拐lso能n创作军的一候些全滤张力矩模型美国皇工程摔师D.迅Ge富ig掌er把“全张滑力体扭系”概念探引入烦到索碗膜结贸构中福，提顷出了“索穹渐顶”结构兰形式芳，并舌成功惑应用个于汉悬城奥书运会飘场馆刷中。汉城奥方运会体旋操馆(12蒙0m)，19倘88索穹顶回（cab豪le顾dom斤e）脊索+环向下论弦索+斜索和牵竖向撑命杆以谷家索张王紧膜枯材亚特兰智大奥运劝会体育誓馆(1亡99嫌6)椭圆平伤面，243幸x19摄1m，平食米用漠钢量酿仅为38秧k穴g。美国工萌程师Lev百y又做了载进一步半改进，熄提出了约具有菱形网罪格上弦的索穹怜顶形式役，并成乒功应用预于亚特谨兰大奥拢运会主腰体育馆辩中。结构终示意纲图菱形上取弦索+环向庙下弦淡索+斜索和垮竖向撑难杆膜材张母紧在菱撞形上弦圣索上，尊呈双曲视抛物面石形状索穹寇顶内声景日本学弓者川口夫卫将索瓣穹顶骆的柔饱性上贩弦替鸽换为瘦刚性萄结构店，以枣便于伏施工投，提递出了“弦支穹营顶”结构厅。下弦索系与撑杆单层网壳弦支穹顶这种高哲效的混垂合结构盟体系近雀年来在驶国内得脖到了较懂为广泛释的应用软。弦支球洋面网壳圆形祥平面汇，跨隐度93移m北京输工业载大学韵体育均馆(20钱08)大连市巷体育馆（20她11）巨型网盟格弦支涉穹顶椭圆形惰平面，11飞6×锹14化5m建筑效诵果图建成匆照片1.什么婶是结俘构形饶态学2.自由颜曲面仔结构3.自由芹拓扑傲结构4.张力结活构5.仿生结移构6.超大跨之空间结孩构展望自然总彼是趋向淹于用最有输效的呢方式组织其返内部结击构，即埋以最少牧的投侮入获得最佳同的性枝能。师法庸自然是结构哭形态学前研究和争建筑结迁构创新龙的一个另重要途秒径。树贝壳蜘蛛盏网树状结陈构、薄发壳结构韵和索网闯结构是愤最典型悄的仿生甚结构。很多秩著名碌的建习筑结瘦构大坦师都确曾或言多或鼓少从走自然芽中获燃取过蜡灵感很。巨型汽温室（宽37米，欧长68米，志高20米）Jo辰se春ph向P载ax意to宝n设计，183缘瑞6折板结错构形式蚕受到睡驼莲叶面姑形状的闭启发。罗马否小体惯育宫（直径60耻m）P.L以.Ne顶rv拾i设计在，195腾7RC球面惧壳体急由菱净形槽志板（域厚25杂mm）装露配而放成，铺上浇40颈mm厚RC面层洒折算酒厚度始仅为裳跨度送的1/馋80向日宽葵蒙特利凤尔国际豆博览会逃美国馆(直径76m乘)Fu触ll励er锁a烂nd杯S很ad授ao设计，196腥7采用短程线番型球面册网壳饰，网刷格划演分模今拟了泉一种帮被称跳为放射溉虫的海答洋生叮物。树状结躁构树状结动构是Fre因iO蔑tto于上刻世纪60年代明员确提出及的一种钻具有多级焰分支、三维扩匠展特征的尿结构形联式，是蒸仿生结就构的典煌型应用福。多级分鲁支示意畏图三维誉示意疯图斯图置加特吐机场岁航站是楼,1慰991孟买掉某宴碍会厅,专20计09美国Be膛av营er倍to馋n市图衡书馆,2而001里斯代本东妈方车移站,1钢998如何层使树逃状结猎构的诞各级继分枝芬布置故与力捐流的管传递幅一致滴，避倡免出动现较俯大的纤弯矩巷，是犹树状殿结构网形态思设计腹中的疑首要井问题兄。国内岩外学姓者提野出过侄一些异树状位结构迁找形月方法蚀，以甜下重少点介号绍两郊个方挣法：1.基于逆尝吊原理土的几何统找形法2.基于窝应变纳能敏般感度如的数沾值找精形法基本思许路是按逆吊疑原理，当贱各级阻树枝黑均指污向所绝分担雅的荷融载中类心时泡，它值们即只受叮轴力丽作用。qqqqqqqqabcdqqqqqqqqabcdqqqqqqqqabcd树干abcdqqqq树干指向一级分支指向二级分支指向轴力图解qqqqqqabcde树干abcdqqqqe树枝布置不对称2q2qqqqqabcde树干abcd2q2qqqe树枝及荷载分布均不对称1.基于返逆吊昆原理桐的几匆何找挡形法三维树缺状结构渗找形示坏例屋盖形愉心树干一级分区形心一级树枝二级分区形心二级树枝三级分区三级树枝工程携实例忆：黑龙江底漠北公阶路前哨博收费站顶盖采政用单层江网格结萍构，覆恢以PTF仔E膜材。树1高18m，平面24纵×1隐8m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