基于渐进结构拓扑优化原理的形体生成方法初探

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建筑与结构的关系是建筑学和建筑设计中最基本、最核心的问题之一。在漫长的历史长河中,建筑的知识体系随着时代的进步越来越复杂,建筑和结构在设计过程中逐渐成为单独的学科领域。在如今建筑创作中,一方面,建筑设计与结构设计往往需要经过数次博弈才能达成一致,为了追求建筑空间形态和结构设计的创新,需要提高博弈的效率,而结构优化算法的高效性为建筑师和结构工程师提供了这种可能性。另一方面,随着计算机科学技术与建筑工程技术的发展,设计与建造非线性的复杂建筑形体成为可能,多种形体生成设计算法如雨后春笋般出现,结构拓扑优化方法作为其中的一种,其跨学科的特点在建筑设计中具有实际意义。
  结构拓扑优化方法可以在给定的设计区域内,依据给定的约束条件计算结构材料的最优分布。渐进结构拓扑优化方法与双向渐进结构拓扑优化方法作为结构拓扑方法的一类方法,具有优化原理简洁,通用性好,优化结果便于建筑师使用的优点。建筑师可以在初步设计阶段引用该方法得到符合结构力学的形体,从而为接下来的设计提供参考。
  本文基于渐进结构拓扑优化原理,对建筑师如何运用该算法完成形体生成进行了初步的探索。研究以Python语言开发为主,围绕常用建模软件Rhino及其参数化插件Grasshopper作为可视化平台。分别探讨了模型的前处理,基于渐进结构拓扑优化方法的优化算法的实现与改进,以及优化结果的处理三部分的实现与遇到的问题。从而提出一种具有一定可行性的工作流,为建筑形体生成设计方法提供了新的参考。
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