[GRASSHOPPER] 使用Karamba3D优化单层网壳 [公众号: 结构之旅]

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这真不是新鲜事。

最早可以追溯到伊东丰雄冥想之森的壳体优化上,佐佐木睦朗用敏感性分析,取了NURBS曲面上的控制点作为变参,以整体虚功作为优化目标,放入遗传算法(GA,Genetic Algorithm)等算法中进行迭代优化。思路很简单,遗传算法的作用也就是替代技术工去反复调试方案形态,考虑到GA算法很容易得到局部的最优解,如果计算成本允许,使用暴力求解器得到最优解也是不错的选择。但对于当年刚入职的我来说,惊为天人,对佐佐木睦朗还有伊东丰雄都佩服得五体投地。

冥想之森

我开始在网上搜索,找到了另外一个哥们,也就是Alberto Pugnale,现任职于Melbourne大学,隔三岔五会跑国内来做工作坊。他在自己的博客上透露了如何利用Grasshopper来做一些壳体上的优化[1],也就是利用当时刚刚公布的Karamba3D来做优化(具体的GH文件能通过文末的博客链接下载)。而他自己更加硬核,编了一个接口,用来实时更新以及读取ANSYS模型和分析结果。当然两个计算软件之间的差异我没有对比过,但无论如何牌都凑齐了,GH有GA,Rhino有NURBS,Karamba3D提供了有限元分析,这些原本是技术壁垒的都不存在了。

GA优化过程,Albert Pugnale,Computational Morphogenesis: Design of free form surfaces

建筑方案解构

这次优化我选择了生成Loft曲面的两条曲线作为控制对象,通过修改这两条NURBS曲线上的控制点位置来改变曲线形态。有了思路,接下来就是纯粹的体力劳动了。使用GH抽取一下建筑提供的杆件中心线,归并一下重叠的节点,离散化结构,建立Karamba3D模型,建立优化流程,最后还利用之前开发的MidasConnector来输出一个Midas模型来作为二套软件复核。优化结果基本吻合力学上的判断,两边悬挑上扬,中间的起拱高度进一步增加,并且接近悬垂拱线的形态,标准荷载下结构变形从原本的120mm减少到85mm,材料用量也从原来的140kg/m2减少到110kg/m2。有意思的是拿来和陆赐麟老先生的标准对比,呵呵,平庸设计。这里仁者见仁,智者见智,经济性能指标控制的设计,陆先生的标准就是适用的。最后对比Midas的计算结果,Midas计算下来同样为85mm,基本吻合。当然,在建筑不能接受优化后形态的情况下,仍旧能够调取迭代过程中次优方案的数据,找到接近建筑造型需求的形态。

GH Script

陆赐麟先生的优秀结构评判标准

推荐大家阅读Shell Structures For Architecture,多位业界大神合理编著,包括Philippe Block,佐佐木睦郎 etc.

【主要参考资料】

1 Albert Pugnale博客,https://www.albertopugnale.com/

2 陆赐麟,用科学标准促进钢结构行业健康发展

3 佐佐木睦朗,COMPUTATIONAL MORPHOGENESIS BY EXTENDED ESO METHOD : Extension for three-dimensional structures


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