鹦鹉螺形仿生建筑数学建模及结构设计-古玉霞.docx
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1、厦门大学 硕士学位论文 鹦鹉螺形仿生建筑数学建模及结构设计 姓名:古玉霞 申请学位级别:硕士 专业:防灾减灾及防护工程 指导教师:张鹏程 201206 厦门大学硕士学位论文 摘要 摘要 随着建筑科学技术的发展,建筑师们遵循人与自然和谐发展的理念,试图寻 找建筑与自然间完美的共存方式,许多有创见的建筑师进行了有关建筑仿生的实 践,各种优美的建筑造型涌现的同时,也为结构工程师带来了新的挑战。建筑并 不是一幅写意的图画,工程在实施过程中各个结构部件都需要精确定位。比如对 于一个生长于自然界的生物形态,形状,如何通过准确的数学几何方程进行描述 就是一个难题,即仿生形态的数学建模本身就是十分复杂的问题。
2、准确的数学模 型是进行结构受力分析、设计以及工程构件精确加工、装配的基础。 在对已有仿生建筑的成功范例进行了回顾总结的基础上,本文根据厦门五缘 湾音乐厅“ 鹦鹉螺 ” 壳的数学建模及结构设计,探究复杂空间仿生形态建筑建模 的方法,并研究相关结构设计软件的前处理及连接方法,运用工程设计软件完成 相关设计。 对厦门五缘湾音乐厅海螺形建筑形状进行数学模拟。运用 MATLAB软件工具, 通过对数学方程拓普及反复试验,推演出能准确描述海螺形状的空间曲面方程。 在确定海螺的基本外形方程后,通过参数化三维空间模型的虚拟现实展示,取得 建筑师及普通鉴赏者的修改意见,并最终完成了各方满意的建筑外形定形设计。 结
3、构外形为一个鹦鹉螺壳,螺口宽 60米,高 30米,檐口出挑 15米,主体 结构选型为旋转平面排架结构。排架平面外,设环(纵)向支撑,使整个结构形 成稳定的空间体系。螺口处悬挑部分借鉴了中国古建筑的双柱 “ 搭牵 ” 挑檐的做 法,用大跨度伸臂空间桁架形成螺口处凹凸悬挑空间曲面。通过 MATLAB、 三维 CAD以及钢结构设计软件 3D3S的连接使用,完成了整体结构地震作用下变形验 算。 论文研讨了复杂仿生形态建筑三维空间建模的数学方法,及数字化电算模拟 技术,使用Matlab工具编程实现了空间螺壳的几何设计,按照我国相关各工程 规范,借助本土结构专业设计软件 STS、 3D3S完成了鹦鹉螺壳复
4、杂异形空间结构 的工程设计全过程计算分析。所研究的问题本身较复杂,难度高,通过大量试算, 摸索出了一套基于结构概念清晰的实用设计方法,可以很好的解决类似复杂造型 的结构设计难题。 关键词:仿生建筑数学模拟空间结构 厦门大学硕士学位论文 摘要 ABSTRACT While architects tiying to find a perfect coexistence mode between architecture and nature many creative bionic architecture were setup, which also bring new challenges t
5、o structural engineers. Generally, a building is not a drawing, every component in the structure needs accurate space-orientation during the construction. For example, for a biological form or shape grows in nature, find geometry equations to describe it accurately is a difficult problem. Thats to s
6、ay, the mathematically modeling for bionic form is a very complex issue. Accurate mathematical models provide fundamental condition for structural analysis, accurate manufacture, and assemble of components. Following the review of successftil examples of bionic architectures, this paper explored mod
7、eling methods for complex spatial bionic architectures and studies on pretreatment and connection methods of related structural design software according to the mathematically modeling and structural design for the Nautilus-Shaped conceit hall in Xiamen, and completed the structural design. Firstly,
8、 to describe the Nautilus-Shaped concert hall, a precise geometric equation was needed. With MATLAB software, a series spatial shape equations mathematically formed a parameterized three-dimensional spatial model for discussion and completed a satisfactory appearance design. The Nautilus-Shaped scre
9、w has a 60 meters wide calibei; 30 meters height, and with 15 meters cornice cantilevers. The structure of Nautilus-Shaped roof was build with steel trusses, covered with basketwork made of metaL Especially, the large span cantilevered spatial trusses structure at the widest part of the s厦门大学硕士学位论文
10、摘要 digital simulation of steel structure provided many practical suggestions t) bionic shape building construction engineering. Key Words: Bionic architecture; mathematically modeling; spatial structural desiga in 厦门大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 1.1选题背景及研究意义 世间万物呈现千姿百态,每一种生物都是大自然物竞天择、优胜劣汰的结果 , 它们都经历了长期的进化,无论是在结
11、构还是功能乃至形态上都呈现自然合理之 美 ll大自然中许多生物的形态可以成为人工建筑借鉴的楷模。无论人工建筑的 设计复杂或者简单,都可以在大自然中找到模仿的影子,从古代的穴居、巢居到 现代各种精妙绝伦的建筑 都可以看做是模仿自然的结果。比如,简单的独木 桥,就可以理解为一次偶然因素使原本生长在河边的树干横倒在了河流上,刚好 横跨在河岸两侧,它给予人们灵感,发现利用横跨在河上的树干可以过河,于是 便有了独木桥,甚至发展到今天各种大型桥梁。 随着科技飞速发展、信息快速传播,先锋的建筑艺术作品在建筑师的头脑中 形成。仿生建筑作为先锋建筑的一种表现类型,倍受青睐。同时,在自然资源短 缺,环境污染严重的
12、今天,建筑师们遵循人与自 然和谐发展的理念,试图寻找建 筑与自然间完美的共存方式。仿生设计学作为人类社会生产活动与自然界的契合 点,使人类社会与自然达到了高度统一。而仿生建筑是仿生设计学的一门分支, 正逐渐成为设计发展过程中新的亮点。悉尼歌剧院的 “ 蛋壳 ” 、北京奥运会的 “ 鸟 巢 ” 、 .水立方的 “ 水泡 ” 等仿生形态建筑造型为建筑师提供了取之不竭的创作灵 感。各种优美经典的建筑作品屹立于世界各地的同时,也为工程实施提出了新的 挑战。工程在实施过程中需要精确定位、定形,其难点在于对这些人们看惯了的 形状通过凝练的数学几何方程进行描述,即数字建模 准确的数字模型是进行结 构受力分析
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