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空間結構形態學 版權信息
- ISBN：9787030739087
- 條形碼：9787030739087 ; 978-7-03-073908-7
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>>
空間結構形態學 內容簡介
全書系統的闡述了空間結構形態學的基本理論和分析方法，涵蓋了建筑幾何形態、結構張力形態、可變結構形態和施工過程形態以及形態控制等五個方面核心內容，逐章介紹了形態學引論、空間自由曲面生成與網格技術、機構和可變結構機理、張力結構體系找形和找力方法、施工過程時變結構模擬及形態控制理論等多方面的空間結構形態研究工作。本書有助啟迪結構形態創新，展現結構之美。
空間結構形態學 目錄
目錄
序一
序二
前言
第1章形態學引論1
1.1形態學1
1.2結構形態學2
1.3空間結構形態學4
1.3.1空間結構形態與仿生4
1.3.2“形”主導的空間結構設計5
1.3.3“態”主導的空間結構設計10
1.3.4功能主導的空間結構設計14
1.4空間結構形態學發展17
第2章空間自由曲面形態設計24
2.1曲線和曲面的基本理論24
2.1.1平面曲線24
2.1.2空間曲線25
2.1.3空間曲面26
2.2空間自由曲面構造方法31
2.2.1貝塞爾曲線與曲面31
2.2.2B樣條曲線與曲面33
2.2.3準均勻B樣條曲線與曲面36
2.2.4三角B-B曲面37
2.2.5直紋面與可展曲面38
2.3空間自由曲面重構技術39
2.3.1基本概念39
2.3.2基于B樣條插值的曲面重構40
2.3.3基于準均勻B樣條插值的曲面重構41
2.3.4基于三角B-B曲面的散亂數據點曲面重構43
2.3.5蒙皮法曲面重構45
2.3.6逆向建模技術51
2.4空間仿生曲面參數化設計55
2.4.1仿貝殼曲面55
2.4.2仿梅花曲面59
2.5空間自由曲面優化63
2.5.1能量法的基本原理64
2.5.2能量模型的改進64
2.5.3曲面優化控制方程66
2.5.4控制方程的求解69
第3章空間網格結構形態設計73
3.1空間網格結構形態73
3.1.1傳統空間網格結構形態73
3.1.2自由曲面空間網格結構形態75
3.1.3空間網格結構的形與態76
3.2基于空間多面體的網格結構形態77
3.2.1空間多面體的數學描述77
3.2.2多面體表面網格劃分方法80
3.2.3多面體空間網格劃分方法86
3.3基于自由曲面的網格結構形態90
3.3.1曲面網格劃分基礎90
3.3.2等參線分割法96
3.3.3網格質量和優化119
3.4基于點云的網格結構形態125
3.4.1基本概念125
3.4.2基本流程126
3.4.3基于點云的網格生成方法127
第4章平面可變結構形態135
4.1可變結構概述135
4.1.1可變結構的發展135
4.1.2可變結構與連桿機構137
4.2平面可變結構的機構形式138
4.2.1Kempe連桿機構138
4.2.2雙鏈形連桿機構143
4.2.3閉合環形旋轉連桿機構147
4.3雙鏈形連桿機構的模塊分析147
4.3.1剪鉸單元148
4.3.2機構構造方法152
4.3.3機構運動特點156
4.3.4機構平面拓展158
4.4雙鏈形連桿機構的模塊組合160
4.4.1幾何鑲嵌理論161
4.4.2雙鏈形連桿機構的組合形式164
4.4.3組合模塊的構造方法170
4.4.4組合模塊的計數和優化173
4.4.5幾種結構實現方式178
4.5徑向可開啟結構185
4.5.1設計參數185
4.5.2板單元設計189
4.6旋轉可開啟結構198
4.6.1概念分析與選型198
4.6.2板單元幾何協調性設計201
第5章空間可變結構形態206
5.1空間可變結構的機構形式206
5.1.1四連桿機構206
5.1.2五連桿機構211
5.1.3六連桿機構212
5.2空間連桿機構的模塊組合216
5.2.1Bennett連桿機構組合217
5.2.2Myard連桿機構組合225
5.2.3三軸對稱六連桿機構組合229
5.3空間可變結構的若干應用形式237
5.3.1翻轉開啟式開合結構237
5.3.2Bennett與膜材組合結構248
5.3.3蝶翅形結構252
5.3.4動態折板結構255
5.3.5可展衛星天線結構256
5.4空間可變結構形態數值模擬259
5.4.1基本原理259
5.4.2可變結構桿件分析260
5.4.3可變結構節點分析263
5.4.4空間可變結構形態模擬示例267
第6章張力空間結構形態274
6.1張力空間結構的體系分析274
6.1.1張力空間結構的基本特性274
6.1.2結構體系分析方法274
6.1.3平衡矩陣分析理論277
6.1.4基于平衡矩陣的結構幾何穩定性280
6.2張力空間結構找形288
6.2.1找形的定義288
6.2.2傳統找形方法289
6.2.3改進的找形方法295
6.2.4數值分析示例300
6.3張力空間結構找力308
6.3.1找力的定義308
6.3.2單自應力模態體系的可行預應力308
6.3.3多自應力模態體系的可行預應力309
6.3.4基于模擬退火算法的找力方法311
6.4典型張力空間結構形態318
6.4.1張拉整體結構318
6.4.2索穹頂結構328
6.4.3懸索結構336
6.4.4膜結構343
第7章空間結構施工形態355
7.1空間結構建造時空觀355
7.2施工形態全過程分析理論356
7.2.1多階段施工分析理論356
7.2.2線性范圍內的簡化計算方法357
7.2.3多階段施工方案比較分析360
7.3施工形態全過程分析實例362
7.3.1華能北京熱電有限責任公司柱面網殼362
7.3.2沙特阿拉伯某儲料工程球面網殼367
7.3.3陜西黃陵儲煤網殼工程372
7.3.4北京首都國際機場T3A航站樓網架377
7.3.5杭州奧體中心網球中心開合屋蓋379
7.4張力空間結構索張拉施工形態控制384
7.4.1索張拉力計算384
7.4.2索張拉順序優化控制392
7.4.3考慮溫度的張拉控制修正理論400
7.5索穹頂結構施工形態407
7.5.1幾何非線性力法408
7.5.2結構初始狀態的確定411
7.5.3穩定平衡狀態的跟蹤413
7.5.4索穹頂結構成形全過程分析414
第8章空間結構形態控制419
8.1空間結構的靜態控制419
8.1.1靜態控制基本理論419
8.1.2優化控制模型及策略425
8.1.3數值仿真分析示例433
8.2空間結構的動態控制436
8.2.1結構機電耦合動力方程436
8.2.2結構系統的狀態空間描述438
8.2.3優化控制模型及策略439
8.2.4數值仿真分析示例441
8.3空間結構的路徑規劃控制449
8.3.1路徑規劃控制的基本概念和方法449
8.3.2空間結構的路徑規劃控制模型及策略451
8.3.3數值仿真分析示例454
8.4空間結構形態控制體系458
8.4.1基于數值模型的形態控制框架的局限性458
8.4.2無線傳感器-執行器網絡的可動結構集成體系458
8.4.3典型WKS數值仿真分析示例468
8.4.4三棱柱張拉整體結構WKS原型機479
參考文獻485
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空間結構形態學 節選
第1章形態學引論 1.1形態學 “形態”在《辭海》中的解釋是：形狀和神態，也指事物在一定條件下的表現形式（辭海編輯委員會，2020）。“形態學”（morphology）起源于古希臘，morphology一詞由希臘語morphe（形）和logos（邏輯）構成，意指形式的構成邏輯。可見，形態學的研究內涵在于探究事物的內部規律與外部表現之間的關系。 形態學*初是一門研究人體、動物、植物形式和構成的科學，并在隨后出現的生物學中得到廣泛應用。古希臘哲學家亞里士多德與16世紀的法國博物學家貝隆對動物進行了比較，發現了動物外形結構的相似處；19世紀早期德國作家歌德*早將形態學一詞用在生命科學的研究上，他認為所有植物的枝干組織都是由*基本的植物機體發展而來；法國博物學家圣伊萊爾在動物學里也提出相似的觀點，認為所有的動物，包括人在內，都是由相似的基礎背景所構成的。英國生物學家歐文則認為任何物種都從可能的假設形態發展到該物種形態，并將形態學運用到當時備受矚目的生物解剖學中。形態學的發展啟示了英國生物學家達爾文，他以機械論的方法來解釋物種進化的一致性，稱一個種族均有其共同祖先的原型，但因進化而消失原貌。此時對生物形態的描述還僅僅是外在的造型。 從18世紀晚期開始，人們試圖建立一種與生物學脫離的“純粹形態學”（pure morphology），從而產生了一門生物學家、數學家和藝術家都同樣愛好的科學。學術界都認為形態等同于事物在某一時刻所表現出來的客觀現象。但在隨后的發展過程中，形態學通過對其他科學技術的借鑒和自我更新完善，逐漸從哲學層面上加深了對事物的認知。有生物學家認為，在細胞、分子水平上的生物結構觀察，應能解釋個體水平上的生物體形態，形態學成為研究生物形式本質的學科；數學家以抽象的數學理論為基礎來描繪具象的幾何圖形；藝術家還強調了外形和神態的結合，我國古代的論述“形者神之質，神者形之用”就指出了形與態之間相輔相成的關系。 近現代的形態學逐漸成為一門獨立的，集數學（幾何）、生物力學、材料和藝術造型為一體的交叉學科。形態學的內涵愈加豐富，用動態發展的眼光來看待事物，常常基于動態過程的迭代尋優處理復雜問題，時間和空間都是形態分析不可或缺的要素。20世紀初，形態學思想逐漸在建筑領域用于對結構、造型乃至功能之間的關系研究。意大利建筑師奈爾維認為，結構應具有自身的表現力，合理的結構本身就蘊含著美；德國建筑師奧托認為，建筑的目的是更好地表達自然，了解存在于自然界的構造過程，人工地表達這種過程。隨著研究的不斷深入，形態學已被廣泛應用于工業和建筑設計領域(圖1.1.1)。 圖1.1.1形態學 1.2結構形態學 結構的形態問題是建筑師和結構工程師*關心的問題之一。結構形態學作為形態學的一個分支，與形態學的核心思想一致，旨在研究建筑外在造型與內部結構受力之間的關系，目的在于尋求兩者的協調統一，即在給定的建筑條件下尋找具有較佳受力性能的結構形體。結構形態學所涉及的領域較廣，包含數學、力學、幾何學、仿生學、美學等多個學科。從古至今，結構形態學的研究從未停止，在學科領域劃分過程中，建筑學與土木工程學在某種程度上人為地在結構的“形”與“態”之間進行了劃分，但也不乏眾多“形”與“態”高度結合的建筑作品（圖1.2.1）。 圖1.2.1“形”與“態”結合的建筑結構 結構形態學中的“形”關注的是結構的外形，即結構的幾何形狀、拓撲關系；結構形態學中的“態”關注的是結構的性能，即結構的受力狀態、力學特性。結構的“形”與“態”有密不可分的聯系，“形”是“態”研究的基礎，結構“態”的研究又為結構“形”的完善服務。將結構各構件之間力傳遞的過程形象地比喻為力流。力流沿著構件傳播，構件的布置就是對力流的導向，就像地形對水流的導向一樣。同樣是瀑布，卻因山體的構造而千差萬別，從而給人以不同的美感（圖1.2.2）。在結構中調整構件的布置，亦會引起結構內部力流的改變（圖1.2.3）。在理想狀態下，結構的形狀應是外界作用力在結構材料中的自然反映，結構內部的力流應與結構的形狀相吻合。如何使力流的導向明確、高效，傳力途徑短而直接；如何通過改變力流來實現某些特定的功能，是結構選型的任務，也是結構構件布置的目的。現實世界中，一個結構所承受的外力不是一成不變的，結構除抵抗外力外還要滿足一些特定功能或藝術上的需要。因此，實際工程中的結構形態可認為是理性與感性的平衡體。 圖1.2.2不同形式的瀑布 圖1.2.3兩桿結構的不同構件布置 1.3空間結構形態學 結構形態的多元化與復雜化是現代空間結構的主要特征。空間結構形態學與結構形態學同根同源，探求外在造型與內部結構的協調統一，不僅關注三維空間中結構千姿百態的造型，還注重力流傳遞的整體性和連續性，且力求建筑功能與建筑形式有機融合。事實上，在空間結構工程實踐中，設計師常有所側重，分別以塑造美好造型、保障力學合理與探求結構功能為基礎開展空間結構設計。 1.3.1空間結構形態與仿生 在與自然界的長期抗爭中，生物適應并影響環境、經受外界不利作用，形成了各種強度高、剛度大的身體形態。生物體自身的構造經過了億萬年優勝劣汰的演化，具有結構合理、受力性能良好的特點。自然界中到處都體現這樣一條原則：以*少的材料和*合理的結構形式取得*經濟的效果。自然界中生物的進化過程就是一個設計優化過程。自然界的創造力常令人類的設計和想象力相形見絀。可以說，生物以*少的材料構造了*美、*堅固、*實用的外形和生存空間，達到了令人驚嘆的地步。人類生活在自然界中，與周圍生物為鄰，在長期向大自然學習的過程中，設計師通過對生物形態和結構的選擇、改進及模擬應用，使結構的功能和形態更加多樣化。 空間結構的出現也是受到自然界的啟迪。許多輕質、高強且美觀的空間結構形式都是有意識或無意識地模仿生物體構造的主體或部分結構或其生存巢穴或其生存環境的某些特征而構想設計出來的。例如，輕盈美觀的網格結構，有著天才結構工程師蜜蜂的影子；薄殼結構與蛋殼、貝殼、龜殼相仿；根據氣泡張拉原理而來的薄膜結構和充氣結構等都是空間結構與仿生工程學相結合的典范。這些結構能夠順應力流、合理節省材料，并具有優美的流線造型，經受住了實踐的檢驗而經久不衰。雖然空間結構形態仿生的事實和實例由來已久，但是至今尚未有明確嚴格的定義。空間結構形態仿生是廣義的仿生，其模仿的不僅是生物的結構外形，更是生物結構的力學特性和使用功能。此外，空間結構形態仿生也突破了生物仿生的概念，將自然界一切形態優美、受力合理的物質作為模仿的對象，包括宇宙的結構形態、地球生物的結構形態以及微觀世界中分子和原子的結構形態。 1.3.2“形”主導的空間結構設計 1.球形網殼 美國建筑師富勒在1954年發明了短程線球形網殼，在當時已經可以跨越很遠的距離。比較著名且具有代表性的球形網殼工程實例當屬1967年蒙特利爾世博會美國館［圖1.3.1（b）］。實際上，關于球形網殼的來源眾說紛紜。有人認為，球形網殼與放射蟲的骨骼結構極為相似，放射蟲的骨骼結構［圖1.3.1（a）］其實就是很典型的空間球形網殼。 圖1.3.1放射蟲的骨骼結構和蒙特利爾世博會美國館 對微觀分子結構的探索也印證了富勒所發明球面殼的合理性，并成為空間結構設計的靈感之一。尤其是一些比較復雜的分子，其模型往往具有對稱性和重復性等特點，這符合空間結構的一般要求。典型代表是球殼狀碳分子，這是已知體形*小的基于緊密聚集多面體原理形成的結構。1985年，足球狀C60通過人工合成，該分子形式和富勒設計的球形網殼極像，故這種新型碳分子結構命名為富勒烯。球殼狀碳分子大小變化很大，其組成的碳原子數少的只有20個，多的可達720個(圖1.3.2)。圖1.3.2不同的球殼碳分子模型 如圖1.3.3（c）所示，英國伊甸園工程也是一種由多面體表面擬合而成的球形網殼結構。伊甸園的主設計師Grimshaw應用了富勒的理論，但沒有直接采用富勒的短程線球形網殼，而是將幾個不同大小的網格球貼擠成串，讓室內空間在長度方向上進一步延伸。在伊甸園工程中，每個穹頂的結構網格都包含兩個同心的球形網格，這兩個球形網格半徑不同，兩者之間有一定的距離。內外層網格之間通過一系列的對角線連接，產生了一個雙層的具有三維承載能力的球形網格。實際上它也是一個優秀的仿生結構（模仿昆蟲復眼建造）。 圖1.3.3昆蟲復眼和英國伊甸園工程 2.蜂窩形結構 蜂窩是十分精密的“建筑工程”，每一個蜂巢都是六面柱體。4世紀古希臘數學家佩波斯提出了著名的蜂窩猜想：人們所見到的、截面呈六邊形的蜂窩，是蜜蜂采用*少量的蜂蠟建造成的。而Hales（2001）提出，在考慮了周邊是曲線時，由正六邊形組成的圖形周長*小，這對建筑結構的造型與節省材料帶來了重要啟示。圖1.3.4就是一種蜂窩形空間結構，其網格實體部分很小，因此自重較小，透光性較好。
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