彭細(xì)榮 黎永索

(湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南益陽(yáng)413000)

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)題所引發(fā)的結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)新問(wèn)題1)

彭細(xì)榮2)黎永索

(湖南城市學(xué)院土木工程學(xué)院，湖南益陽(yáng)413000)

以一結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽為例，從結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)的視角，分析應(yīng)用結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)時(shí)的表達(dá)及求解可能.發(fā)現(xiàn)即使針對(duì)簡(jiǎn)化版的工程設(shè)計(jì)問(wèn)題，仍包含了許多目前結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)技術(shù)所解決不了的新問(wèn)題.通過(guò)加入人工決策信息簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)空間，應(yīng)用結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)中的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)行了初步探索，歸納提出了若干具有理論及應(yīng)用價(jià)值的結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)新問(wèn)題.

結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu),結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化,新問(wèn)題

全國(guó)大學(xué)生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)競(jìng)賽，起始于 1994年清華大學(xué)校園一座名為 “蓮橋”的小橋建造方案的征集[1].全國(guó)與各省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的競(jìng)賽題目多元化且貼近工程實(shí)際，多數(shù)為土木工程中的橋梁、房屋等結(jié)構(gòu)形式.這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)題目均源于工程問(wèn)題，通常題目會(huì)要求解決一定的工程矛盾性問(wèn)題，如沖擊載荷作用、移動(dòng)載荷作用、結(jié)構(gòu)偏心加載、受壓桿穩(wěn)定等要求下設(shè)計(jì)最輕結(jié)構(gòu)，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及制作充滿(mǎn)創(chuàng)新性與競(jìng)爭(zhēng)性，通常中規(guī)中矩的設(shè)計(jì)方案是難以取勝的.

由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的題目通常是從工程問(wèn)題中簡(jiǎn)化而來(lái)，突出工程問(wèn)題中的主要矛盾，而對(duì)一些次要問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)化或忽略，設(shè)計(jì)的通常是工程結(jié)構(gòu)的縮尺模型，相比于實(shí)際工程項(xiàng)目，各類(lèi)設(shè)計(jì)方面的約束大大減少，給設(shè)計(jì)者更大的想象空間.正是由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽題目具備上述特點(diǎn)，設(shè)計(jì)大賽的題目不僅僅是對(duì)創(chuàng)新設(shè)計(jì)能力的一個(gè)訓(xùn)練，仔細(xì)地思考，從題目中甚至可以發(fā)現(xiàn)一些值得深入研究的學(xué)術(shù)問(wèn)題.

1 結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)理論研究現(xiàn)狀概略

有關(guān)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理論稱(chēng)之為結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)理論，屬于結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)的研究范圍.

結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)是研究“形”與“態(tài)”的相互關(guān)系，“形”是指結(jié)構(gòu)形式，包括結(jié)構(gòu)體系、幾何形狀和內(nèi)部拓?fù)潢P(guān)系等內(nèi)容；“態(tài)”是指結(jié)構(gòu)性能，包括結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)、適用性以及結(jié)構(gòu)效率等內(nèi)容[2].結(jié)構(gòu)形態(tài)學(xué)屬于典型的交叉學(xué)科，研究?jī)?nèi)容廣泛，至今尚未形成基本理論體系，是建筑及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)新興的前沿學(xué)科.

結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法可大致分為：(1)物理模型創(chuàng)構(gòu)方法；(2)計(jì)算創(chuàng)構(gòu)方法[3].

早期的結(jié)構(gòu)創(chuàng)構(gòu)研究中，提出了很多基于物理模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)找形方法，如逆吊懸索法、肥皂薄膜法和織網(wǎng)實(shí)驗(yàn)法等[45].基于物理模型實(shí)驗(yàn)的方法可自動(dòng)實(shí)現(xiàn)零彎矩結(jié)構(gòu)，概念清晰、形象直觀，但實(shí)施過(guò)程較為復(fù)雜，受到實(shí)驗(yàn)相似律和測(cè)試精度等條件的限制[5].

隨著有限元技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的不斷發(fā)展，基于計(jì)算找形及結(jié)構(gòu)優(yōu)化的數(shù)值創(chuàng)構(gòu)方法逐漸成為研究熱點(diǎn).計(jì)算找形方法有力密度法、動(dòng)力松馳法、推力網(wǎng)絡(luò)分析法、粒子彈簧法及結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等[3]，Veenendaal等[6]對(duì)不同結(jié)構(gòu)找形方法進(jìn)行了比較及綜述.

結(jié)構(gòu)優(yōu)化法進(jìn)行結(jié)構(gòu)找形或創(chuàng)構(gòu)是將結(jié)構(gòu)找形或創(chuàng)構(gòu)問(wèn)題用結(jié)構(gòu)優(yōu)化模型進(jìn)行描述，得到的最優(yōu)形狀或拓?fù)錁?gòu)型即為所求的找形或創(chuàng)構(gòu)方案.目前應(yīng)用得較多的是結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化方法. 如崔昌禹等[7]提出高度調(diào)整法對(duì)曲面結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)構(gòu). Pugnale,等[8]通過(guò)遺傳算法創(chuàng)建及優(yōu)化自由曲面殼.武岳[9]提出了一種適用于曲線變換型自由曲面結(jié)構(gòu)的形態(tài)創(chuàng)建方法.基于有限元技術(shù)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化或形狀及拓?fù)渫瑫r(shí)優(yōu)化在結(jié)構(gòu)創(chuàng)構(gòu)中研究及應(yīng)用得較少.Rub′e Ansolaa等[10]提出同時(shí)對(duì)薄殼結(jié)構(gòu)進(jìn)行形狀及拓?fù)鋬?yōu)化的方法.Li等[11],姜寶石等[12]依據(jù)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的多功能要求，對(duì)進(jìn)化結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行功能上的改進(jìn)，提出結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)方法.依據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化創(chuàng)構(gòu)理論建立的工程實(shí)例如卡塔爾國(guó)家會(huì)議中心及上海喜馬拉雅中心等(圖1所示).

如果從結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)理論的角度來(lái)審視結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽的題目，即應(yīng)用現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)技術(shù)，來(lái)針對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽內(nèi)容進(jìn)行結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，竟然發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有的技術(shù)僅能部分地解決其中的一些設(shè)計(jì)問(wèn)題，要完整表達(dá)及建立模型進(jìn)行求解，涉及到很多目前學(xué)術(shù)界還沒(méi)有深入研究或根本沒(méi)有涉及的新問(wèn)題.

圖1 依據(jù)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化創(chuàng)構(gòu)理論建立的工程案例

2 2015年湖南省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽內(nèi)容概述

2015年湖南省結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)大賽題目是要求設(shè)計(jì)一個(gè)竹制三層框架模型，模型受豎向活動(dòng)載荷及橫向偏心載荷作用，目標(biāo)是設(shè)計(jì)最輕結(jié)構(gòu)承受指定載荷.設(shè)計(jì)要解決的關(guān)鍵問(wèn)題是模型的偏心扭轉(zhuǎn)及受壓桿件的失穩(wěn).題目?jī)?nèi)容簡(jiǎn)述如下：

(1)模型大?。耗Ｐ透叨葢?yīng)為900mm,模型結(jié)構(gòu)主體水平投影必須為600mm×300mm；

(2)樓層的層數(shù)：必須是3個(gè)樓層；

(3)樓層的層高：每層層高不得小于250mm(樓層凈高無(wú)限定)；

(4)使用功能要求：在模型內(nèi)部，不能有侵占由結(jié)構(gòu)四周墻體和上下層樓板圍成的模型內(nèi)部空間的構(gòu)件；

(5)樓面要求：每層樓面均必須為平面(包括屋面),樓板覆蓋整個(gè)平面，且每層樓板(包括屋面)必須開(kāi)設(shè)一個(gè)100mm×150mm的洞口，洞口位置可自定，但各層洞口位置必須上下對(duì)齊，洞口范圍內(nèi)不得設(shè)任何桿件；

(6)立面要求：模型結(jié)構(gòu)四周墻體上必須留出如圖2所示的空白區(qū)，在該區(qū)域內(nèi)墻體上不允許有任何構(gòu)件，即墻體上的構(gòu)件應(yīng)布置在圖中的陰影部分之內(nèi).

(7)模型載荷:

①豎向載荷:二、三樓面和屋面豎向載荷每層均為2個(gè)10kg砝碼，每層砝碼放置的位置任意；

圖2 模型允許區(qū)域

②水平加載:水平加載點(diǎn)位置位于結(jié)構(gòu)頂層樓面，距離模型整體水平投影長(zhǎng)邊邊緣75mm、距離投影短邊150mm，如圖3所示.水平加載砝碼總重不超過(guò)150kg.

圖3 水平加載點(diǎn)位置(單位mm)

3 從結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)視角分析大賽題目

先從力學(xué)及使用功能要求的角度理解此結(jié)構(gòu)大賽的題目要求：

(1)力學(xué)要求

載荷有豎向載荷及橫向載荷：豎向載荷是活動(dòng)的載荷，即每層豎向載荷總和及大小是確定的，但載荷位置卻是可以設(shè)計(jì)的；橫向載荷是固定偏心載荷，偏心載荷導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生不利的扭轉(zhuǎn)變形.兩類(lèi)載荷中，橫向載荷大很多，是主要載荷.相比而言，結(jié)構(gòu)的自重載荷很小，是最不重要的載荷.

結(jié)構(gòu)在底層以固定的方式約束在加載臺(tái)上.

材料為竹材，如果未經(jīng)加工直接使用原竹片截面作為桿件，在此設(shè)計(jì)題目的上述載荷下，通常在達(dá)到強(qiáng)度前，受壓構(gòu)件局部穩(wěn)定性已經(jīng)不滿(mǎn)足要求.

要求設(shè)計(jì)框架結(jié)構(gòu)體系，在上述支承約束條件下，以最輕的重量來(lái)承受上述載荷.

(2)使用功能要求

結(jié)構(gòu)的高度限定必須900mm，水平投影必須為600mm×300mm.這些外圍尺寸的約束均是以投影的方式約束，導(dǎo)致在尺寸上的約束其實(shí)是很少的，高度上只要一點(diǎn)達(dá)到了900mm即滿(mǎn)足要求，不同高度的結(jié)構(gòu)橫截面是可以大小變化的，只要水平投影達(dá)到600mm×300mm即滿(mǎn)足要求，比如上窄下寬的結(jié)構(gòu)形式是符合尺寸要求的.墻面結(jié)構(gòu)層的厚度其實(shí)也是沒(méi)有限定的，只要滿(mǎn)足這些尺寸及開(kāi)洞要求即可.

設(shè)置3個(gè)樓層，每層層高不得小于250mm，(樓層凈高無(wú)限定).這一限定其實(shí)質(zhì)是導(dǎo)致每層結(jié)構(gòu)層厚度可以設(shè)計(jì)得很厚.

豎向三層開(kāi)洞，洞對(duì)齊，但洞的位置卻是可以隨意變化.

前后左右開(kāi)洞，洞口對(duì)齊，洞的位置是固定的.

已經(jīng)描述及理解了此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在力學(xué)及使用功能方面的要求，再?gòu)男螒B(tài)創(chuàng)構(gòu)的視角來(lái)分析如何解決此大賽的創(chuàng)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題.

對(duì)此競(jìng)賽題目如果應(yīng)用現(xiàn)有的創(chuàng)構(gòu)設(shè)計(jì)理論來(lái)求解，最為適宜的方法即為應(yīng)用連續(xù)體結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化方法.在應(yīng)用此技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常建立一定體積比約束下以結(jié)構(gòu)柔順度極小 (即結(jié)構(gòu)剛度極大)為目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化模型.目前，成熟的商業(yè)軟件可求解此問(wèn)題，如結(jié)構(gòu)優(yōu)化專(zhuān)業(yè)軟件 OptiStruct等.但此題目的設(shè)計(jì)自由度非常大，如果所有的可設(shè)計(jì)內(nèi)容均用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式來(lái)表達(dá)，很多方面還無(wú)法解決，需要給出一定的人工決策之后，對(duì)簡(jiǎn)化后的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化求解.

此設(shè)計(jì)題目難以用現(xiàn)有優(yōu)化軟件來(lái)求解的方面，也即此問(wèn)題反映出來(lái)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化新問(wèn)題，應(yīng)用在結(jié)構(gòu)創(chuàng)構(gòu)領(lǐng)域，即為結(jié)構(gòu)創(chuàng)構(gòu)新問(wèn)題.

(1)豎向活動(dòng)載荷：針對(duì)活動(dòng)載荷問(wèn)題，在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化領(lǐng)域研究較少，活動(dòng)載荷不同于多工況載荷，活動(dòng)載荷本身存在一個(gè)合理位置布局問(wèn)題.為應(yīng)用軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，需要人為分析確定布置豎向載荷位置.

(2)樓面及屋面開(kāi)洞：題目中樓面及屋面分為三層，每層開(kāi)洞，且位置對(duì)齊，開(kāi)洞大小形狀確定，但位置不定.同樣，對(duì)開(kāi)洞位置的確定本身是一個(gè)布局優(yōu)化問(wèn)題，而且三層樓面及屋面屬于3個(gè)分開(kāi)的設(shè)計(jì)域中，各設(shè)計(jì)域內(nèi)洞口的對(duì)齊屬于約束，這種各設(shè)計(jì)域要求進(jìn)行開(kāi)洞布局優(yōu)化并帶對(duì)齊約束的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題也是研究甚少.為應(yīng)用軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，需要人為分析確定布置樓面及屋面開(kāi)洞位置.

(3)樓面及屋面豎向位置：樓面及屋面的豎向位置是不確定的，如果用優(yōu)化方法來(lái)設(shè)計(jì)，同樣屬于布局優(yōu)化問(wèn)題.針對(duì)加勁板的拓?fù)洳季謨?yōu)化問(wèn)題在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)有所研究，但這樣的樓面及屋面的位置布局問(wèn)題與加勁板的布局優(yōu)化不同，樓面及屋面的布局往往僅在一個(gè)方向上進(jìn)行位置優(yōu)化，各層面結(jié)構(gòu)有平行性的約束.為應(yīng)用軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，需要人為分析確定來(lái)布置樓面及屋面的豎向位置.

(4)墻體及樓層等結(jié)構(gòu)層在通常的土木工程結(jié)構(gòu)中是采用平面框架結(jié)構(gòu)形式，或空間網(wǎng)架等有一定結(jié)構(gòu)層厚度的結(jié)構(gòu)，但此題目中對(duì)墻體及樓層等結(jié)構(gòu)層的厚度沒(méi)有限定，這種非常大的設(shè)計(jì)空間如果用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方式來(lái)描述，必然導(dǎo)致三維連續(xù)體、二維連續(xù)體混合方式來(lái)表達(dá)設(shè)計(jì)空間，給計(jì)算及求解帶來(lái)很大困難及計(jì)算量.為應(yīng)用軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，需要人為確定墻體及樓層等結(jié)構(gòu)層的形式，比如指定為平面結(jié)構(gòu)形式.

(5)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、構(gòu)件局部穩(wěn)定及強(qiáng)度的要求在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的層面目前很少考慮，均是在后續(xù)的形狀或尺寸優(yōu)化時(shí)再考慮，拓?fù)鋬?yōu)化層面較多考慮剛度極大化的構(gòu)件布局優(yōu)化問(wèn)題.針對(duì)同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、構(gòu)件局部穩(wěn)定等要求的拓?fù)鋬?yōu)化研究進(jìn)行很少.應(yīng)用軟件進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，這類(lèi)力學(xué)性能的約束均暫時(shí)不考慮.

(6)結(jié)構(gòu)體系選型問(wèn)題.針對(duì)此設(shè)計(jì)題目，人工進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)會(huì)出現(xiàn)多種形式的結(jié)構(gòu)體系，存在結(jié)構(gòu)體系的選型問(wèn)題，對(duì)于體系的選型在創(chuàng)構(gòu)設(shè)計(jì)理論中屬于高于拓?fù)鋬?yōu)化層次的優(yōu)化問(wèn)題，也屬于難度最大的問(wèn)題，目前對(duì)此方面的研究甚少.

在對(duì)上述諸多方面，加入了人工決策信息之后，所得到的是一個(gè)極大簡(jiǎn)化了的設(shè)計(jì)問(wèn)題，設(shè)計(jì)的自由度小了很多.由此可見(jiàn)，即使是面對(duì)一個(gè)設(shè)計(jì)大賽這樣的簡(jiǎn)化版工程問(wèn)題，要完全由結(jié)構(gòu)創(chuàng)構(gòu)設(shè)計(jì)理論來(lái)進(jìn)行表述及求解也是不可能的，結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)理論的發(fā)展還有很大空間.

4 對(duì)設(shè)計(jì)題目的結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)初探

在對(duì)上述提及的一系列無(wú)法用軟件解決的問(wèn)題做出一定的人工決策之后，針對(duì)簡(jiǎn)化后的設(shè)計(jì)問(wèn)題，應(yīng)用OptiStuct軟件建立結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，用以指導(dǎo)構(gòu)件的布局設(shè)計(jì).

如下的人工決策不一定是最好的，僅作為一種示例說(shuō)明.為更靠近工程應(yīng)用，選擇對(duì)常規(guī)的三層樓結(jié)構(gòu)(體系選型決策)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，做出如下人工決策：

(1)豎向載荷作用在偏心載荷一側(cè)：考慮構(gòu)件穩(wěn)定是決定因素，將所有載荷盡量集中在一處，這樣載荷作用一側(cè)的結(jié)構(gòu)做強(qiáng)，另一側(cè)的結(jié)構(gòu)做弱，避免兩側(cè)結(jié)構(gòu)的構(gòu)件均需要處理壓桿穩(wěn)定問(wèn)題.

(2)樓面及屋面開(kāi)洞在偏心加載的另一側(cè)，即上條提到的弱結(jié)構(gòu)一側(cè).理由同上，使弱的一側(cè)盡量弱，結(jié)構(gòu)重心在加載一側(cè)，以減少偏心載荷所引起的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形.

(3)樓層及屋面均為平面框架結(jié)構(gòu)形式，豎向等間隔布置.

(4)墻體結(jié)構(gòu)為平面框架結(jié)構(gòu)形式.

(5)結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定、構(gòu)件局部穩(wěn)定及強(qiáng)度的要求在拓?fù)鋭?chuàng)構(gòu)設(shè)計(jì)階段不考慮，創(chuàng)構(gòu)設(shè)計(jì)目標(biāo)為極大化結(jié)構(gòu)剛度.

應(yīng)用軟件OptiStruct建立的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，為看清楚內(nèi)部結(jié)構(gòu)，前墻面沒(méi)有顯示，其對(duì)應(yīng)的基結(jié)構(gòu)與后墻面是相同的.拓?fù)鋬?yōu)化得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)布局如圖5所示，依據(jù)最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)建立的框架結(jié)構(gòu)模型如圖6所示，在載荷作用下的變形如圖7所示，沒(méi)有發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形.

從上述示例中可以看出，在加入了人工決策信息之后，應(yīng)用結(jié)構(gòu)創(chuàng)構(gòu)技術(shù)中的連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法，可以有效地給出創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案.此例中給出的方案有效地防止了偏心載荷作用下的結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形問(wèn)題.

圖4 三層樓結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

從結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)的視角，對(duì)一典型結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽題目分析應(yīng)用結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的可能性.發(fā)現(xiàn)存在很多新問(wèn)題難以應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行建模及求解.歸納如下結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)新問(wèn)題：

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)布局

圖6 三層樓結(jié)構(gòu)框架模型

圖7 三層樓結(jié)構(gòu)載荷作用下變形圖(無(wú)扭轉(zhuǎn)變形)

(1)載荷及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋮f(xié)同優(yōu)化問(wèn)題：結(jié)構(gòu)處于多工況組合作用下，部分工況載荷是確定的，部分工況的載荷為活動(dòng)載荷，需要協(xié)同拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)布局并優(yōu)化最佳活動(dòng)載荷的加載位置.

(2)開(kāi)洞及結(jié)構(gòu)拓?fù)鋮f(xié)同優(yōu)化問(wèn)題：在對(duì)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的同時(shí)，對(duì)結(jié)構(gòu)開(kāi)洞的大小、形狀或位置進(jìn)行拓?fù)洳季謨?yōu)化，甚至于多設(shè)計(jì)區(qū)域開(kāi)洞位置存在對(duì)齊、循環(huán)等各種排列形式約束.

(3)橫隔板位置布局、開(kāi)洞及加勁板拓?fù)鋮f(xié)同優(yōu)化問(wèn)題：對(duì)薄殼結(jié)構(gòu)的橫隔板位置布局、橫隔板上開(kāi)洞布局及橫隔板上加勁板拓?fù)洳季诌M(jìn)行協(xié)同拓?fù)鋬?yōu)化.

(4)考慮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題：可同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性及局部穩(wěn)定性指標(biāo)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題.

針對(duì)這些拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題，如何建立拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型，提出相應(yīng)的求解算法，是值得深入研究并有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值的命題.這些問(wèn)題的解決可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)理論及其應(yīng)用.

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(責(zé)任編輯:胡 漫)

O343.1

：A

10.6052/1000-0879-16-366

2016–11–08收到第1稿，2016–12–27收到修改稿.

1)國(guó)家自然科學(xué)基金(11672103)和湖南省自然科學(xué)基金(2016JJ6016)資助項(xiàng)目.

2)彭細(xì)榮，副教授，主要從事結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究.E-mail：pxr568@163.com

彭細(xì)榮,黎永索.結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)題所引發(fā)的結(jié)構(gòu)形態(tài)創(chuàng)構(gòu)新問(wèn)題.力學(xué)與實(shí)踐,2017,39(4):395-399

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