Altair Taiwan Blog

2019年7月10日-12日，由業界領先的CAE解決方案供應商Altair舉辦的 “ 2019 Altair技術大會（2019 ATC）”在上海成功召開。在會議期間，e-works記者有幸採訪了ARUP副董事汪洋博士，圍繞模擬技術用於建築行業的背景，ARUP如何採用Altair提供的軟體解決建築難題，數位技術在建築行業的應用案例等問題進行了深入交流，最後汪洋博士還分享了他將數位技術用於建築行業的感悟。

隨著全球經濟的快速發展，科學技術正在日新月異，城市人口集中，用地緊張，以及商業競爭的激烈化，建築高度也隨之朝向高層化趨勢發展，結構層次的樣式設計更是種類繁多，不少新型建築樣式在各大城市中平地拔起，成為不同城市的標誌性代表。

然而，在不斷快速發展的同時，建築設計行業也面臨著前所未有的挑戰，例如材料短缺、環境影響以及技術競爭等。同時，建築層次的增高與複雜程度的加深，也對結構設計方面提出了更高的要求，建築的結構越來越複雜，各種合作要求也非常多，客戶的定制化需求，缺乏成熟經驗。

近年來，在高層建築設計過程中，尋求更輕質、更低成本且能可持續發展的結構，成為建築工程師們的共識。而隨著高速電腦的問世和演算法的快速進步，數位技術的出現，也催生了建築行業的設計變革。通過引入數位技術，不僅使得建築設計流程發生了變革，也為建築行業提供了定量化、精細化管理的支援。

一直以來，ARUP與Altair公司有著很深的合作淵源，全球化合作很早就開始了，中國公司也不例外，都是同樣一套技術標準。ARUP副董事汪洋博士介紹：“在2000年進入ARUP中國深圳接手數位化建設工作時，最先接觸的結構數位優化軟體就是Altair HyperWorks。2014年開始，ARUP著手推進數位化轉型，主要的策略概況為四點：第一是創新的自動化；第二是資料驅動；第三是數位技術服務；第四是數位產品。通過專業知識和上述四點融合，並且建立一個行業生態圈，把前端的設計和最終的末端的營運有機的結合起來，形成一個服務業為主的一體解決方案的平臺。”

在ARUP深圳，第一個接觸到CAE優化的專案是廣州塔（小蠻腰）——位於廣州市中心，城市新中軸線與珠江景觀軸交匯處，與海心沙島和廣州市21世紀CBD區珠江新城隔江相望，於2009年9月建成，包括發射天線在內，高達600米，而其在坊間稱為“小蠻腰”是因為其最細處在中間腰部，它是中國第一高塔，世界第四高塔。

除了廣州塔外，當時全國最高超過500米的在設計的建築有4個，分別是廣州東塔、天津117、上海中心、深圳平安中心。

在當時，在抗震區針對500米以上結構體系的建築，設計過程中缺乏相應的控制指標，如超高結構，長週期地震作用下控制哪些關鍵參數是一個非常棘手的問題，即使在美國、日本這樣的強震多發國家，這麼高層的建築也沒有成熟的對策可以借鑒。

幸好當時有Altair這樣的專業數位優化工具來進行分佈優化，才能破解這些建築難題。“建築行業中的剪重比是抗震設計中非常重要的參數，不同的結構設計、不同的地區、不同的地質條件對於建築設計的抗震性都有很大影響，對於高層建築這種複雜結構設計而言更是如此，僅僅依靠工程師的經驗往往難以合理分佈建築的構件。借助Altair HyperWorks優化工具，可以使建築構建佈局更加合理，滿足建築和業主要求。同時，優化方案使得結構週期縮短，結構鋼度增加，滿足剪重比要求，並且總的結構品質並沒有增加，這種方式讓建築行業受益匪淺。”汪洋博士表示。

另外一個獨特的項目是華潤集團總部辦公大樓的結構設計，這座造型獨特的超高層建築位於深圳灣後海商務區，高近400米，其建築外形宛如破土而出的春筍，56根外部細柱從底部的斜肋構架延伸，以流暢的弧線在頂部彙聚形成水晶型頂蓋。為了充分展現建築師的意圖，設計了鋼結構密柱框架和混凝土核心筒的結構系統，未設結構加強層，實現塔樓簡約輕盈的建築美學，是深圳天際線中一道獨特的風景線。

華潤集團總部辦公大樓

華潤集團總部辦公大樓

在華潤集團總部辦公大樓專案設計之初，ARUP團隊就採用3D/BIM的參數化模型分析技術，提升設計效率和多專業整合的品質，實現了鋼結構與幕牆空間關係和製造安裝的視覺化，識別施工過程中的潛在衝突問題，並預先解決。快速生成和自動修改分析模型為結構優化創造了有利條件。之後，AURP採用了先進的Altair結構數位優化技術來評估不同斜力形狀對結構的影響，通過兩種形狀比對，以確定哪種形狀對結構最有利。

汪洋指出：“能夠有效交付如此龐大而精密的工程，得益于我們集成化智慧設計工具的開發應用，其中將Altair數位優化工具貫穿於設計的始終。”事實上，運用Altair數位優化工具進行建築外形在荷載下的效率比選，在設計之初，建築設計師就能與業主進行充分討論交流，並給出明確的、最合理的一種形狀解決方案。

運用Altair數位優化工具對華潤集團總部辦公大樓

進行結構設計優化

專案在初步設計過程中，進行了結構的屈曲模態分析、施工類比、溫度分析、節點有限元分析、整體抗震和抗風消能減振和樓板振動舒適度分析、結構材料用量、工程經濟性分析和承載力校核工作等一系列專項研究。不僅如此，團隊在項目設計過程中也採用了基於材料、幾何非線性手段進行了整體結構類比振動臺試驗的大震彈塑性分析。

在複雜建築的設計階段，尤其是針對一些複雜、非常規性建築形式，工程師們更是難以依靠經驗找到最優的結構佈置。其中一個很典型的案例就是ARUP承接的一個樓梯設計專案，在前期，當時業主尋求了很多設計方案均未滿足其要求，最大難度在於：為了體現建築美感，從二樓到一樓大堂，樓梯螺旋下方需要做到完全沒有柱子。

沒有柱子怎麼實現呢？ARUP工程師發現，蜻蜓翅膀的結構是大自然的優化結果，這種仿生結構演變思路是否可以用於螺旋樓梯的設計呢？基於這個靈感，ARUP工程師借助Altair數字優化工具，通過拓撲優化在給定的空間結構中產生優化的形狀及材料分佈，形成一個概念性的設計方案去指導結構佈置，並最終實現了業主的要求。

另外一個項目是京基100建築，原名京基金融中心（KingKey Financial Center），樓高441.8米，共100層，是目前深圳第二高樓、中國內地第九高樓、全球第十七高樓。當時的建築結構中，有一個伸臂結構，需要深入到混凝土剪力牆中去，而伸臂和混凝土剪力牆連接節點形式一直難以找到解決方案。最終，借助於Altair數位技術進行了拓撲優化，判斷出了該節點的最終形狀，實現了最優傳力。

最後，汪洋指出：“借助數位技術，工程師能快速地從眾多設計變數中找到最敏感的設計變數和最優的結果。結構工程師在早期階段能充分介入並發揮作用，不僅優化結構還能提升整體建築效能。同時，他還強調，雖然數位技術非常強大，但仍離不開工程師設計經驗，沒有這些經驗，目標函數，約束定義，設計變數限值等的確定都會變得異常困難，最優化設計無從談起。”