基于结构性能的主动弯曲竹网壳生形研究

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在20世纪80年代之后,由于木材的过度砍伐,现如今世界上的森林面积正在逐渐萎缩,但是全球竹林面积却在增长。由于建筑行业对木材的使用量相当巨大占总非燃料用木材的一半以上且随着全球生态能源问题的日渐突出,竹材又逐渐重新步入建筑师的视野。天然竹材有着比木材更好的轴向抗拉抗压性能以及较好的韧性,但其纵向截面的受压性能一般且易开裂。因此对于竹材最佳的使用方式是能充分的使用其受压及受弯的材料特性。而主动弯曲形式的网壳恰好能充分利用竹材的材料特性,网壳结构形式其内部杆件主要受拉及受压且竹材恰好能满足主动弯曲形式对于材料弹性要求。正是由于竹网壳独特的材料特性使其在建构方式及生形设计上比传统木、钢网壳都要更为复杂。将材料特性及施工过程与形态设计相结合才能实现主动弯曲竹网壳形态设计更具有合理性及可建性。目前对于主动弯曲竹网壳的数字化生形和结构性能分析模拟仍然存在一些问题。首先,由于原竹生长地、生长年限及品种的等方面的差异性,导致不同批次的竹材会存在物理参数不同情况。因此引发原竹自身的物理力学参数在结构性能分析软件中设置问题;其次,在软件生形及分析中竹杆件受弯产生内应力,若形体曲率过大会使竹材遭受破坏,因此对于竹杆件所允许的最大应力值得设定成为主动弯曲竹网壳形态设计的一关键;借助参数化的方式有利于帮助设计师在竹网壳设计过程中模拟生成精准的参数模型以此为实际建造提供更精确的制造条件,但对于主动弯曲竹网壳的参数化生形流程的并未十分完善。对于主动弯曲竹网壳而言成型方式即建造方式,“形态”的可建性及合理性决定主动弯曲竹网壳设计方法及建造过程。在设计阶段对建造的把控有利于实现设计和建造结果的一致性。因此本文对竹杆件弹性弯曲参数化模拟展开探讨,作者在第四章借助参数化设计平台Grasshopper结合结构分析插件Karamba对主动弯曲竹网壳的两种方向生形设计进行研究,并基于力学模拟方法建立主动弯曲竹网壳生形流程。并通过两组实验性建构对参数化主动弯曲形式竹网壳生形流程进行检验,为今后主动弯曲竹网壳的设计提供参考。
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