超大跨城市穹顶结构新体系与形态优化研究

With the rapid development of modern engineering technologies and the requirement of environment quality, the dream of construction a kilometer-scaled super large-span domes (generally known as the Domed City) is gradually to be realistic, which aims to withstand extreme environmental conditions and climate changes or to build more livable regional environment. The proposed concept of the Dome City represents the development trends of macro structures, and vice versa, it also brings new challenges for the current engineering theory and technology. Centering around the structural simulation and optimization problems of the kilometer-scaled dome structure, this project will carry out the following researches: 1) the scale effect of engineering structures, which focuses on the influence of the super large-span on loads action and structural behavior; 2) the evaluation of the applicability of structural systems, which aims to evaluate that of traditional structural systems when adopted for a super large-span, with an overall consideration of building function, structural behavior, economic cost and etc.; 3) the development of the super large-span innovative structural systems, which aims to propose several new structural systems combined by multiple structural systems and multiple building materials, free-form structural systems with multiple supports below and floating space structural systems; 4) the structural optimization of the kilometer-scaled structures, which aims to propose several structural optimization methods considering multiple objectives, multiple levels and multiple load cases respectively. Based on these researches, the project intends to further enrich the structural morphology theory and spatial structural systems, and to provide technical storage for the design and construction of kilometer-scaled dome structures.

随着现代工程技术的发展和人们对环境质量的需求，建造千米级的超大跨度穹顶（即城市穹顶），以抵御极端气候、营造更为宜居的区域小环境，正逐渐从梦想走向现实。城市穹顶概念的提出体现了现代建筑结构巨型化的发展趋势，同时也对当前的工程理论和技术提出了新挑战。本项目围绕千米级城市穹顶结构的选型和优化问题，开展如下四方面研究：1）工程结构的尺度效应，即尺度增大会对荷载作用和结构受力性能产生哪些影响；2）体系适用性评价，即综合考虑建筑功能、结构受力和经济成本等因素，对传统空间结构体系的超大跨度适用性进行评价；3）超大跨度空间结构新体系研发，提出多体系、多材料组合型空间结构、下部分散支承型自由曲面结构和悬浮型空间结构；4）城市穹顶结构的形态优化，提出考虑多优化目标、多优化层次和多荷载工况的结构形态优化方法。希望通过本研究，进一步丰富结构形态理论和大跨空间结构体系，为千米级城市穹顶结构的设计建造提供技术储备。

本项目以超大跨城市穹顶结构为研究对象，通过理论分析、数值模拟和实验研究解决了其新体系和形态优化的若干问题，明确了超大跨空间结构可能面临的新问题，提出了多种高效的超大跨空间结构新体系，丰富与发展了现有空间结构体系，提出了适用于大型复杂结构的结构形态创建方法，填补了相关研究的空白。项目研究包括以下三部分内容： .（1）针对城市穹顶的概念进行探讨，以在北方寒冷地区建造一800m超大跨城市穹顶为工程背景，对刚性结构、杂交结构、柔性结构以及组合结构等四大类结构体系共计14种结构方案进行选型研究，总结了各方案的结构性能特点。针对双层网壳结构体系深入分析，开展了600余算例的大规模参数分析，考察并总结了结构性能指标的变化规律，为超大跨结构方案选型提供了有价值的参考。.（2）利用结构形态学方法建立了超大跨城市穹顶的形态创建方法，使结构具备受力更加合理、造型更加美观的结构形态。首先基于数值逆吊法并考虑城市穹顶建造的建筑要求，建立了两种多控制点网格结构形状创建方法，实现了多控制点逆吊曲面的形状创建。在创建结构曲面后，引入了Voronoi网格，对创建的合理曲面进行结构网格划分，提出了同时考虑几何指标与受力指标的综合评价指标，引入结构优化方法实现了网格优化创建。.（3）针对互承结构开展了研究工作，为超大跨城市穹顶新体系的选择提供了更丰富选择。提出了一种基于优化的互承结构找形方法，开展了互承结构的静力试验，建立了一种简化数值模拟方法。将互承结构与弦支结构结合，建立了弦支式互承结构体系，试验结果表明其可以有效提高互承结构刚度。将互承结构概念引入了张拉整体结构，建立了互承构形张拉整体结构，使张拉整体结构可以覆盖较大跨度。.通过本项目研究填补了我国在超大跨城市穹顶结构研究的空白，为现代空间结构由大型向巨型的跨越奠定了理论基础，完成了既定任务，达到了预期的研究目标。