Altair Inspire通過拓撲優化創建了一個體育場概念

用戶能評估不同的材料以評估成本和性能的權衡，也受益於減輕重量的優化。

 

每四年一次，奧運會將成千上萬的運動員和觀眾聚集在一起，參加最大的國際體育賽事之一。一個國家舉辦奧運會的機會使他們能夠對自己的文化和創新的未來做出藝術陳述。例如， 中國著名的 2008 年奧運會體育場 被暱稱為“鳥巢”，因為用於支撐它的結構梁類似於鳥巢中的複雜編織樹枝，這是該項目的靈感來源。

為了支持申辦奧運會，東道國通常會建造全新的體育場館和其他基礎設施，這需要仔細規劃，當然也需要大量資金。對於像體育場這樣大的項目，準備時間又這麼短，確保設計可行、美觀且在預算範圍內是最重要的。  

儘管時間緊迫且預算有限，但現代模擬軟件使建築師能夠創建創新且結構合理的體育場，同時在設計中仍能展示一個國家的文化和生活方式的關鍵特徵。使用 拓撲優化，設計人員可以自由地解釋新概念的加載模式，而不會冒結構問題的風險。 

Altair® 啟發™ 加速創新、結構高效的零件和組件的創建、優化和研究。其拓撲優化技術旨在反映骨骼如何響應人體壓力而生長。仿生方法使設計工程師能夠在設計空間內產生有機外觀的載荷路徑，並確保整個結構使用盡可能少的材料滿足強度和剛度目標。結果是美觀且實用的設計也受益於材料成本的節省。 

Altair 的工程師使用 Inspire 通過拓撲優化創建了一個體育場概念，這種方法影響了許多過去的奧林匹克體育場項目。

使用 Altair Inspire 創建的 Colossus 體育場設計項目模型。

我們與 Altair 全球建築工程與施工高級總監 Luca Frattari 進行了交談，以深入了解他的“巨像”體育場博士項目的靈感，以及他對計算機輔助工程 (CAE) 在建築中的應用的見解將來會看起來像。 

Colossus 項目的靈感是什麼？您希望通過這個技術演示器展示什麼技術和方法？

在這個項目中，我試圖利用我們可用的優化技術，即應用於三維域的拓撲優化。體育場上的每一個環都由不同的建築細節製成。體育場有兩個對稱軸，因此如果您將設計的四分之一鏡像兩次，它將模仿整個設計佈局。當這個項目在 2010 年進行時，我們沒有足夠強大的計算機來處理這種大小的模型，所以我們一次只能處理它的四分之一。從研究的角度來看，目的是利用拓撲優化來獲得盡可能多的洞察力。如果仔細觀察外圈，它與中圈和底圈不同，每個圈的支撐設計都略有不同。我的目標是避免技術的局限性，只是為了看看我可以獲得什麼類型的結果並創建對建模結果的字面解釋。我沒有將結構合理化為由標準梁、桿或線性元素組成。我想有盡可能多的連接，讓結構的流動從上到下“移動”。當時作為一名設計師，我想看看我可以用這種方法創造多少。這讓我想到了你在這張照片中看到的東西，比你通常在這樣的設計中看到的更傾向於美學。我想有盡可能多的連接，讓結構的流動從上到下“移動”。當時作為一名設計師，我想看看我可以用這種方法創造多少。這讓我想到了你在這張照片中看到的東西，比你通常在這樣的設計中看到的更傾向於美學。我想有盡可能多的連接，讓結構的流動從上到下“移動”。當時作為一名設計師，我想看看我可以用這種方法創造多少。這讓我想到了你在這張照片中看到的東西，比你通常在這樣的設計中看到的更傾向於美學。 

使用拓撲優化技術重新設計體育場。

你能引導我們完成重新設計的過程嗎？

在 Altair Inspire 中，這個版本是用鋼筋混凝土製成的，但正如你在這裡看到的，解釋很重，這意味著設計師從原始設計中提取了大量信息，並創建了一個與最初概念截然不同的新版本。它在結構上更加精明，因為它已經嵌入了既定的結構概念，但它並不一定要突破美學界限，所以這就是我想要用最新的解釋來做的。澄清一下，這個項目的範圍是證明這項技術可以產生這些類型的概念，但不會取代設計師。衍生式設計可能感覺像是將設計師從設計中抽離出來，但實際上，它增強了設計師必須具有創造力的能力。這項技術讓設計師不僅可以探索新的形狀， 

使用鋼筋混凝土材料詮釋體育場。

拓撲優化是否在其優化中考慮了材料？用戶能否評估不同的材料以評估成本和性能的權衡？

在設計的早期階段，根據項目所需的材料密度或特性，您選擇的材料類型可能無法用於最終設計。也許你知道它的風格，並希望它成為一個非常傳統的體育場，就像英國足球場一樣，或者像你現在在中東看到的一些體育場一樣更加有機。當然，在改變材料和改進性能、剛度或特別是成本方面存在權衡。製造約束有時比材料更能影響優化結果。但在這個層面上，我們正​​在宏觀層面上工作，並試圖確定材料應該去哪里以及需要多少。 

在我的研究過程中探索所有這些結構見解非常直觀。你可以設計一個形狀，它可以是一個非常先進的設計，但你必須接受結構完整性的潛在妥協。出於多種原因，您可能會發現，例如，您無法生產特定長度的柱子或懸臂，因為材料和時間不可能或不符合規定。設計過程越詳細，您將面臨的限制就越多。在這個階段，想法是探索形狀。通過在早期階段使用模擬，您可以開發一個藝術願景，一個形狀，您知道大致可行，這樣下游您就不必做出可能破壞結構的某些藝術完整性的巨大妥協。 

雖然突破設計的極限，看看你可以用不同的材料和設計創造什麼很重要，但創作者必須牢記，奧林匹克體育場是國家表達文化和技術進步的媒介。因此，這個國家的文化首先需要被視為他們生活方式的象徵，並為奧運會而聚在一起。 

我相信像 Altair Inspire 這樣的工具可以幫助此類項目的概念化，因為我的架構師看到了快速創建這些類型概念的優勢，同時避免了代價高昂的設計錯誤和廢棄工作的風險。  

在初始設計期間，體育場設計的哪些領域最重要？是否有外部觀察者不太明顯的區域也受益於減輕重量的優化？ 

一般來說，在設計體育場館時，顯然有一些強制性的設計要求需要考慮，包括結構安全性、可達性和成本。在這種情況下，在概念階段，我的興趣在於支撐物或柱子。對我來說，這些元素確實可以展示我們所討論過的此類技術的潛力，因為我想說幾乎不可能將這些類型的元素可視化，這些元素可以將一層連接到另一層，就像這張圖片一樣。創造各種形狀的可能性對我來說很有吸引力。如果朝頂部看第一個和第二個環，可以看到有 45 度的傾斜。傾斜部分的目的是確保地板不會在任何地方移動或倒塌，這是摩天大樓或非常高的建築物的特徵。這是你在概念層面無法想出的東西，而模擬和衍生式設計將設計師的能力提升到一個新的水平。設置負載後，您可以在該技術中獲得真正獨特的形狀和結構建議。

Inspire 技術支持大型結構的有機生成設計，如圖所示。

體育場設計中最具挑戰性的方面有哪些？ 

當然，安全是建築師、設計師和工程師應該關注的地方。有多種設計方案需要考慮，在 Altair Inspire 中的 SimSolid 求解器中，您可以評估複雜組件（如體育場）的結​​構可行性，並在幾分鐘內獲得分析結果。對於體育場等建築物，您需要考慮地震作用或由跺腳或跳躍等動作引起的感應振動，以確定這些動作何時以及如何影響結構。這種規模的結構每年可能會被數千人佔用，並且在任何情況下，人群都可以開始歡呼和跳躍，因為他們的團隊贏得了比賽，因此您需要考慮此類場景可能產生的負載。 

您有最喜歡的奧運場館設計嗎？從設計的角度來看，這座體育場有何創新之處？

弗雷·奧托 (Frei Otto) 設計的 1972 年慕尼黑奧林匹克體育場。這是一個美麗的設計，融合了湖泊、景觀，結構的屋頂由鋼索和頂部的玻璃板組成。這只是一個非常雄偉的結構。Otto 以創造輕量級設計和原型而聞名，他們有足夠的膽量設計出當時如此雄心勃勃的東西，並具有風格和非常強大的技術背景。 

 

慕尼黑奧林匹克體育場

土木工程仿真的現狀如何？您如何看待 CAE 在未來發展的大型建築項目中的使用？

我想說的是，CAE 在土木工程中有大量用途，在 3D 結構設計和優化中佔有重要地位。所有在這些領域在奧林匹克體育場層面工作的公司都已經擁有經驗和必要的工具。大多數時候，我什至會說他們牽頭起草行業設計標準，並針對諸如風測試或抗震設計等學科進行改進。 

CAE 將在簡化大型建築項目的工作流程方面發揮更大的作用。這個領域的公司需要一種方法來進行設計更改，而不會僅僅由於其規模而影響其現有工作。假設有一個十個步驟的過程，無論設計更新必鬚髮生在哪裡，他們都需要工具來根據需要啟用更改，而設計的其餘部分應該自動更新並適應該更改。它可能是項目截止日期的重大變更或最後一刻的變更。在奧運會上，他們可能會在開幕式前24小時完成園林綠化，因此時間至關重要。或者可能影響結構的美學變化，但您不希望這種變化需要繁瑣的模型更新或對單個模型細節的手動工作。這些是影響工程、諮詢、

我看到越來越聰明地採用 CAE，尤其是對於不同平台之間的數據流。公司正在花費更多資金來避免常見的設計瓶頸，因為他們希望在其技術之間具有滲透性。他們正在從最好的供應商那裡尋找最好的工具，有了 Altair，您可以在一個平台下訪問所有必要的結構分析和優化工具，並為您提供完整的 CAD 連接和模型傳輸解決方案。其車輛部件按照其嚴格的規格執行，並提供客戶期望的卓越質量。