“世界教室”

項目介紹

    學(xué)習(xí)環(huán)境的質(zhì)量，尤其是采光、空間和聲響等方面，切實影響著我們的學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)體驗。鑒于這一點，F(xiàn)uture Systems建筑公司率先進行了“未來教室”的開發(fā)。

    他們的目標(biāo)是打造高品質(zhì)教室，讓孩子和成人能夠在一個賞心悅目、充滿靈感的環(huán)境中享受學(xué)習(xí)樂趣。此類教室打破了教師和學(xué)生的傳統(tǒng)角色定位，旨在激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造力和想像力。

    學(xué)生們可以在這樣的教室里相互協(xié)作，以富有創(chuàng)造性的方式使用各種各樣的新技術(shù)。該基礎(chǔ)設(shè)施將盡量“面向未來”，教師和學(xué)生可以攜帶通信設(shè)備進入教室，并將這些設(shè)備連入樓宇系統(tǒng)。

    學(xué)生們可以在教室的任何位置展示他們的成果，教室內(nèi)外之間將建立起真正的連接。部分遮蔽的露臺可用于進行表演或者個人/小組學(xué)習(xí)，而無論是在露臺上還是在室內(nèi)，都可以借助無線技術(shù)來使用ICT服務(wù)。

    教室將按照高標(biāo)準(zhǔn)采用玻璃鋼(GRP)進行預(yù)建造，不僅高效節(jié)能、持久耐用，而且具有出色的可復(fù)制性。

挑戰(zhàn)

設(shè)計范圍包含一個由衛(wèi)生間、衣帽間和儲藏室等房間組成的服務(wù)區(qū)、一個通過屋頂通風(fēng)窗進行采光的大型弧形教學(xué)區(qū)，以及一面對著露臺方向的玻璃幕墻。該建筑的環(huán)境控制策略充分利用了自然通風(fēng)和日光照明。橢圓形的外包層使建筑可以保持較少的物化能消耗，并最大程度減小了表面積，從而盡量降低熱損失。

“世界教室”的有限元模型

建筑外層上指明管道最佳布局的載荷路徑

解決方案

    優(yōu)化教室結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是針對給定的設(shè)計空間，利用有限元分析來確定最佳材料布局的過程，在此過程中，要考慮到多個設(shè)計約束。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于航空航天和汽車市場中，用以盡量減少結(jié)構(gòu)組件中所使用的材料。Future Systems及其結(jié)構(gòu)工程合作伙伴Creactive Design希望探究出是否能夠利用拓撲優(yōu)化技術(shù)對這個“世界教室”的創(chuàng)新式多功能屋頂?shù)脑O(shè)計加以改良。

    Altair開發(fā)的市場領(lǐng)先的優(yōu)化軟件解決方案——HyperWorks仿真技術(shù)套件中的OptiStruct在業(yè)內(nèi)享譽盛名，因此，Creactive將合作目光投向Altair及其產(chǎn)品設(shè)計部Altair ProductDesign，以期他們能夠協(xié)助完成這個探索性項目。

    Altair ProductDesign的任務(wù)是確定教室屋頂?shù)哪男┪恢眯枰�進行加固，以及按照機電系統(tǒng)的鋪設(shè)走向還應(yīng)在哪些位置進行雙重加固。在屋頂加固作業(yè)中，既要最大程度保證整個建筑的剛度，又要避免使用過多的材料。為達到這一目標(biāo)，Altair ProductDesign定義了由恒載和活載組成的關(guān)鍵載荷工況，其中包括屋頂本身重量，以及風(fēng)載荷、雪載荷等額外載荷和可能發(fā)生的撞擊與使用不當(dāng)。該團隊使用HyperWorks套件開發(fā)出教室結(jié)構(gòu)的有限元(FE)模型，并向其施加了經(jīng)過確認的關(guān)鍵載荷工況。

施加載荷后的位移等值線圖

    團隊經(jīng)過分析確定了在自重載荷、雪載荷、風(fēng)載荷和使用不當(dāng)?shù)蓉撦d條件下，教室結(jié)構(gòu)的哪些區(qū)域所受應(yīng)力最大，并認為弧形外邊緣上用于緊固建筑整體結(jié)構(gòu)的第一組螺栓將承受絕大部分作用力。此外，團隊通過使用OptiStruct了解到屋頂結(jié)構(gòu)中的哪些位置需要使用加強筋才能達到性能目標(biāo)。

    借助分析數(shù)據(jù)，Altair ProductDesign團隊能夠給出機電系統(tǒng)以及屋頂管道的最佳布局建議，并對照拓撲結(jié)果進行調(diào)整以保持一致，從而最大程度提高整體結(jié)構(gòu)的剛度。

結(jié)論

    通過在設(shè)計流程中使用拓撲優(yōu)化方法，該團隊獲取了寶貴的信息，不但深入了解了結(jié)構(gòu)特性，還使大家更加有信心確保最終設(shè)計方案在應(yīng)用于建造過程時會達到預(yù)期效果。

自從該項目實施后世界教室”已先后落戶于英國倫敦里士滿的Meadlands小學(xué)、Grey Court中學(xué)和Strathmore特殊學(xué)校。

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本文標(biāo)題：利用優(yōu)化技術(shù)改進，可復(fù)制教室環(huán)境的設(shè)計

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