設計與工程團隊決定使用造船業開創的一種方法：內部為彎曲鋼板，附有框架網作為承重結構。
占地36，000平方英尺的火車站換乘大廳是Arnhem Master Plan的核心；Arnhem Master Plan是荷蘭集辦公區、商場、住宅以及其他建筑物為一體的大型城市規劃項目。換乘大廳包括售票區和火車、出租車及公交車等候區、以及零售店和餐館等。由UNStudio創造的有機設計由一系列流暢的曲線組成。原計劃是用混凝土建造該結構，但復雜的曲線使混凝土方案變得不可行，因此設計人員轉而采用鋼材。設計與工程團隊并沒有使用帶承重桁架的傳統鋼結構，而是決定使用造船業開創的一種方法：內部為彎曲鋼板，附有框架網作為承重結構。鋼結構被分成150個小塊。這些構建塊在建筑廠完成制造，在現場進行裝配。
CentraL Industry Group (CIG)是一家從造船業起家的公司，現在也服務于建筑市場。該公司獲選建造這一獨特的結構。由于這種施工方法只在公共建筑中使用過幾次，因此需要進行大量計算來證明全局和局部強度、以及設計的剛度和穩定性。由于幾何結構非常復雜，因此使用傳統手動結構分析法在項目進度內進行所需的計算并不現實。事實上，我們很難估計手動計算需要用多長時間。但是，CIG精通ANSYS Mechanical Parametric Design Language (APDL)，可以利用自動方法在相對短的時間內執行分析。
創建結構模型
CIG的工程師首先在Rhinoceros@ 3D計算機輔助設計(CAD)軟件中利用建筑師提供的樓宇內部形狀創建了一個承重結構的完整模型。對實際形狀未做任何簡化。Rhinoceros無法導出厚度或材料，因此如果導出整個模型，必須手動重新創建厚度和材料。為了避免這個問題，CIG的工程師將Rhinoceros模型構建為一系列子文件，每個子文件都具有恒定的厚度和統一的材料。該結構主要由AH36鋼構成。他們使用Rhinoceros腳本，以SAT格式單獨導出每個子文件。然后，使用APDL腳本將每個子文件導入到ANSYSMechanical，同時獲取每個層的厚度和材料屬性。將每個子文件轉換為ANSYS Mechanical組，這樣可方便地查看或隱藏模型的每個部分。模型由SHELL281、SHELL132、BEAM189和COMBIN14單元組成。
全局分析
接下來，工程師執行全局強度／剛度／穩定性分析，并首次證明了可以利用這種施工方法構建該結構。團隊選擇了19種不同的載荷條件，包括重力、雪、風和環境溫度載荷等。這些載荷條件被組合成成75種載荷。工程師使用另一個APDL腳本執行了75次仿真，并搜索在每個單元中產生最高應力的載荷組合結果。然后，腳本將每個單元的最高應力繪制在單個結構圖像中，這樣一眼就能看到熱點。腳本在結構上確定了對每個單元產生最高應力的載荷組合的編號。這種方法使工程師能夠理解結構的性能，并節省了向客戶展示結果所需的時間。工程師在從全局模型獲得的子模型的邊界處執行指定的平移和旋轉，以便在子模型中進一步分析熱點。予模型包含更多結構細節和更密的網格。
工程師使用全局模型來仿真屋頂結構的現場模塊構建過程，以確定模塊裝配和臨時支撐上反作用力引起的剩余應力。剩余應力可用來定義單個結構項的局部穩定性計算裕量。反作用力可用來設計臨時支撐結構。
工程師執行全局線性和非線性屈曲分析以確定結構的全局穩定性。另外，使用全局剛度模型來確定靠近玻璃板區域的結構撓曲。通過仿真確定的最大撓曲大約為5cm，工程師在鋼材與玻璃之間的接頭留出小縫隙，從而解決了這個撓曲問題。
圖1 鋼結構的Rhinoceros模型
圖2 標準剛度配置與另一領先配置之間的絕對差
圖3 從需要“全局”子模型的區域得到的全局分析結果
圖4 通過全局強度分析確定的每個單元的最高應力值
支撐結構差異建模
車站大廳建在停車場等不同混凝土結構的上方。工程師使用彈簧單元將這些結構和下面土地的垂直剛度包含到模型中。承包商使用一種不同的有限元軟件套件對混凝土結構進行建模。
對于19種載荷條件中的每一種，工程師都反復在鋼結構ANSYS模型與混凝土結構分析之間迭代，同時改變支撐結構處的指定水平平移，直到兩個模型的水平運動和反作用力相等為止。
工程師利用數組表中一系列垂直彈簧常數創建APDL腳本，以通過不同彈簧值進行迭代。這使ANSYS模型能夠確定支撐結構屬性變化的效果。例如，如果某個支撐結構的剛性值比規范值高100%，這會如何影響鋼結構中的應力，如何影響支撐結構的反作用力呢？該分析可為混凝土停車結構的建造者提供結構約束。另一個APDL腳本則將標準剛度配置與剛度變化之間的差別繪制在結構上，以確定處理支撐結構變化所需的安全裕量。在計算支撐結構以及下節介紹的局部穩定性時需要這個裕量。
在建設之前利用仿真來測試建造方法，建筑師能夠設計出前所未有的創新建筑結構。
圖5 缺陷形狀的非線性失效分析(GNIA)
圖6 單個板的模型
調整單個板的大小
荷蘭和國際建筑規范都沒有指定具體方法來確定具有復雜曲線的板材的穩定性，因此工程師在ANSYS Mechanical中使用APDL腳本研發了一種分析方法。
APDL腳本在包含高度彎曲的區域和承重區域內從全局模型中創建子模型。這些子模型包含更多細節和更精細的網格。將全局分析中的內部節點力作為邊界條件，以表示板材中的應力。簡單地從平面外方向支撐邊緣。
當建造金屬薄板結構時，幾何結構無法完全匹配模型，因此需要有一定公差。為了將這些缺陷考慮在內，需要在孤立板材上執行線性屈曲分析。計算得到的最關鍵屈曲形狀可作為非線性分析的起始幾何結構。工程師對屈曲形狀的位移進行縮放，以符合建筑規范的最大允許缺陷。執行針對缺陷的幾何非線性彈性屈曲分析(GNIA)，以評估板材失效時的應力等級。在上文所述的變化分析中，確定了應力可能因支撐結構的變化而比分析得到的預測值高出10%，因此應將最大允許應力值減小10%。此外，考慮到上文所述的模塊構建過程中計算出的剩余應力，最大允許應力值還要進一步減小。APDL腳本自動執行整個過程，并生成客戶報告所需的相關數字、圖表和計算數據。
該項目說明了APDL能夠自動執行復雜分析過程。如果使用傳統的手動計算方法，這個項目所花費的時間將會超出項目研發周期。APDL腳本使得整個分析能夠高效、及時完成。如果沒有仿真，這個建筑結構就無法得到驗證，并有可能無法完成建設。在建設之前利用仿真來測試建造方法，建筑師能夠設計出前所未有的創新建筑結構。
專門介紹當代建筑與設計的出版物《AZURE雜志》．將Arnhem中央車站評為2015年十大最佳建筑。
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本文標題：仿真應用于建筑設計創新
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