20、建筑设计中的结构拓扑优化与情感计算融合探索

建筑设计中的结构拓扑优化与情感计算融合探索

结构拓扑优化：BESO与SIMP方法对比

在离散数字设计领域，对梁荷载的分析可视为离散元素的转换。以Project TRANSFOAMER为例，该项目旨在用热丝切割机切割高密度XPS泡沫块，再通过空间设计策略将其进行大规模聚合。其核心目标是提高效率，涵盖设计和制造过程。

离散块遵循两个三角形网格和一个正方形网格，并引入了点对点连接的计算逻辑。每个块有一个中心点（红色）和八个序列化的周边点（蓝色）。聚合时，第二个克隆块将其红色点连接到前一个块的蓝色点之一，然后旋转一定的欧拉角（八种类型），直至找到无碰撞的强组合。

为找到块与结构线之间的等效转换，使用karamba3D对两个块进行结构测试，显示了每种组合的位移和中心点之间的方向。经过大量不同的组合结构测试，发现力沿着中心点之间的方向传递，块的组合可视为特殊网格中60度角的结构线。

接下来对比了BESO和SIMP两种方法在Project TRANSFOAMER中的应用效果：
- BESO方法 ：在BESO方法中，荷载设置为1 KN/m³，变化迭代次数为10，收敛迭代次数为20。张力因子、压缩因子和BESO因子分别设置为1、2和0。为使结果更直观，所有块将被60度结构线取代，以显示剩余体积的百分比。最有效的结果是当变形达到悬臂长度的1/250时。一些典型结构的剩余体积百分比如下：
| 结构类型 | 剩余体积百分比 |
| ---- | ---- |
| 立方体 | 55% |
| 桁架 | 63% |
| 柱体 | 3% |
| 单层建筑 | 45% |
|