大型极小曲面壳体的生形与建构研究

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极小曲面由数学公式生成,具有特别的数学美感与艺术表现力。由于极小曲面独特的数理特性以及迷幻有趣的空间造型特征,给各个学科带来了诸多实际运用的场景;尤其在建筑领域体现出巨大的艺术价值与应用前景。但是,由于大型极小曲面壳体的高度复杂以及极致轻薄的特性,对结构力学设计以及曲面制作技术,构成了高难度的挑战。因此,基于结构性能的找形与制作方法的研究显得非常重要。本文首先从结构性能的视角,剖析高度复杂与轻薄壳体背后的结构逻辑与异规双曲面制作技术的关键问题。在此基础上,采用结合参数化设计技术和结构分析技术的协同生形方法,重点研究基于结构性能的极小曲面生形方法与流程,包括基于点单元的迭代优化找形法、基于结构框架线的迭代优化找形法和基于网格面的迭代优化找形法;并通过定性分析与量化实验,论证了这三种生形方法的可行性与有效性。基于经济性考量,本文提出了一种结合参数化设计与CNC数控技术的“先微分后积分”的极小曲面拟合方法,并通过实验演示和论证这种方法以及具体流程的便捷性和有效性。最终实现了极小曲面壳体由数学模型向力学模型的合理转化,并实现了极小曲面数字建构的经济性与效率性的双重目标。本文关于极小曲面壳体的生形与建构方法的研究成果,可为建筑数字化研究领域的纵深发展提供理论线索,并为建筑学科与结构工程学科的交叉融合发展发挥积极的促进与开拓作用。同时,为面向非线性建筑的设计体系的科学建构提供现实指导和实证参考价值。
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