《漫谈结构的力与美》主题HiTalk微沙龙成功举办

2020年12月15日晚,土木工程学院副院长武岳教授做客HiTalk微沙龙,在二校区图书馆510研讨室与同学们漫谈结构设计中的力与美。

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杜东航同学作为本次微沙龙活动的主持人,首先对到场嘉宾及讲座内容进行了简单介绍。随后由武岳老师以结构设计中的实例为基础,阐述了结构的形态、力学与美学的紧密联系,并结合研究团队在结构找形优化等方面的最新成果展开了精彩纷呈的交流分享。

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在第一部分分享中,武岳老师介绍了结构的形与力的关联。

首先,武岳老师通过对拱桥与悬索的形态与受力进行对比,解释了“形”和“力”是反映结构特征的两个重要方面,两者相互影响,形态是结构受力状态的图解,因此我们所看到的结构正是形与力碰撞的结果。武老师提到,“著名建筑师Nervi曾说:‘结构应具有自己的表现力,合理的结构本身就蕴含着美。’设计师们对美态的追求推动了结构设计的不断发展。”

随后,武岳老师向大家展示了西班牙建筑师Gaudi使用丝线悬垂法设计的圣家大教堂。Gaudi通过逆向思维,对结构受拉状态分析将其受力形式转化为受压状态后进行设计,利用石材实现了美轮美奂的建筑效果。 

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进一步地,武岳老师通过介绍美国建筑师Fuller等人创新美观的工程实例引出了结构形态学的概念。

在这一部分的最后,武岳老师总结道:“结构形态学这一词中,‘形’代表了结构的外在美学,而‘态’则表示结构的内在力学。在结构设计中应当利用形与力的关系,‘以形导力,以力驭形’,实现结构整体性能优化与形式创新。”

在第二部分分享中,武岳老师介绍了结构形态学中常见的几种结构。

第一种是逆吊结构,1675年,英国科学家胡克发现:拱的合理形式与倒过来的悬索一致,即通过逆转过来后重力产生的效应来驾驭结构形式,这就是逆吊结构的由来。。这种结构形式还可以通过张拉法、充气法等来进一步扩大应用范围

此外,武岳老师还提到了其团队研究的数值逆吊法。相比于传统的试验找形,数值逆吊法通过有限元等数值模拟方法便捷地调整初始边界条件,从而快速地设计出多种多样的逆吊结构

武岳老师团队基于数值逆吊法所设计的中华祥云塔、冰雪餐厅等特色工程实例更是让在场的同学们赞叹不已。

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第二种是自由拓扑结构。这种结构基于数学中的拓扑理论,通过进化结构优化(Evolutionary Structure Optimization, ESO)等算法,对结构的初始拓扑形态进行保留、淘汰、补充等操作,得到树状结构等优美的结构形式。

第三种是互承结构。与传统结构中各个构件有主次之分不同,互承结构每个构件相互搭接,具有同等重要的地位。例如我国古代的《清明上河图》中展示的虹桥就属于互承结构的一种。武岳老师还展示了其团队研究的循环搭接找形法:通过渐进变化结构形式,该方法可以方便地找到满足需求的互承结构。

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在分享的最后,武岳老师希望同学们在科研和工作中体悟结构工程师的三重境界:设计安全的结构→设计合理的结构→创造有趣的结构

武岳老师的分享结束后,同学们兴致盎然,针对自己的疑问与武岳老师进行了热切的交流讨论。

其中一位同学针对横向荷载主导的结构如何使用逆吊法设计进行提问。武岳老师说到:逆吊法的本质是首先对结构在特定边界条件下的受拉状态进行分析,然后翻转得到最大限度发挥结构受压性能的结构形式,因此改变翻转方式即可实现。

还有同学问到了当代建筑学与结构设计的联系、当代结构工程师们如何发展自身等值得思考的问题,武老师建议大家多多储备建筑学知识,同时做到改进设计理论与创新材料技术并行

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至此,本次HiTalk微沙龙活动完美落幕。通过武岳老师深入浅出的讲解、平易近人的互动以及耐心细致的答疑,同学们对结构设计中如何将力学和美学交融以及未来在结构设计方面研究和发展方向有了更加深刻的认知。\

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