16828

16828

توسعه ابزار پشتيبان طراحي براي طرح بندي اوليه سازه اي در تعامل با طرح معماري ساختمان هاي بنايي

دكتري

معماري

آذر ماه 1395

دكتر فاطمه مهديزاده سراج - دكتر هاشم هاشم نژاد

معماري و شهرسازي

چكيده در فرايند طراحي كلاسيك، طرح بندي سازه اي مشتمل بر انتخاب اندازه و جانمايي مطلوب المان هاي سازه اي بر روي يك طرح معماري، با اتمام مرحله اوليه طراحي معماري و آغاز مرحله تفصيلي طراحي معماري انجام مي پذيرد. اين در حاليست كه در مراحل تفصيلي طراحي ميزان اثر گذاري تصميمات طراحي بر قابليت هاي عملكردي بنا كاهش پيدا مي كند. به اين منظور رويكرد تحويل پروژه يكپارچه IPD سعي در بازتعريف فرايند طراحي بگونه اي دارد كه تصميمات طراحي تا حد ممكن به سوي مراحل بالادستي و آغازين پروژه به طور همزمان انتقال يابند. مهمترين ابزاري كه امكان تغيير استراتژي از فرايند كلاسيك طراحي به رويكرد IPD را امكان پذير مي سازد استفاده از ابزار ديجيتال به عنوان پشتيبان طراحي است. در اين راستا اين پژوهش، يك ابزار تعاملي براي توليد مدل يكپارچه معماري- سازه اي معرفي مي كند كه در مكانيابي بهينه المان هاي سازه اي به طراح كمك مي كند. فرايند طراحي تعاملي معرفي شده در اين ابزار با هدف توليد تعاملي يك طرح معماري و سپس توليد و جانمايي خودكار المان سازه اي شامل ديوارهاي باربر، ستون ها، تيرها و دال ها بر روي آن توسعه مي يابد. اين پژوهش براي سازه هاي بنايي مناسب سازي شده است. براي توسعه اين ابزار، اين رساله در دو گام اصلي تعريف شده است: 1. مدل سازي اوليه معماري و 2. بهينه يابي طرح بندي سازه اي بر روي مدل معماري توليد شده. در گام اول، چارچوب اوليه براي طراحي معماري بر اساس مجموعه اي از الزامات سازه اي بالاخص الزامات لرزه اي و معماري، تعريف و اعمال شده است. در گام دوم، طرح بندي سازه اي بر اساس مدل معماريِ طراحي شده، در شش مرحله 1. توليد شبكه سازه اي اوليه، 2. تخمين بار وارده بر اعضاء، 3. محاسبه ظرفيت باربري المان هاي سازه اي، 4. پايدار سازي شبكه سازه اي ناپايدار، 5. بهينه يابي ستون ها و 6. بهينه يابي كلي طرح بندي سازه اي مي شود كه از بالاترين طبقه ساختمان آغاز شده و براي ساير طبقات به ترتيب ادامه پيدا مي كند. روش پيشنهادي اين رساله، به صورت بي درنگ، پايداري يك مدل سازه اي اوليه را به صورت تقريبي تحليل كرده و پيشنهاداتي براي چگونگي استقرار بهينه اعضاء سازه در طبقات را در اختيار طراح مي گذارد. اين روش با هدف به حداكثر رساندن يكپارچگي ميان طرح سازه اي و طرح معماري با استفاده از الگوريتم بهينه يابيِ mixed-Integer نوين، تلاش مي كند به صورت بهينه، بار را ميان ديوارهاي موجود و كمترين تعدادِ مورد نيازِ ستون هاي سازه اي اضافه شده به طرح توزيع كند. به منظور تاييد اعتبار نتايج، روش هاي پيشنهادي از دو منظر مورد ارزيابي قرار گرفته اند. مهم ترين هدف بهينه يابي با استفاده از ابزار ديجيتال، دستيابي به پاسخ هاي بهينه ايست كه حصول آن توسط طراح مستلزم سعي و خطاي فراوان بوده و در هنگام افزايش آلترناتيوهاي موجود براي حل يك مسئله به دشواري امكان پذير است. از اين روي براي ارزيابي ميزان بهبود نتايج حاصله از اين ابزار نسبت به روش هاي كلاسيكِ دستي طرح بندي سازه اي، مقايسه آماري تطبيقي بكار گرفته شده است. همچنين به منظور اثبات درستي محاسبات سازه اي ساده سازي شده كه به جهت افزايش سرعت محاسبات بكار گرفته شده اند، نتايج سازه اي با نتايج محاسبات به روش اجزاي محدود مقايسه شده اند. واژه‌هاي كليدي: طراحي مقدماتي چند منظوره، طراحي به كمك رايانه، طرح بندي سازه اي، ساختمان‌هاي بنايي، طراحي تعاملي، بهينه يابي توپولوژيك سازه اي، تطبيق پذيري آيين نامه اي لرزه اي.

1395/12/09

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: Multi-disciplinary approaches at the early stages of design assist designers to solve various design problems more effectively an​d efficiently. Accordingly a structurally-sound preliminary architectural design should integrate the architectural an​d structural considerations to reduce the architectural an​d structural conflicts at the late stages of design. One of the most important structural design task at the early stages of design is structural layout. The optimal structural layout is to find the most appropriate arrangement of structural elements on an architectural model. The output will be an integrated structural-architectural model which can be implemented for downstream structural an​d constructability eva​luations. Finding the best structural layout solution for a given conventional architectural model mostly is done based on the high degree of experts’ experiences an​d knowledge. When a number of feasible structural solutions raises by increasing the complexity of architectural design, finding the optimal structural solution becomes a laborious an​d fallible task. In this case computer programs can assist designers to obtain better solutions among all possible solutions of a design problem. In this research an interactive tool has been proposed assisting architects in finding the structurally feasible preliminary building model from two important points of view. At first, the proposed tool assists designers to model initial architectural model according to a set of architectural an​d structural principles. Structural principles are basic architectural provisions stated in seismic codes. Architectural principles are basic architectural rules which make a model architecturally feasible. In order to make the tool practical at the primary stages of design interactive methods have been proposed facilitating the process of shape exploration. At the second stage, the proposed tool tries to find the most appropriate structural layout as the optimally placement of structural elements, including beams, slabs, columns, an​d load bearing walls on the architectural model generated at previous stage. As discussed the model is able to have different interior spatial layouts at different levels. This research has been specialized for the masonry buildings. The optimal solution has been introduced as a structural layout which maximally transfers loads by using the existing building elements an​d uses the minimum number of inserted columns an​d beams. This results in maximum compatibility of structural layout with the architectural model. To find the optimal structural grid at each level (1) the input floor plan is used to create an initial structural grid. (2) This grid is analyzed an​d the feasibility of all elements is calculated (3) unstable elements are shown to designer for further decisions. (4) In all slabs adjacent to infeasible elements additional columns are added. The steps (3) an​d (4) are repeated until there are no more infeasible elements an​d a stabilized grid is found. (5) On this grid the column optimizer is run which merges columns an​d returns a minimal stable configuration. (6) Afterwards the arrangement of columns is optimized. This is achieved by a novel non-linear optimization algorithm that tries to optimally distribute loads between existing walls an​d a minimum number of needed columns. To validate the tool two methods have been implemented. The first, has eva​luated how automated results improve structural layouts comparing to the traditional manual techniques by comparing them via using a set of specific metrics. To validate the proposed simplified structural methods, the results have been compared to the results of Finite Element Analysis to compare the consumed time an​d the compatibility of the analysis outputs. Keywords: Computer Aided Design, Structural Layout, structural-architectural design, multi-disciplinary preliminary design, masonry buildings, interactive design, structural topology optimization, code compliance checking