福源來研發(fā)的新型節(jié)能橫鋪式聚氨酯封邊巖棉金屬幕墻板其組成部分主要包括芯材、面板和底板、聚氨酯側封；面板的兩端朝向內(nèi)面板一側彎折形成折邊；特征在于折邊與芯材之間固定設置有封堵板，折邊和封堵板共同形成圖形的大小和形狀與芯材端面的大小和形狀相同。還可設置粘貼膠帶，以實現(xiàn)密封、熱反射和隔熱作用。通過封堵板和折邊的配合實現(xiàn)了對芯材端面的完全密封，使得所形成的金屬幕墻板的四周均具有良好的密封性，解決了以往端面不密封或部分密封的缺點，使得所形成的金屬幕墻板具有良好的氣密性、水密性和保溫性能，保證了幕墻板的保溫、隔熱性能。采用隱藏式螺釘?shù)墓潭ǎ淖儌鹘y(tǒng)的外置鎖螺釘搭接方式，不但防水效果好且更美觀實用；獨特的暗扣式設計，防止了雨水滲透；表面立體化的設計使該系統(tǒng)具有觀賞性；可選用多種保溫物填充，起到加強平整度和強度的效果。
新型節(jié)能橫鋪式聚氨酯封邊巖棉金屬幕墻板的規(guī)格參數(shù)：
有效寬度：1000mm
厚度：50mm、75mm、100mm、150m
長度：板長可根據(jù)用戶需要切割
基板選用：彩涂鋼板/鋁鎂錳合金板/不銹鋼板
基板厚度：0.4mm-1.0mm
芯材材料：巖棉容重：100-140kg/m3，PU容重：32-45kg/m3
側邊鋼帶：無
連接方式：隱藏式
板面形式：外板純平、小波紋，內(nèi)板純平、等分壓筋
板面保護：雙面覆專用保護膜
防火性能：巖棉A級；聚氨酯B級
特性：耐火性能好，隔音、隔熱較好，安裝簡便、高效、美觀
新型節(jié)能橫鋪式聚氨酯封邊巖棉金屬幕墻板的產(chǎn)品優(yōu)勢：
1、暗釘連接，表面無外露螺釘，建筑墻體優(yōu)美流暢。
2、明釘連接，安裝方便。
3、極高抗彎載力，墻體力學性能優(yōu)越，減少對輔助鋼結構的依賴。
4、保溫性能上卓越，減少對建筑室內(nèi)空調(diào)裝置的費用。
5、多種外觀效果（水波紋、純平、方波）供用戶選擇，墻面美觀。
新型節(jié)能橫鋪式聚氨酯封邊巖棉金屬幕墻板客戶案例：
新型節(jié)能橫鋪式聚氨酯封邊巖棉金屬幕墻板板型圖集：
無錫市福源來彩板型鋼有限公司成立于1994年，前身是無錫長豐機械廠，2001年更名為無錫市福源來彩板型鋼有限公司，注冊資金500**建材，公司壓延金屬產(chǎn)品滿足冶金部、建筑研究總院金屬壓延技術設計要求，金屬外墻板符合國家建筑標準設計。
福源來新型節(jié)能橫鋪式聚氨酯封邊巖棉金屬幕墻板產(chǎn)品具有良好的絕熱、阻燃、隔音、環(huán)保、耐久性能，并廣泛應用于工業(yè)、商用建筑內(nèi)外墻、以及建筑外墻保溫、專用防火保溫門等領域 。
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結構優(yōu)化與建筑生形
1 引言
結構拓撲優(yōu)化的目的在于，在一定的約束條件下，通過尋找結構最優(yōu)的拓撲形態(tài)、形狀和尺寸，獲取最佳的結構性能。在當下材料資源短缺、環(huán)境影響以及技術競爭等多方壓力下，我們需要更輕質(zhì)、更低成本且能可持續(xù)發(fā)展的結構，因而最優(yōu)化的結構設計變得尤為重要。
在過去的30年間，隨著高速計算機的問世和算法的快速進步，越來越多的工程師和建筑師開始研究性能化設計。結構優(yōu)化起初主要出于學術興趣，現(xiàn)在迅速發(fā)展為實際應用。越來越多的研究直接將結構優(yōu)化算法或者程序包提供給結構、機械和建筑設計領域的終端用戶。
經(jīng)過多年的發(fā)展和完善，一些通用的結構優(yōu)化操作方法已經(jīng)建立并得到廣泛認可。在這些方法中，漸進結構優(yōu)化法（the EvolutionaryStructureal Optimisation，簡稱ESO）由于其易用性和高效性，被工程師和建筑師廣泛采用。ESO算法最早于20世紀90年代早期提出，通過逐漸去除結構中低應力材料，使余下的結構最終進化為最優(yōu)的形態(tài)，既簡單又快捷。ESO可以與一些商業(yè)的有限元分析（FEA）軟件進行互連，如“ABAQUS”和“ANSYS”；同時它還可以和一些流行的計算機輔助設計軟件整合使用，如犀牛（Rhinoceros）和瑪雅（Maya）。下文是一個利用ESO算法 進行形態(tài)優(yōu)化的樣例，很好地表達了一個重力作用下的懸掛物體形態(tài)的進化過程。初始模型中的頂部切了兩個開口，已形成一個固定在頂端的小柱。通過逐步去除低應力材料，最終獲得一個表面應力分布均勻的形態(tài)，類似蘋果或者櫻桃。
其后提出的雙向漸進優(yōu)化算法（the Bi-directional ESO，簡稱 “BESO”）,在上述算法基礎上更加完善。材料除了能夠從結構中移除，還可以在最需要的部位生長。從數(shù)值優(yōu)化的角度，這種雙向優(yōu)化的好處顯而易見，即被錯誤去除的材料可以通過生長過程得到復原。目前，BESO算法已經(jīng)很成熟，可以對獨立的網(wǎng)格面進行收斂計算。
對建筑師而言，在概念設計階段，ESO和BESO算法為創(chuàng)造新穎高效的結構形式提供了機會。近幾年也出現(xiàn)了在工程結構設計中應用ESO算法的案例。其中一個開拓性的嘗試是日本的AKITAGWA河畔辦公樓。項目用地10m×6m,與2004年4月建成。該樓東立面的墻體和樓板都保持原樣，而在西、南、北三個立面的設計中應用了ESO的拓展算法。在優(yōu)化設計中，同時考慮了豎向靜荷載和橫向的地震荷載。另一個建成的案例是卡塔爾國際會議中心，其長達250m的入口應用了BESO算法進行設計。支撐入口平臺的對稱支柱被設計為有機形態(tài)。這個特殊的設計運用鋼管、預應力鋼條、鋼板、鋼絲和混凝土等材料最終得以實施。這個設計概念起初實在意大利的佛羅倫薩新站的項目中提出的。
2 理論背景
在結構拓撲優(yōu)化的問題中，剛度式結構性能最關鍵的要素之一。從數(shù)學的角度而言，結構剛度優(yōu)化的目的是尋求剛度的最小值，該值可以用幾何參數(shù)的函數(shù)，即設計變量來表達。包括BESO在內(nèi)的大部分拓撲優(yōu)化算法都是基于有限元方程的，它會將結構體離散成一個個單元體進行分析計算。每個單元體的狀態(tài)（開啟或關閉）能夠方便地呈現(xiàn)結構的幾何形態(tài)，因此可被視為設計變量。一個簡單但完整的剛度優(yōu)化模型通常包含一個體積約束值，用于控制材料的用量。在BESO計算過程中，為了實現(xiàn)優(yōu)化目標，敏感度分析將設計變量在1和0之間切換（1表示開啟，0表示關閉）。BESO算法的實現(xiàn)細節(jié)可查閱相關參考文獻。下文呈現(xiàn)的是BESO在建筑設計中的應用案例。
3 西班牙圣家族大教堂
這是對安東尼奧?高迪（Antoni Gaudi’s）在西班牙巴塞羅那設計的圣家族大教堂（Sagrada Familia church）的研究。這項研究是2004年墨爾本理工大學空間信息建筑實驗室和筆者的團隊一同開展的。高迪對于自然界形態(tài)生成方式的參考以及其模擬建模的方式與ESO或BESO的基本概念有很多共通之處。高迪著名的嘗試就是利用繩索懸吊小球的模型創(chuàng)造索結構系統(tǒng)，并將其倒置，型城市和砌體建筑的純受壓設計。
在這項研究中，為解開高迪設計原理中的謎團，應用了ESO算法。為了找到最適合砌體結構的設計形態(tài)，我們設計了一種基于主應力的ESO算法。算法將受最大拉力的材料部分反復去除，最后形成一個基本只受壓力的結構。需要注意的是，不是在任何情況下都可以獲得純受壓的設計形態(tài)。
從一張現(xiàn)存的高迪受難門（Passion Facade）的手稿照片中，可以看到圖2中的草圖是結構優(yōu)化過程的起點。隨后，在重力荷載下進行相關的有限元分析得出結果。
通過建立模擬靜態(tài)重力荷載下的索結構模型，高迪天才般地實現(xiàn)了結構優(yōu)化。而像ESO和BESO這樣的數(shù)字化設計工具則可以應對更多的設計需求，將復雜建筑找形問題變得更加容易。譬如，馬克?貝瑞（Mark Burry）利用這個方法研究了地震荷載對于受難門上柱子的影響。
貝瑞進行的一系列其他研究都揭示了高迪的設計和ESO算法間驚人的相似度。圖4展示了受難門的上層三種柱子的原型。這些模型通過對高迪原稿的研究和相交直紋曲面的應用發(fā)展而來。設計者就是圣家族大教堂的顧問建筑師馬克?貝瑞教授。
柱子的原型創(chuàng)建后，進行二維的有限元分析，來計算它們在傾斜表面上的結構優(yōu)化（圖5）。在柱子頂部施加了均布垂直荷載，用以模擬上一層柱廊山墻的過梁所產(chǎn)生的應力。最終ESO的計算結果和實際建成柱子之間有著高度的相似。
隨后，貝瑞等人又應用同一ESO算法對三維模型進行了計算（圖6）。優(yōu)化的目標仍然是尋求純受壓的結構形態(tài)。在這個案例中，上下表面都是水平的。其中，下表面被固定在地上，而上表面受到一個均布的垂直荷載。在初始模型中，上下表面通過兩段纖細的頸柱連接在一起。經(jīng)過數(shù)次計算迭代后，柱子像樹一樣在頂端出現(xiàn)了分叉，與高迪設計的教堂中殿的柱子（圖7）非常類似。
4 大跨度人行橋設計
這個設計項目由澳大利亞墨爾本的BKK建筑事務所和筆者的研究團隊一同完成。項目要求為澳大利亞一條重要的城際高速公路設置一系列步行橋，希望這些步行橋呈現(xiàn)簡潔的雕塑一般的姿態(tài)，成為高速公路和周圍環(huán)境的視覺興趣點。圖8是其中一座步行橋的草圖，橋體需要65m寬，5.7m高的凈空范圍。項目將設計一個凈跨為72m的拱形橋，且保證最大坡度不超過1:20。根據(jù)設計規(guī)范，拱橋能夠承擔4kpa的人行靜荷載。為獲得最大的結構剛度，在概念設計中應用了BESO算法。設計提出了兩種方案：大塊實心體設計和穿孔的殼管設計。
4.1實心體設計
人行的壓力被施加在結構上部的平臺上。設計考慮了兩種支撐條件：一側橋墩下是滑動支座，另外一側是固定支座；兩側都是固定支座。實心體概念模型是一個實心的有限元模型。根據(jù)不同的支撐條件，通過BESO算法計算得到了兩種結果（圖9）。從建筑概念設計的角度來看，兩個方案均體現(xiàn)出了優(yōu)良的結構性能，前者通過典型的桁架形式來抵抗彎矩，后者形成一個拱形以抵抗側向荷載。
4.2 殼體設計
橋底方案的核心概念是由殼體單元組合而成的空心管作為橋體。根據(jù)空心管的截面形狀決定管內(nèi)是否需要加覆平板作為人行步道。譬如，圓形截面的空心管需要加一塊平板，而矩形界面的則不需要。材料采用鋼材時，該設計可以形成輕質(zhì)且牢固的鋼結構。圖10展示了半徑為1.9m的圓形截面的空心管所形成的步行橋，在低于圓心1m處放置了一塊平板。為了表達清晰，在渲染模型中沒有添加防護墻。圖10（4）是另一個在中國蘇州的輕軌步行橋項目的設計提案，在上述設計的基礎上進行了少許修改。
4.3周期性殼體結構設計
當引入周期性幾何約束后，上文的殼體管道概念可以調(diào)整出多種多樣的方案。周期性的結構含有一些特定的基礎單元，這些單元在長向和徑向不斷地復制。從建筑設計的角度而言，周期性重復的幾何形態(tài)具有獨特的美學魅力。從結構設計角度而言，周期性的設計可以讓細部設計只集中在一個單元體，而非整個結構。在土木和機械工程領域，有很多周期性結構的案例，譬如大型空間網(wǎng)架和夾層板結構。更多周期性結構應用的詳情可以參考相關文獻。
圖11展示了一系列周期型結構的設計方案。其中需要注意的是，方案（1）和（5）實際上都在截面型心下方1m處增加了一塊平板，但為了更清晰的概念呈現(xiàn)，并未在模型中表達。方案（1）~（4）的設計中都施加了了一個沿著長向的周期性幾何約束，例如整座橋可以在長向分解出20個相同的模塊。
方案（5）則設計了復合型周期性的疊加：在水平方向有10個單元體，在截面周長方向有6個單元體。除此之外還引入了一個扭轉約束：即長向上每兩段相鄰的單元體之間有著沿截面周長方向的20°偏轉。除了美學上的考慮以外，這一扭轉的設計可以讓結構在各個方向上都獲得更好的剛度。為實現(xiàn)這個創(chuàng)新的結構造型，BBK建筑事務所和菲蒂（Felicetti）工程咨詢共同進行了工程深化設計和施工技術設計。墨爾本理工大學的實驗室用預應力混凝土制作了一個斷面。從圖12中可以看到該斷面三維打印的模型以及最終步行橋的效果。
通過不同的截面類型、不同的扭轉程度‘各種徑向類型（直線、拱形等等）和各種單元體細分方式的變化，最終可以形成更多的多樣化設計，從而在視覺和結構上獲得進一步的創(chuàng)新。
5 建筑設計中的結構優(yōu)化
盡管結構優(yōu)化技術已經(jīng)是一個理論上非常成熟的工具，在多個行業(yè)中得到應用，但是在建筑設計領域，其優(yōu)勢還沒有被充分地挖掘。由于形態(tài)拓撲優(yōu)化技術牽涉到復雜的數(shù)學運算，同時缺少方便建筑師使用的拓撲優(yōu)化軟件，該技術對于建筑師來說還是有一定距離的。這種情況一定程度上阻礙了這項工具在現(xiàn)代建筑設計中的廣泛應用。
筆者基于流行的三維建模軟件犀牛（Rhinoceros 3D），通過開發(fā)一個形態(tài)優(yōu)化軟件“BESO3D”，提出了一個概念設計流程。使用犀牛建立用于優(yōu)化計算的結構模型，使用BESO3D進行有限元分析和優(yōu)化計算。筆者還進一步開發(fā)了一個插件，用于犀牛和BESO3D之間的數(shù)據(jù)交換。這樣，使用者就可以在建筑師所熟悉的犀牛平臺中進行形態(tài)優(yōu)化設計。圖13是一個三維懸臂梁的例子。設計的領域是一個立方體，它是一個標準的犀牛物件。BESO3D插件允許在這個立方體頂部施加一個點荷載，并在其底部放置一個固定支座。同時可以設定模型離散的方程并導出至BESO3D進行優(yōu)化計算。圖14是優(yōu)化后得出的方案，移除了80%的材料，但仍然顯示了最初的立方體邊界。
這個設計過程十分簡單但非常實際，只要進行少許修改，同樣的程序可以安裝到諸如歐特克（Autodesk）、瑪雅（Maya）這樣的建筑設計軟件平臺中。更多的有關BESO3D軟件、犀牛插件以及其他優(yōu)化工具包都可以在墨爾本理工大學結構域材料創(chuàng)新中心的網(wǎng)站上看到。
6 結語
在過去十年間，建筑設計實踐中逐漸出現(xiàn)了結構找形優(yōu)化的應用。ESO/BESO算法非常完善，可以讓建筑師在不放棄結構性能的前提下，尋求富有創(chuàng)新的造型。文中介紹了一些在建筑和橋梁設計中使用ESO/BESO算法的案例，展現(xiàn)了在建筑設計中使用漸進的形態(tài)優(yōu)化算法所帶來的創(chuàng)新性和高效性。操作簡便的工具包不斷完善，讓工程師和建筑師可以快速上手。通過這些樣例可以看到，利用數(shù)字化設計工具BESO可以推敲出既形式美觀又結構合理的形態(tài)。可以預見到的是，結構形態(tài)優(yōu)化的工具以后將會更多地出現(xiàn)在建筑設計實踐中。
【商家簡介】無錫市福源來彩板型鋼有限公司成立于1994年，前身是無錫長豐機械廠，2001年更名為無錫市福源來彩板型鋼有限公司，注冊資金500萬, 公司位于無錫市胡埭工業(yè)園，占地8000平方，公司設有總經(jīng)辦、財務、生產(chǎn)、銷售等部門，在職員工58名，擁有各項專利10個，公司擁有金屬面夾芯復合板、聚氨酯(橫裝)金屬面幕墻夾芯板生產(chǎn)線2條，年產(chǎn)量80萬方復合板，年產(chǎn)值6000余萬，公司產(chǎn)品有聚苯乙烯夾芯板、礦棉夾芯板、聚氨酯夾芯板、紙蜂窩夾芯板以及沖孔吸音復合夾芯板、隱藏式金屬外墻板等新型節(jié)能建材，公司壓延金屬產(chǎn)品滿足冶金部...
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