成功案例丨快速设计能够应对任何暴雨天气的可持续结构
现代建筑设计与工程的关键在于把控立面系统的作用。立面系统能够在很大程度上提高建筑物的能源性能、节省运营成本并为居住者改善舒适度。在早期设计阶段，工程师不仅必须要考虑每个建筑组成部分的结构完整性以及彼此之间的相互作用，还要考虑其抵御恶劣天气与极端温度条件的能力。
仿真技术可以帮助设计师构建外形流畅、设计精密的轻量化大型结构，在满足项目能源与成本要求的同时，为建筑内部提供一定保护。为实现这些目标，立面系统（也称为幕墙）的设计不仅要能够将风荷载等外部荷载传递至建筑物本身，同时还要设法利用铝合金、不锈钢、复合材料、玻璃等材料来打造一个轻量化系统。
在仿真过程中，考虑这些幕墙的每种建筑物所处的特定天气情况是必须的，但这无疑加大了幕墙工程师的工作难度。这需要运行多次仿真分析，考虑例如渗水、热管理、地震荷载以及其他天气相关荷载。建筑结构上的立面模块通常会在幕墙系统中多次重现，因此对其进行材料、抗性和耐久性方面的优化至关重要。
开展设计分析
利用 Altair® SimSolid® 的结构分析功能，Ponzio Aluminum 对其自有的立面模块进行了力学分析，以此确定该设计在暴风雨期间能否满足关键安全要求。工程师还需要确定，由风压引发的遮阳板偏转是否会导致雨水渗入设计模块内部。
Ponzio 是一家专门从事铝材表面处理的公司，由 Giuseppe Ponzio 于 1941 年创立。历经四代人近 70 年的努力经营，该公司的业务经过长期发展，现已涵盖平开窗与推拉窗系统、幕墙及框架铝型材配件的设计与制造等诸多领域。该公司始终坚持不断整合最新的现代技术并丰富公司的标志性表面处理产品系列，从而奠定了其在铝材行业中的重要地位与影响力。
Ponzio 采用了五步法工作流程：
导入具有丰富细节的 3D CAD，不进行简化
创建接触对并指定材料和边界条件（动力学约束和荷载）
执行线性分析以对模型进行验证
指定非线性接触对并进行非线性分析
检查结果以确认应力和最大允许间隙
该立面模块由两块玻璃板、一个框架和三个遮阳板组成。由于 SimSolid 支持任何阶段或格式的 CAD 模型，因此导入的 CAD 几何结构具有非常丰富的细节。SimSolid 可兼容不精确几何结构，这意味着与 CAD 嵌入式仿真工具不同，SimSolid 在分析设计之前无需对复杂几何结构进行简化。
下图显示了该模块的组成部分，按材料类型（钢材、塑料、铝材和橡胶）区分。
导入 CAD 时，SimSolid 会自动识别紧固件以及挤压件和板材。这会大幅改善连接质量、加快建模速度并提升解算性能。
每一种材料均被赋予了相应的力学性能，以解释其在分析中对刚度的贡献。
SimSolid 支持结构仿真中的所有连接类型。在此分析中，连接会在各零件之间自动分配。软件的自动检测功能可实现零件之间的间隙与穿透检测，同时用户可以确定每个连接的精细化程度。
更为简便的是，SimSolid 被设计为求解时间仅需几分钟到几秒钟，并且在处理大型复杂装配体时精度完全正确，因此可以轻松地将模型的细节添加到几何结构中。在下列图片中，分析中涉及的连接点均标记为红色。
完成建模并确定接触点后，对风荷载进行设置，以便了解设计是否考虑了雨水渗透。对应风速为 150 km/h 的风荷载以均布压力的方式施加在遮阳板的外表面加。
在添加动力学边界条件以约束锚板后，团队便能够进行首次线性分析。
正如预期的那样，主要变形发生在作为悬臂的遮阳板上。可以在 SimSolid 中对应力进行研究，但团队的目的是要了解这种由风雨共同作用而引起的压力是否会让雨水进入结构内部。
在线性分析过程中，SimSolid 检测到模型中的橡胶部件在牵引力的作用下会发生分离，因此对其进行了非线性分析，以进一步研究其连接关系。
在 SimSolid 中，可以非常容易地从线性分析切换到非线性分析，因此在这种情况下，橡胶部件和竖框之间的接触点更新为“分离”接触点（右侧图像中的绿点）。
开展设计分析
新分析结果表明，接触点的最大开口值不足 0.03 毫米。SimSolid 的结构分析功能加上较为完整的分析结果证明，该系统即使在经历极端暴雨事件时也能够防止雨水渗透。
鉴于部件的装配方式，遮阳板采用 Ponzio 专门设计的特殊支架进行连接，而不是直接用螺栓固定在竖框上。部件上出现的应力峰值可控制在安全限度内。Ponzio 团队通过比较设计场景并根据雨水渗透分析调整模型的几何结构，最终成功优化了其设计结构。
对设计师和工程师来说，SimSolid 可有效分析立面模块的性能，同时还能够加快设计过程。SimSolid 还可用于对建筑物性能进行最终验证检查。该软件消除了传统结构仿真中最耗时、最专业且最易出错的两项任务——几何准备和网格划分，因此建筑设计师能够获得更大的自由度，既可在建筑初步设计阶段专注于关键设计元素及分析结果，也可以在后续工作阶段中将其作为验证方法加以运用。
此外，还有其他建筑、工程和施工 (AEC) 解决方案可帮助工程师进一步探索相应的中间建筑设计阶段，以满足针对特定地理区域的结构分析与设计要求。
*本文中采用的模型由 Ponzio Aluminum 提供。
