利用优化技术改进可**教室环境的设计

本文摘要（由AI生成）：
FutureSystems建筑公司致力于设计高品质的“未来教室”，通过引入先进理念和新技术，为学生和成人创造舒适且富有创造力的学习环境。在设计过程中，公司面临结构稳定性和能效挑战，于是与Creactive Design合作，采用拓扑优化技术优化教室结构。Altair公司的OptiStruct软件在屋顶的有限元分析和材料布局优化中发挥了关键作用，不仅增强了屋顶刚度，还为机电系统和管道布局提供了建议。最终，“世界教室”项目在英国伦敦多所学校成功实施，展现了拓扑优化在建筑设计的实际应用和Altair软件在推动建筑创新和能效提升中的重要作用。

项目介绍

学习环境的质量，尤其是采光、空间和声响等方面，切实影响着我们的学习效率和学习体验。鉴于这一点，FutureSystems建筑公司率先进行了 “未来教室”的开发。

他们的目标是打造高品质教室，让孩子和成人能够在一个赏心悦目、充满灵感的环境中享受学习乐趣。此类教室打破了教师和学生的传统角色定位，旨在激发学生的创造力和想像力。

学生们可以在这样的教室里相互协作，以富有创造性的方式使用各种各样的新技术。该基础设施将尽量“面向未来”，教师和学生可以携带通信设备进入教室，并将这些设备连入楼宇系统。

学生们可以在教室的任何位置展示他们的成果，教室内外之间将建立起真正的连接。部分遮蔽的露台可用于进行表演或者个人/小组学习，而无论是在露台上还是在室内，都可以借助无线技术来使用ICT服务。

教室将按照高标准采用玻璃钢(GRP)进行预建造，不仅高效节能、持久耐用，而且具有出色的可复 制性。

挑战

设计范围包含一个由卫生间、衣帽间和储藏室等房间组成的服务区、一个通过屋顶通风窗进行采光的大型弧形教学区，以及一面对着露台方向的玻璃幕墙。该建筑的环境控制策略充分利用了自然通风和日光照明。

椭圆形的外包层使建筑可以保持较少的物化能消耗，并最大程度减小了表面积，从而尽量降低热损失。

“世界教室”的有限元模型

建筑外层上指明管道最佳布局的载荷路径

解决方案

优化教室结构

拓扑优化是针对给定的设计空间，利用有限元分析来确定最佳材料布局的过程，在此过程中，要考虑到多个设计约束。这种技术广泛应用于航空航天和汽车市场中，用以尽量减少结构组件中所使用的材料。FutureSystems及其结构工程合作伙伴Creactive Design希望探究出是否能够利用拓扑优化技术对这个“世界教室”的创新式多功能屋顶的设计加以改良。

Altair开发的市场领先的优化软件解决方案——HyperWorks仿真技术套件中的OptiStruct在业内享誉盛名，因此，Creactive将合作目光投向Altair及其产品设计部AltairProductDesign，以期他们能够协助完成这个探索性项目。

Altair ProductDesign 的任务是确定教室屋顶的哪些位置需要进行加固，以及按照机电系统的铺设走向还应在哪些位置进行双重加固。在屋顶加固作业中，既要最大程度保证整个建筑的刚度，又要避免使用过多的材料。

为达到这一目标，AltairProductDesign 定义了由恒载和活载组成的关键载荷工况，其中包括屋顶本身重量，以及风载荷、雪载荷等额外载荷和可能发生的撞击与使用不当。该团队使用HyperWorks套件开发出教室结构的有限元(FE) 模型，并向其施加了经过确认的关键载荷工况。

施加载荷后的位移等值线图（自重载荷）

施加载荷后的位移等值线图（雪载荷）

最大程度提高屋顶刚度

团队经过分析确定了在自重载荷、雪载荷、风载荷和使用不当等负载条件下，教室结构的哪些区域所受应力最大，并认为弧形外边缘上用于紧固建筑整体结构的第一组螺栓将承受绝大部分作用力。此外，团队通过使用OptiStruct了解到屋顶结构中的哪些位置需要使用加强筋才能达到性能目标。

借助分析数据，Altair ProductDesign团队能够给出机电系统以及屋顶管道的最佳布局建议，并对照拓扑结果进行调整以保持一致，从而最大程度提高整体结构的刚度。

结论

通过在设计流程中使用拓扑优化方法，该团队获取了宝贵的信息，不但深入了解了结构特性，还使大家更加有信心确保最终设计方案在应用于建造过程时会达到预期效果。

自从该项目实施后，“世界教室”已先后落户于英国伦敦里士满的Meadlands小学、GreyCourt中学和Strathmore 特殊学校。