中南建筑设计院：雷神山医院设计仿真应用与设计创新那些事
导读：2021年12月7日，2021“一带一路”暨金砖国家技能发展与技术创新大赛之工程仿真创新设计赛项在厦门南洋学院圆满闭幕，中南建筑设计院在此次比赛中荣获企业组一等奖。
由此，中南技术研究院技术团队受邀参加首届金砖大赛工程仿真创新设计成果展活动，2022年1月12日20时，我们团队将在仿真秀官网和App公开直播，分享我们的参赛历程以及近几年来中南建筑设计院在实际工程中应用数值仿真技术驱动创新设计的相关经验和成果。如有不当，欢迎各位专家和同行批评指正。
以下是初赛作品视频（请扫码观看）。
一、仿真驱动创新设计
仿真是如何驱动创新设计的？传统的产品研发过程包括概念、方案、打样、实验、分析、生产等流程，传统流程获取产品性能的方式主要通过成本较高的物理实验。建筑业产品和作品共存，实验成本难以接受，因此需要引入仿真技术优化建筑性能。仿真驱动下的建筑设计流程从方案设计开始，引入参数化建模流程，利用仿真技术开展虚拟实验得到建筑性能，随后开展方案优化。
我们自主开发了基于BIM的集成智能化设计平台，该平台以Revit作为BIM平台，通过开发专业软件间的模型转换程序，掌握参数化建模技术，构建建筑方案与建筑性能数据联动机制，形成建筑各专业协同设计，并在此基础上掌握现代基于Web和虚拟现实的建筑效果表现技术，形成了一套完整的多专业协同设计流程。
二、仿真案例介绍
下面分别选取几个工程案例，介绍在实际工程中用仿真驱动创新设计的案例，更多案例请查看工程数字技术中心公 众号。
1、建筑性能仿真
建筑性能包括建筑抵抗灾害的能力（如抗风、抗震、抗火等）和建筑环境仿真（如声环境、光环境、电环境、热环境、风环境、水环境等），此外还可以进一步考虑人与建筑物的关系，开展热舒适度、建筑空间与人的心理、紧急情况下的避难仿真等。考虑建筑性能的建筑设计有利于促进人、建筑、环境的和谐统一。
建筑物理环境仿真
2、复杂曲面幕墙参数化设计与优化
利用Rhino Grasshopper工具，创建参数化的曲面模型，以精确控制曲面造型，对曲面进行有理化调整与优化。基于参数化模型，利用遗传算法等优化算法可对双曲面进行优化处理，在满足建筑效果的前提下将双曲面优化成单曲面，降低幕墙成本。
幕墙曲面优化
利用参数化程序快速实现幕墙曲面分割，以及精确控制幕墙板块尺寸，使幕墙板块不超过加工尺寸限制的同时实现板块浪费的最小化。并可根据幕墙节点构造快速创建幕墙主次龙骨等三维模型，实现幕墙节点的精确定位和空间的精确分析。
幕墙板块参数化分割
幕墙系统参数化定位
另外，还可对幕墙板块进行快速的曲率分析与分类，对每个板块进行唯一编号并快速输出板块加工图，可与后续幕墙板块生产加工单位进行无缝对接，实现数字化设计与数字化建造。
自动生成幕墙加工图
3、空间曲面网格设计与优化
空间曲面复杂多样，为了实现新颖建筑造型与合理结构性能之间的有机结合，我们采用智能优化算法对曲面进行力学找形优化，通过科学的手段设计出合理的建筑形式。
采用参数化工具快速布置空间网格，然后利用自开发的网格优化程序对网格进行优化处理，得到均匀流程的优化后网格，不仅能在美观上实现建筑与结构的完美统一，在结构受力上也能改善其力学性能。
空间曲面网格划分与优化
4、建筑数字化风洞仿真平台
我们基于开源软件OpenForm和商业软件xflow实现了参数化数值风洞分析技术，具有模拟真实风环境的能力，可以构建原型尺度的计算模型，避免了风洞试验只能进行缩尺实验的不足。数值风洞技术一方面能够有效地节省实施风洞试验所需要的费用，另一方面能够同时快速实现的多建筑外立面造型优化，在不改不建筑整体外形的情况，通过局部微调、切角或开洞的方式，降低结构受到的风荷载，减小外力，从而优化构件截面，提升工程品质。此外还可以结合通用有限元软件abaqus开展流固耦合分析，得到实际工程结构的风振动力响应。
5、建筑通风系统仿真与优化
我们基于CFD技术实现了建筑物室内气流组织和通风全过程分析。通过数字仿真，能够给出建筑物内的温度和风速分布状态，分析室内不同位置在不同时刻的温度及气流变化情况，并在此基础，对建筑室内风系统的布置和运行使用提出相应的优化方案或改进措施，最大程度地提升人体的热舒适度，从而降低建筑能耗，实现绿色建筑、低碳建筑，提升建筑物的品质。
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剧院气流组织和通风全过程仿真
6、雷神山医院负压病房流体仿真
在抗击新冠肺炎期间，为确保雷神山医院安全运行，中心联合达索系统和上海江达科技发展有限公司业务骨干组成分析团队，在上海超级计算中心及其合作伙伴Shanghai Ubercomputing Tech 公司的支持下，利用流体仿真技术，模拟了负压病房的气流组织和污染物扩散，通过对比多个通风系统布置方案，寻找污染物扩散最小的方案，最大程度保护医护人员和防止交叉感染；
雷神山医院负压病房流体仿真
建立了城市级大尺度的流场模型，模拟了医院病房外废气排放对周边环境的影响，为医院整体规划设计以及医护人员、患者和公众的健康安全提供了依据。
雷神山室外污染物扩散模拟
三、从技术研发到产品研发
针对仿真技术工程应用的三个痛点：
第一、分析模型精度难以保证；
第二、建模过程工作量大、难度高；
第三、通用仿真技术难以专业化
我们技术团队基于SIMULA系列软件和开源求解器，从前后处理软件入手，开发了常用建筑设计软件的接口，整合了通用仿真软件和行业设计软件，从而满足工程应用需求。目前对外开放试用的主要包括abaqus前后处理软件CSEPA和高层建筑结构参数化建模软件软件Swallow，下面分别进行简单介绍。
1、高层建筑结构参数化建模分析
建筑设计阶段，往往需要对比多种不同的结构设计方案，而设计前期往往时间紧迫，采用传统设计方式很难高效的完成多个方案的对比，而参数化设计则为解决这一问题提供了有效解决方案，能快速高效的生成多种设计方案，且参数化模型还是建筑形体优化与结构优化的基础。我们在Grasshopper平台上开发了建筑结构辅助设计软件Swallow(ESD)，利用该软件可在Grasshopper中完成建筑结构参数化建模后调用Etabs等软件进行计算分析，实现建筑结构一体化设计。
Swallow(ESD)软件
建筑参数化设计
高层建筑参数化结构设计
2、建筑结构高等非线性分析软件
中心主持开发了基于ABAQUS的复杂建筑结构高等非线性分析集成软件CSEPA（著作权：2015SR024588）。实现了大型超限复杂建筑结构抗震、减震非线性分析的建模、计算和后处理，为工程项目的设计和优化提供依据。相关课题成果经湖北省住建厅鉴定，科技成果总体达到“国内领先水平”并荣获湖北省土木建筑科学技术奖二等奖。
CSEPA软件界面
CSEPA软件后处理过程
复杂超高层建筑结构大震动力弹塑性时程分析
复杂高层建筑动力弹塑性分析及倒塌分析
与同济大学合作，CSEPA建立了材料本构库及减隔震单元库，包含大量用于ABAQUS的用户材料子程序及常用消能减震单元，并通过与多个国内外经典试验对比分析，验证了自主开发的材料本构子程序和减隔震单元的正确性。
材料本构库
减隔震单元库
四、我们的仿真公开课
2022年1月12日20时，“2021一带一路暨金砖国家技能发展与技术创新大赛工程仿真创新设计赛项”企业组的一等奖获奖队伍——中南建筑设计院团队，我们受邀在首届金砖大赛工程仿真创新设计成果展，公开分享《雷神山医院设计仿真应用与设计创新》讲座，诚邀莅临各位专家和同行交流、欢迎批评指正，共同进步。
以下是我们讲座安排：
（完）
作者：中南建筑设计院-程明 中南建筑设计院结构工程师 仿真秀专栏作者，毕业于华南理工大学结构工程专业，现就职于中南建筑设计院工程数字技术中心，从事工程结构抗震和抗风、工程结构计算模型、建筑物理环境仿真等研究和工程应用。多次参与湖北省重大工程项目设计咨询以及住建部、上海市课题的研究。
