CN104143215B - 索膜结构的信息化模型设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种索膜结构的信息化模型设计方法，包括：步骤102，根据所述索膜结构中所有构件以及各局部节点构造对应的参数信息和所有构件之间的主从关系，在三维空间中构建三维模型；步骤104，在所述所有构件中的主要构件对应的参数信息发生变化时，根据所述主要构件变化后的参数信息和预设的函数关系确定所述所有构件中其他从属构件对应的变化后的参数信息，以得到变化后的三维模型。通过上述方法，可以在现有条件不甚完备的情况下在某一类建筑中实现BIM的先进理念，了解各构件的变化情况，确定构件的实际加工尺寸，以便绘制施工建造图纸，提高生产和管理的效率。

Description

索膜结构的信息化模型设计方法

技术领域

本发明涉及建筑设计技术领域，具体而言，涉及一种索膜结构的信息化模型设计方法。

背景技术

索膜结构是从上世纪九十年代开始在我国兴起的新型建筑形式，它以轻质高强的薄膜为主要的建筑材料，结合张拉索和钢骨架构成变化丰富的几何造型。到目前已发展了20多年，建成了一大批有世界影响的大型建筑，如鸟巢和水立方以及全国十几座能容纳几万人的大型体育场馆，可以说从设计方法到施工安装都达到相当成熟的阶段，积累了很多经验。即便是目前公认代表这个行业最高技术水平的索穹顶膜结构也被中国公司依靠自己的技术独立建成了。但从另一方面看，这个行业还存在着一些明显的不足，整个行业的设计理念和工具、施工管理和企业对一个项目从投标到工程交付的全过程运作，所采用的方法还是上个世纪的传统的建筑业的方法——即更多依靠人力的分工协作，也就难以避免其固有的弊端——即难以建立起高效精确规范的运作流程。

在这方面国际建筑界在七八年前兴起的全新的设计方法简称BIM(BuildingInformation Modeling，建筑信息模型)设计管理方法正是克服以往弊端的下一代建筑业的设计管理体系。这种方法是计算机技术高速发展的产物，该方法简单的说首先是在特定的软件平台上建立整个建筑的精确的三维模型，模型中的构件除了包含几何信息还可以包含力学信息、施工顺序信息、材料信息、生产厂家信息等几乎所有建筑信息，以此模型为基础，以前需要手工绘制的平面、立面和剖面图可以由软件根据模型的几何信息自动生成，并完成碰撞检查和各专业协同设计所需要的信息交流，引入时间作为第四维度以控制施工进度管理信息，引入成本信息作为第五维度处理建筑概算预算结果的变化对设计和施工的反馈影响。

这套体系理念非常先进，但该方法直到目前还很不完善，且规模过于庞大，至今并没有完全取代传统的设计方法，要想在整个建筑界推广普及开来还有很多工作要做，比如目前还没有一个软件平台的成熟度能适应各类建筑物中各专业分工的协同工作的需求，比如芬兰的Tekla平台和美国的Revit平台，前者擅长钢结构详图设计，后者擅长建筑学专业设计。其根本原因就是对于千变万化的各类建筑物要想建立精确的三维模型在很多时候是很困难的，其困难度甚至超过使用该方法代来的方便度。所以BIM设计方法目前多用于形态规则的传统建筑。因此，能否在现有条件不甚完备的情况下在某一类建筑中实现BIM的先进理念，提高生产和管理的效率，成为目前亟待解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种索膜结构的信息化模型设计方法，包括：步骤102，根据所述索膜结构中所有构件以及各局部节点构造对应的参数信息和所有构件之间的主从关系，在三维空间中构建三维模型；步骤104，在所述所有构件中的主要构件对应的参数信息发生变化时，根据所述主要构件变化后的参数信息和预设的函数关系确定所述所有构件中其他从属构件对应的变化后的参数信息，以得到变化后的三维模型。

在该技术方案中，索膜结构区别于传统建筑的最大特点是其建筑表面大多为自由曲面，曲面边界为不规则空间曲线，构件往往不是横平竖直而是在三维空间任意交织组合的。在三维空间对膜结构所有构件的三维实体的精确建模，并在构件之间建立从属关系，使得从构件的尺寸和空间位置随主构件的尺寸和空间位置的改变而按照预设的函数关系自动改变，从而达到设计的自动化和精确化，以便绘制施工建造图纸，提高生产和管理的效率。

在上述技术方案中，优选地，所述所有构件包括膜构件、索构件、梁构件和杆构件，其中，所述梁构件包括直线梁构件和曲线梁构件。

在上述技术方案中，优选地，所述步骤102包括：根据所述杆构件对应的参数信息在所述三维空间中构建杆构件，根据所述梁构件对应的参数信息构建梁构件，根据所述梁构件对应的参数信息构建索构件，根据所述梁构件对应的参数信息和所述索结构对应的参数信息构建膜构件。

现在BIM的设计思路为：按照面向对象的软件编程思想先从整体上将膜结构看成由梁组成的骨架，然后梁和梁之间通过索连接起来，索是属于一根梁或两根梁的，膜在索和梁之间或梁和梁之间构成曲面，所以膜是属于梁或索的。

在该技术方案中，按照现在BIM的设计思路，首先在三维空间中精确定位的是梁实体构件包括直线梁和空间曲线梁，其次应用梁的插件参数化构建空间曲线索构件，之所以用梁的插件来构造而不是单独创建索构件，是因为这样索及其附件的尺寸和空间位置可以随着梁的位置和构件尺寸的变化而自动改变，最后应用梁的插件和索的插件参数化创建膜曲面。由此可见建筑制图的过程逐渐演化为软件编程构建的过程，其中各种构件由参数化的插件建造，构件的关系由面向对象的软件对象之间的关系决定。

在上述技术方案中，优选地，在索膜结构力学分析阶段，按照有限元的分析方法，把所述所有构件离散为相互关联的结构单元，包括膜单元、索单元、梁单元和杆单元。

在上述技术方案中，优选地，所述步骤102包括：生成与所述杆单元对应的第一节点数组；在构建所述杆构件时，根据每个所述杆单元生成一个两点杆构件。

在上述技术方案中，优选地，所述步骤102包括：在构建所述索构件时，生成与所述索单元对应的第二节点数组，在所述第二节点数组中与所述梁单元和杆单元相连的节点以及有约束的节点构成所述索构件的第一起始端点数组，其中，是起始点的节点在第一起始端点数组中设置为真，否则，设置为假，构建所述索单元的第一节点关联二维矩阵，其中，在两个节点之间有索单元时，用1表示，在两个节点之间没有索单元时，用0表示，构建第四数组记录在每个索节点上连接的索单元个数，在所述索单元的个数大于2时，修正所述第一起始端点数组中对应的元素为真，从所述第一起始端点数组中元素为真的点开始在所述第一节点关联二维矩阵的列中搜索首尾相连的索构件中的索单元节点，直到遇到所述第一起始端点数组中另一个元素为真的节点为止。

在上述技术方案中，优选地，所述步骤102包括：在构建所述梁构件时，生成与所述梁单元对应的第三节点数组；在所述第三节点数组中与所述索单元和杆单元相连的节点以及有约束的节点构成所述梁构件的第二起始端点数组，其中，是起始点的节点在所述第二起始端点数组中设置为真，否则，设置为假，构建所述梁单元的第二节点关联二维矩阵，其中，在两个节点之间有梁单元时，用1表示，在两个节点之间没有梁单元时，用0表示，构建第五数组记录在每个索节点上连接的梁单元个数，在所述梁单元的个数大于2时，修正所述第二起始端点数组中对应的元素为真，从所述第二起始端点数组中元素为真的点开始在所述第二节点关联二维矩阵的列中搜索首尾相连的索构件中的索单元节点，直到遇到所述第二起始端点数组中另一个元素为真的节点为止。

在上述技术方案中，优选地，根据所述梁构件对应的参数信息构建索构件包括：根据所述梁构件对应的参数信息构建索头、耳板和索的长度调节装置，其过程包括：在所述三维模型中任意选择两个构件和构件上两个的插入点；分别以被选中的两个构件创建两个局部坐标系；计算插入点至所述构件起点的距离，并将所述距离作为调整插入位置的参数；根据两个插入点的连线，与被选中的所述两个构件的空间关系计算要生成的节点耳板绕构件X轴旋转的角度，使得节点耳板本身处于被焊接构件的主平面内，两个耳板孔的中心连线与两个插入点的连线重合，且两个耳板分别处于所述两个构件相对的一侧；分别在所述两个构件表面创建耳板，计算耳板的最大长度和宽度，创建耳板左右两块护板；分别在两个耳板的平面内创建索头，并切割索头以插入耳板；创建销栓，以连接耳板和索头；沿两个插入点方向创建直线索并截断，并在索的截断处创建索的长度调节装置。

在上述技术方案中，优选地，所述步骤102还包括：创建任意转折的曲线梁上的连续的膜节点连接组件，其中，所述创建任意转折的曲线梁上的连续的膜节点连接组件包括：在三维模型中选择一个构件，以选中的构件创建局部坐标系；创建多段节点底板、多段绳边、多段绳边固定卡具、螺栓阵列固定卡具于底板以及肋板阵列，并焊接于底板和所述选中的构件，沿选中的构件的X轴调整螺栓阵列的起点和终点偏移量、螺栓间距以及螺栓种类；旋转节点，包括节点绕插入点旋转，节点绕构件X轴旋转，以及节点沿构件左右翻转；选中的构件切割肋板阵列。

在上述技术方案中，优选地，所述索构件包括直线索和曲线索，所述步骤102还包括：创建空间任意转折的曲线索上的连续的膜节点连接组件，其中，所述创建空间任意转折的曲线索上的连续的膜节点连接组件，具体包括：在所述三维模型中选择一根索；以选中的索创建局部坐标系；创建多段夹膜卡具、多段绳边、创建U型套箍连接索和卡具、创建连接件、创建螺栓阵列固定U型套箍于连接件；沿所述选中的索的X轴调整螺栓阵列的起点和终点偏移量、螺栓间距和螺栓种类；旋转节点，包括节点绕索X轴旋转，节点沿索左右翻转，以及索左右交叉布置节点。

在该技术方案中，可以在Tekla三维建模平台上应用插件参数化创建空间任意转折的曲线梁上的连续的膜节点连接组件，解决了现有技术中空间角度复杂以及节点连接组件空间几何位置相容平滑过渡的难题，使建模的复杂度降低。

通过上述技术方案，可以在现有条件不甚完备的情况下在某一类建筑中实现BIM的先进理念，了解各构件的变化情况，确定构件的实际加工尺寸，以便绘制施工建造图纸，提高生产和管理的效率。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的索膜结构的信息化模型设计方法的流程图；

图2是BIM设计中膜结构构件从属关系的示意图；

图3A是根据本发明的一个实施例的有限元模型的示意图；

图3B是图3A中的有限元模型相应的构建模型的示意图；

图3C是图3A中建模过程中的CreatePiecesAuto()函数的工作流程活动图；

图4A是根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中OnBnClickedBtnTransferteklamodel函数的工作流程图。

图4B是图4A中的索膜结构三维建模中有限元找形计算前的初始形状；

图4C是图4B中的有限元找形计算后的形状；

图4D是图4A中的索膜结构三维建模中第一步结束后导入Tekla平台的构件；

图4E是图4A中的索膜结构三维建模中第二步结束后导入Tekla平台的构件；

图4F是图4A中的索膜结构三维建模中第三步开始时几何不相容的膜边界；

图4G是图4A中的索膜结构三维建模中第三步结束时经过调整的几何相容的膜边界；

图4H是图4A中的索膜结构三维建模中将有限元模型导入三维建模平台的操作界面；

图5A是根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中TurnbuckleCableRun()函数的工作流程图；

图5B至图5D是图5A中的索膜结构三维建模中可调长度锁建模插件的操作界面；

图5E是图5A中的索膜结构三维建模中的索部件及端部节点的示意图；

图5F是图5E中索部件及端部节点的近景示意图；

图6A是根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中MemFixedClampRopeRun()函数的工作流程图；

图6B至图6D是图6A中的索膜结构三维建模中铝合金卡具压绳边固定膜边界建模插件的操作界面；

图6E是图6A中的索膜结构三维建模中的梁部件及铝合金卡具压绳边固定膜边界节点的示意图；

图6F是图6E中梁部件及铝合金卡具压绳边固定膜边界节点的近景示意图；

图7A是根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中CableUShapeClampRun()函数的工作流程图；

图7B至图7D是图7A中的索膜结构三维建模中U型卡铝合金卡具索边界建模插件的操作界面；

图7E是图7A中的索膜结构三维建模中的索构件及U型卡铝合金卡具索边界节点的示意图；

图7F是图7E中索构件及U型卡铝合金卡具索边界节点的近景示意图；

图8A是根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中MoveMembraneNodes()函数的工作流程图；

图8B是图8A中的索膜结构三维建模中的移动膜边界点到梁和索的节点板后结构的仰视图；

图8C是在索边界上加盖膜盖口后结构最终完成图；

图9A是根据本发明的一个实施例的可调长度索支撑节点强度验算的操作界面；

图9B是根据本发明的一个实施例的铝合金卡具压绳边固定膜边界节点强度验算的操作界面。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

图1是根据本发明的实施例的索膜结构设计方法的流程图。

如图1所示，本发明的实施例的索膜结构设计方法包括：

步骤102，根据索膜结构中所有构件以及各局部节点构造对应的参数信息和所有构件之间的主从关系，在三维空间中构建三维模型。

步骤104，在所有构件中的主要构件对应的参数信息发生变化时，根据主要构件变化后的参数信息和预设的函数关系确定所有构件中其他从属构件对应的变化后的参数信息，以得到变化后的三维模型。

在该技术方案中，索膜结构区别于传统建筑的最大特点是其建筑表面大多为自由曲面，曲面边界为不规则空间曲线，构件往往不是横平竖直而是在三维空间任意交织组合的。在三维空间对膜结构所有构件的三维实体的精确建模，并在构件之间建立从属关系，使得从构件的尺寸和空间位置随主构件的尺寸和空间位置的改变而按照预设的函数关系自动改变，从而达到设计的自动化和精确化，以便绘制施工建造图纸，提高生产和管理的效率。

在上述技术方案中，优选地，所有构件包括膜构件、索构件、梁构件和杆构件，其中，梁构件包括直线梁构件和曲线梁构件。

在上述技术方案中，优选地，步骤102包括：根据杆构件对应的参数信息在三维空间中构建杆构件，根据梁构件对应的参数信息构建梁构件，根据梁构件对应的参数信息构建索构件，根据梁构件对应的参数信息和索结构对应的参数信息构建膜构件。

现在BIM的设计思路为：按照面向对象的软件编程思想先从整体上将膜结构看成由梁组成的骨架，然后梁和梁之间通过索连接起来，索是属于一根梁或两根梁的，膜在索和梁之间或梁和梁之间构成曲面，所以膜是属于梁或索的。

在该技术方案中，按照现在BIM的设计思路，首先在三维空间中精确定位的是梁实体构件包括直线梁和空间曲线梁，其次应用梁的插件参数化构建空间曲线索构件，之所以用梁的插件来构造而不是单独创建索构件，是因为这样索及其附件的尺寸和空间位置可以随着梁的位置和构件尺寸的变化而自动改变，最后应用梁的插件和索的插件参数化创建膜曲面。由此可见建筑制图的过程逐渐演化为软件编程构建的过程，其中各种构件由参数化的插件建造，构件的关系由面向对象的软件对象之间的关系决定。

在上述技术方案中，优选地，在索膜结构力学分析阶段，按照有限元的分析方法，把所有构件离散为相互关联的结构单元，包括膜单元、索单元、梁单元和杆单元。

在上述技术方案中，优选地，步骤102包括：生成与杆单元对应的第一节点数组；在构建杆构件时，根据每个杆单元生成一个两点杆构件。

在上述技术方案中，优选地，步骤102包括：在构建索构件时，生成与索单元对应的第二节点数组，在第二节点数组中与梁单元和杆单元相连的节点以及有约束的节点构成索构件的第一起始端点数组，其中，是起始点的节点在第一起始端点数组中设置为真，否则，设置为假，构建索单元的第一节点关联二维矩阵，其中，在两个节点之间有索单元时，用1表示，在两个节点之间没有索单元时，用0表示，构建第四数组记录在每个索节点上连接的索单元个数，在索单元的个数大于2时，修正第一起始端点数组中对应的元素为真，从第一起始端点数组中元素为真的点开始在第一节点关联二维矩阵的列中搜索首尾相连的索构件中的索单元节点，直到遇到第一起始端点数组中另一个元素为真的节点为止。

在上述技术方案中，优选地，步骤102包括：在构建梁构件时，生成与梁单元对应的第三节点数组；在第三节点数组中与索单元和杆单元相连的节点以及有约束的节点构成梁构件的第二起始端点数组，其中，是起始点的节点在第二起始端点数组中设置为真，否则，设置为假，构建梁单元的第二节点关联二维矩阵，其中，在两个节点之间有梁单元时，用1表示，在两个节点之间没有梁单元时，用0表示，构建第五数组记录在每个索节点上连接的梁单元个数，在梁单元的个数大于2时，修正第二起始端点数组中对应的元素为真，从第二起始端点数组中元素为真的点开始在第二节点关联二维矩阵的列中搜索首尾相连的索构件中的索单元节点，直到遇到第二起始端点数组中另一个元素为真的节点为止。

在上述技术方案中，优选地，根据梁构件对应的参数信息构建索构件包括：根据梁构件对应的参数信息构建索头、耳板和索的长度调节装置，其过程包括：在三维模型中任意选择两个构件和构件上两个的插入点；分别以被选中的两个构件创建两个局部坐标系；计算插入点至构件起点的距离，并将距离作为调整插入位置的参数；根据两个插入点的连线，与被选中的两个构件的空间关系计算要生成的节点耳板绕构件X轴旋转的角度，使得节点耳板本身处于被焊接构件的主平面内，两个耳板孔的中心连线与两个插入点的连线重合，且两个耳板分别处于两个构件相对的一侧；分别在两个构件表面创建耳板，计算耳板的最大长度和宽度，创建耳板左右两块护板；分别在两个耳板的平面内创建索头，并切割索头以插入耳板；创建销栓，以连接耳板和索头；沿两个插入点方向创建直线索并截断，并在索的截断处创建索的长度调节装置。

在上述技术方案中，优选地，步骤102还包括：创建任意转折的曲线梁上的连续的膜节点连接组件，其中，创建任意转折的曲线梁上的连续的膜节点连接组件包括：在三维模型中选择一个构件，以选中的构件创建局部坐标系；创建多段节点底板、多段绳边、多段绳边固定卡具、螺栓阵列固定卡具于底板以及肋板阵列，并焊接于底板和选中的构件，沿选中的构件的X轴调整螺栓阵列的起点和终点偏移量、螺栓间距以及螺栓种类；旋转节点，包括节点绕插入点旋转，节点绕构件X轴旋转，以及节点沿构件左右翻转；选中的构件切割肋板阵列。

在上述技术方案中，优选地，索构件包括直线索和曲线索，步骤102还包括：创建空间任意转折的曲线索上的连续的膜节点连接组件，其中，创建空间任意转折的曲线索上的连续的膜节点连接组件，具体包括：在三维模型中选择一根索；以选中的索创建局部坐标系；创建多段夹膜卡具、多段绳边、创建U型套箍连接索和卡具、创建连接件、创建螺栓阵列固定U型套箍于连接件；沿选中的索的X轴调整螺栓阵列的起点和终点偏移量、螺栓间距和螺栓种类；旋转节点，包括节点绕索X轴旋转，节点沿索左右翻转，以及索左右交叉布置节点。

在该技术方案中，可以在Tekla三维建模平台上应用插件参数化创建空间任意转折的曲线梁上的连续的膜节点连接组件，解决了现有技术中空间角度复杂以及节点连接组件空间几何位置相容平滑过渡的难题，使建模的复杂度降低。

图2是BIM设计中膜结构构件从属关系的示意图。

在索膜结构力学分析阶段，按照有限元的分析方法，把所有构件都离散为相互关联的很小的结构单元(包括膜、梁、索、杆单元)，以方便计算各单元的内力变化情况，最后确定构件的实际加工尺寸，绘制施工建造图纸。以前的设计方法是在各个局部把构件之间的联系关系用平面、立面、剖面图的方式表示清楚，至于整体关系是用一些总图简略说明。

如图2所示，BIM设计中膜结构构件从属关系与以前的设计方法正相反，按照面向对象的软件编程思想先从整体上将膜结构看成由梁组成的骨架，然后梁和梁之间通过索连接起来，索是属于一根梁或两根梁的，膜在索和梁之间或梁和梁之间构成曲面，所以膜是属于梁或索的。

按照以上所述的逻辑关系，首先在三维空间中精确定位的是梁实体构件包括直线梁和空间曲线梁，其次应用梁的插件参数化构建空间曲线索构件，之所以用梁的插件来构造而不是单独创建索构件，是因为这样索及其附件的尺寸和空间位置可以随着梁的位置和构件尺寸的变化而自动改变，最后应用梁的插件和索的插件参数化创建膜曲面。由此可见建筑制图的过程逐渐演化为软件编程构建的过程，其中各种构件由参数化的插件建造，构件的关系由面向对象的软件对象之间的关系决定。因此，可以在三维空间对膜结构所有构件的三维实体的精确建模，并在构件之间建立从属关系，使得从构件的尺寸和空间位置随主构件的尺寸和空间位置的改变而按照预设的函数关系自动改变，从而达到设计的自动化和精确化。

图3A是根据本发明的一个实施例的有限元模型的示意图；图3B是图3A中的有限元模型相应的构建模型的示意图。

如图3A和图3B所示，将有限元模型中离散的成千上万个梁、索、杆单元，自动合并成真实物理模型中的梁、索和杆构件，并记录下这根构件的几何信息和材料信息是决定三维建模设计方法的效率高低的关键。

图3C是图3A中建模过程中的CreatePiecesAuto()函数的工作流程图。

如图3C所示，提供了一种算法，使用CreatePiecesAuto()函数，在程序中实现建模，下面以索构件为例进行描述，具体步骤如下：

(1)分别生成与梁单元、索单元和杆单元相连接的节点数组，BeamNodeIds、CableNodeIds、StrutNodeIds。

(2)在CableNodeIds中与梁单元和杆单元相连的节点以及有约束的节点构成索构件起始端点数组NodesIsCableEnd，构件起始点的节点在NodesIsCableEnd中设为True，只是构件中间节点的在NodesIsCableEnd中设为False。

(3)构建索单元节点关联二维矩阵CableNodesRelation。

(4)CableNodesRelation中的i行j列项等于1表示i节点与j节点之间有索单元，若没有索单元则等于0。

(5)构建数组CableNodesRelNum，记录在一个索节点上连接几个索单元。

(6)当CableNodesRelNum中元素大于2时修正索构件端点数组NodesIsCableEnd对应节点的值为True。

(7)从端点数组NodesIsCableEnd中元素为True的点开始在矩阵CableNodesRelation的列中搜索首尾相连的索构件中的索单元节点，直到遇到NodesIsCableEnd中另一个元素为True的节点。

(8)使用过的索单元在数组CableNodesRelNum的记录中减1。

(9)使用过的索单元在矩阵CableNodesRelation对应项中设为0。

(10)循环运行步骤(7)、(8)、(9)以继续下一个索构件的生成，直到矩阵CableNodesRelation所有项都为0。

(11)利用构件所包含单元的属性设置索、梁、杆构件的颜色、图层和材料属性。

图4A示出了根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中OnBnClickedBtnTransferteklamodel函数的工作流程图。

索膜结构设计与普通建筑结构设计的最大区别在于索膜结构有一个特别的预应力找形设计阶段，在这个阶段膜屋面的实际形状获得，需要通过在膜和索中引入预应力然后反复迭代计算来产生。虽然得到了找形结束后膜的形状，但周边支撑结构的位置和几何尺寸也因为预应力的作用已经发生了改变，而在实际建造时周边支撑结构需要按照未引入预应力时的位置和几何尺寸来建造。

如图4A所示，膜结构三维建模中OnBnClickedBtnTransferteklamodel函数的工作流程，包括三步：

第一步：有限元找形计算前的初始形状如图4B所示，而有限元找形计算后的形状如图4C所示，将找形计算前未变形的梁构件和杆构件导入Tekla三维建模平台，图4D示出了将有限元模型导入三维建模平台的操作界面，这时的梁和杆构件的位置和长度就是施工现场初始安装时的位置和下料长度。此时，导入Tekla平台的构件正如图4E所示。

第二步：将找形计算后已改变位置和形状的索构件和膜导入Tekla三维建模平台，这时候索的位置和长度基本就是施工现场初始安装时的位置和下料长度，膜的空间位置基本就是施工现场初始安装时的位置，这个模型为下一步创建索头和节点板的三维模型以及膜节点板的三维模型提供了空间参考位置。此时，导入Tekla平台的构件如图4F所示。

第三步：图4G示出了此时的几何不相容的膜边界，在三维建模平台内调整膜边界节点的空间位置和索端点的空间位置使得整个结构所有构件几何关系协调。在局部节点设计时移动膜靠近边界的点，使之与边界上的梁和索上对应点重合，同理移动索端点位置使之与在第一步建模中要固定的点重合，这样整体结构在几何上就是相容的了。此时，经过调整的几何相容的膜边界如图4H所示。

图5A示出了根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中TurnbuckleCableRun()函数的工作流程图。

在Tekla三维建模平台应用梁的插件参数化创建索头、耳板、索的长度调节装置时，可调长度锁建模插件的操作界面如图5B至图5D所示。实际建筑中的大的构件数目成千上万，小的构造做法繁复多变，尤其象索膜结构这类空间结构，曲面、曲线构件的空间定位更是复杂。要想将这些东西都按照三维真实尺寸建模，单凭手工一个一个画上去是不可能的。为此Tekla三维建模平台开放了一个二次开发接口API，允许用户开发属于自己本专业的参数化建模插件，使得建模工作变成调整参数后程序自动创建的自动过程，提高了建模效率和精度。

膜结构建模时经常遇到的一个复杂情况是在空间不共面的两根构件之间建立一根可调长度的索，由于涉及复杂的空间角度和长度的计算，以及二十几个不规则形体的参数化空间定位，手工建模几乎不可能，为此，本发明提出了含有二十六个参数的可调长度索建模插件，且建完索后，若两根构件尺寸变化，索会自动调整内部尺寸。其方法如图5A所示：

(1)在三维模型中任意选择两个构件和构件上两个的插入点。图5E和图5F分别示出了索部件及端部节点的示意图和近景。

(2)分别以两个选中的构件创建两个局部坐标系。

(3)计算插入点至构件起点的距离，并以此作为调整插入位置的参数。

(4)根据两个插入点的连线，与两个被选构件的空间关系计算要生成的节点耳板绕构件X轴旋转的角度，使得节点耳板本身处于被焊接构件的主平面内，两个耳板孔的中心连线与两个插入点的连线重合，且两个耳板分别处于两个构件相对的一侧。

(5)分别在两个构件表面创建耳板，计算耳板的最大长度和宽度，创建耳板左右两块护板。

(6)分别在两个耳板的平面内创建索头，并切割索头以插入耳板。

(7)创建销栓，以连接耳板和索头。

(8)沿两个插入点方向创建直线索并截断，并在索的截断处创建长度调节装置。

其参数设置如下：

图6A是根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中MemFixedClampRopeRun()函数的工作流程图。

在Tekla三维建模平台上应用插件参数化创建空间任意转折的曲线梁上的连续的膜节点连接组件，其铝合金卡具压绳边固定膜边界建模插件的操作界面如图6B至图6D所示。索膜结构建模时经常遇到的另一个复杂情况是在空间任意转折的曲线梁上建立连续的膜节点连接组件，由于涉及复杂的空间角度和长度的计算，以及节点连接组件空间几何位置相容平滑过渡的难题，手工建模非常困难，为此，本发明提出了含有二十个参数的膜压绳边固定边界插件，方法如图6A所示：

(1)在三维模型中选择一个构件。

(2)以选中的构件创建局部坐标系。

(3)创建多段节点底板。图6E和图6F分别为梁部件及铝合金卡具压绳边固定膜边界节点的示意图和近景。

(4)创建多段绳边。

(5)创建多段绳边固定卡具。

(6)创建螺栓阵列固定卡具于底板。

(7)创建肋板阵列并焊接于底板和构件。

(8)沿构件X轴调整螺栓阵列的起点终点偏移量，调整螺栓间距，调整螺栓种类。

(9)整个节点的旋转，包括节点绕插入点旋转，节点绕构件X轴旋转，以及节点沿构件左右翻转

(10)构件切割肋板阵列。

其参数设置如下：

图7A是根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中CableUShapeClampRun()函数的工作流程图。

在Tekla三维建模平台的插件参数化创建空间任意转折的曲线索上的连续的膜节点连接组件的操作界面如图7B至图7D所示。空间任意转折的曲线索上建立膜与索之间连接组件，由于要求成百上千个节点连接组件的空间几何位置和空间旋转角度与不断改变形状的膜空间曲面相协调，手工建模相当繁琐，效率极低。为此本专利创建了含有十九个参数的膜压绳边索边界插件，方法如图7A所示：

(1)在三维模型中选择一根索。

(2)以选中的索创建局部坐标系。

(3)创建多段夹膜卡具。

(4)创建多段绳边。

(5)创建U型套箍连接索和卡具。

(6)创建连接件。

(7)创建螺栓阵列固定U型套箍于连接件。

(8)沿索X轴调整螺栓阵列的起点终点偏移量，调整螺栓间距，调整螺栓种类。

(9)整个节点的旋转，包括节点绕索X轴旋转，节点沿索左右翻转，以及索左右交叉布置节点。其中，图7E是图7A分别为索构件及U型卡铝合金卡具索边界节点的示意图和近景。

其参数设置如下：

图8A是根据本发明的一个实施例的索膜结构三维建模中MoveMembraneNodes()函数的工作流程图。

如图8A所示，沿着索边界和梁边界，自动移动膜边界点到梁和索的节点板上，使得膜与梁和索上的节点板在三维中互相协调，具体方法为：

在所有三角膜单元中选出边界点，为此将所有三角膜单元的节点装入数组Nodes。

检索每一个膜节点，凡是在所有膜单元中出现小于四次的点为需要移动的边界点MoveNodes。

凡是含有MoveNodes中的点的膜单元为需要移动的膜单元MoveEles。

(1)移动MoveEles中的边界点与目标边界点重合，为此首先把将所有固定边界的绳边节点选入移动目标边界点TargetNodes数组。

(2)其次，把将所有边索边界的绳边节点选入移动目标边界点TargetNodes数组。

(3)对于MoveEles中每一个单元中的MoveNodes中的点，在TargetNodes检索与之距离最短的点为重合目标移动。

(4)清空MoveEles和MoveNodes，为下面目标边界点位于谷索或脊索上的操作做准备。

(5)检索每一个膜节点凡是与谷索或脊索的节点重合的点为需要移动的边界点MoveNodes。

(6)凡是含有MoveNodes中的点的膜单元为需要移动的膜单元MoveEles。

(7)首先，将所有谷索或脊索左边的绳边节点选为移动目标边界点LeftTargetNodes。

(8)对于每个MoveEles中不需要移动的点，如果与LeftTargetNodes对应点距离小于与RightTargetNodes对应点距离，则将LeftTargetNodes选为TargetNodes。

(9)其次，将所有谷索或脊索右边的绳边节点选为移动目标边界点RightTargetNodes。

(10)对于每个MoveEles中不需要移动的点，如果与RightTargetNodes对应点距离小于与LeftTargetNodes对应点距离则将RightTargetNodes选为TargetNodes。

(11)对于MoveEles中每一个单元中的MoveNodes中的点，在TargetNodes检索与之距离最短的点为重合目标移动。

其中，图8B是移动膜边界点到梁和索的节点板后结构的仰视图，图8C是在索边界上加盖膜盖口后结构最终完成图。

图9A是根据本发明的一个实施例的可调长度索支撑节点强度验算的操作界面。

图9B是根据本发明的一个实施例的铝合金卡具压绳边固定膜边界节点强度验算的操作界面。

膜结构整体的计算包括找形计算、各种荷载工况下的受力分析、杆件优化等，这些工作都在专业膜结构设计软件Orris中可以实现，在这些软件中各种构件如梁、索、杆和膜的图形显示都是用单线和三角小平面来表示的，这在整体计算时是可以满足设计需求的。在进入详图设计阶段，也就是现在所说的三维建模施工图阶段，具体到每一块夹板的厚度，螺栓的直径和间距，这些局部的计算过去都是依靠设计人员的经验和一些简单的手工计算，如果涉及复杂的节点受力验算则需要转到其他力学分析软件中重新建模计算，非常不方便。Tekla软件中只有一些对于一般结构将整体结构分析所需的信息导入到其他分析软件的简单界面，但这些对于膜结构详图设计阶段基本没什么作用。

根据本发明提出的在Tekla三维建模平台上的梁的插件和索的插件中内置了节点力学分析校核，其中，可调长度索支撑节点强度验算的操作界面如图9A所示，铝合金卡具压绳边固定膜边界节点强度验算的操作界面如图9B所示，具体流程如下：

(1)将找形计算前未变形的梁构件和杆构件导入Tekla三维建模平台的时候为每一根梁、索、杆都建立一个分析构件，该构件没有图形显示，在这个分析构件中记录着他从属的实际物理构件的ID，节点计算所需的力、力矩等荷载信息，材料信息，端点约束信息。

(2)在Tekla三维建模平台应用本专利编制的梁的插件和索的插件中建立力学分析页面，根据从每一根梁或索中读入的分析构件信息，对要绘制的节点三维模型中的节点板的厚度、螺栓直径、索头大小等建模要素，按照中国规范做力学校核，然后按照施工常用做法绘制三维模型。

(3)分析软件通过大量计算校核复杂节点，将预设的三维物理模型导出到大型计算分析软件所需的计算分析模型，再从分析结果中判断采取节点形式是否合适。

其中，梁的插件中内置了节点力学分析校核的功能包括螺栓抗拉伸和抗剪切的验算、耳板强度和焊缝强度验算和不规则形状膜夹具强度校核。为此，将常用的各种膜材料的设计参数做成数据库，在验算膜的节点时被调用。将常用索构件制作厂家提供的索节点参数做成数据库，在验算选用的索头节点时调用。

通过上面结合附图对本发明的实施例的描述，可以清楚的理解，根据本发明的技术方案，可以在现有条件不甚完备的情况下在某一类建筑中实现BIM的先进理念，了解各构件的变化情况，确定构件的实际加工尺寸，以便绘制施工建造图纸，提高生产和管理的效率。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，包括：

步骤102，根据所述索膜结构中所有构件以及各局部节点构造对应的参数信息和所有构件之间的主从关系，在三维空间中构建三维模型；

步骤104，在所述所有构件中的主要构件对应的参数信息发生变化时，根据所述主要构件变化后的参数信息和预设的函数关系确定所述所有构件中其他从属构件对应的变化后的参数信息，以得到变化后的三维模型。

2.根据权利要求1所述的索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，所述所有构件包括膜构件、索构件、梁构件和杆构件，其中，所述梁构件包括直线梁构件和曲线梁构件。

3.根据权利要求2所述的索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，所述步骤102包括：

根据所述杆构件对应的参数信息在所述三维空间中构建杆构件，根据所述梁构件对应的参数信息构建梁构件，根据所述梁构件对应的参数信息构建索构件，根据所述梁构件对应的参数信息和所述索构件对应的参数信息构建膜构件。

4.根据权利要求3所述的索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，

在索膜结构力学分析阶段，按照有限元的分析方法，把所述所有构件离散为相互关联的结构单元，包括膜单元、索单元、梁单元和杆单元。

5.根据权利要求4所述的索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，所述步骤102包括：

生成与所述杆单元对应的第一节点数组；

在构建所述杆构件时，根据每个所述杆单元生成一个两点杆构件。

6.根据权利要求4所述的索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，所述步骤102包括：

在构建所述索构件时，

生成与所述索单元对应的第二节点数组，

在所述第二节点数组中与所述梁单元和杆单元相连的节点以及有约束的节点构成所述索构件的第一起始端点数组，其中，是起始点的节点在第一起始端点数组中设置为真，否则，设置为假，

构建所述索单元的第一节点关联二维矩阵，其中，在两个节点之间有索单元时，用1表示，在两个节点之间没有索单元时，用0表示，

构建第四数组记录在每个索节点上连接的索单元个数，

在所述索单元的个数大于2时，修正所述第一起始端点数组中对应的元素为真，

从所述第一起始端点数组中元素为真的点开始在所述第一节点关联二维矩阵的列中搜索首尾相连的索构件中的索单元节点，直到遇到所述第一起始端点数组中另一个元素为真的节点为止。

7.根据权利要求4所述的索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，所述步骤102包括：

在构建所述梁构件时，

生成与所述梁单元对应的第三节点数组；

在所述第三节点数组中与所述索单元和杆单元相连的节点以及有约束的节点构成所述梁构件的第二起始端点数组，其中，是起始点的节点在所述第二起始端点数组中设置为真，否则，设置为假，

构建所述梁单元的第二节点关联二维矩阵，其中，在两个节点之间有梁单元时，用1表示，在两个节点之间没有梁单元时，用0表示，

构建第五数组记录在每个索节点上连接的梁单元个数，

在所述梁单元的个数大于2时，修正所述第二起始端点数组中对应的元素为真，

从所述第二起始端点数组中元素为真的点开始在所述第二节点关联二维矩阵的列中搜索首尾相连的索构件中的索单元节点，直到遇到所述第二起始端点数组中另一个元素为真的节点为止。

8.根据权利要求3所述的索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，根据所述梁构件对应的参数信息构建索构件包括：

根据所述梁构件对应的参数信息构建索头、耳板和索的长度调节装置，其过程包括：

在所述三维模型中任意选择两个构件和构件上两个的插入点；

分别以被选中的两个构件创建两个局部坐标系；

计算插入点至所述构件起点的距离，并将所述距离作为调整插入位置的参数；

根据两个插入点的连线，与被选中的所述两个构件的空间关系计算要生成的节点耳板绕构件X轴旋转的角度，使得节点耳板本身处于被焊接构件的主平面内，两个耳板孔的中心连线与两个插入点的连线重合，且两个耳板分别处于所述两个构件相对的一侧；

分别在所述两个构件表面创建耳板，计算耳板的最大长度和宽度，创建耳板左右两块护板；

分别在两个耳板的平面内创建索头，并切割索头以插入耳板；

创建销栓，以连接耳板和索头；

沿两个插入点方向创建直线索并截断，并在索的截断处创建索的长度调节装置。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，所述步骤102还包括：创建任意转折的曲线梁上的连续的膜节点连接组件，

其中，所述创建任意转折的曲线梁上的连续的膜节点连接组件包括：

在三维模型中选择一个构件，以选中的构件创建局部坐标系；

创建多段节点底板、多段绳边、多段绳边固定卡具、螺栓阵列固定卡具于底板以及肋板阵列，并焊接于底板和所述选中的构件，

沿选中的构件的X轴调整螺栓阵列的起点和终点偏移量、螺栓间距以及螺栓种类；

旋转节点，包括节点绕插入点旋转，节点绕构件X轴旋转，以及节点沿构件左右翻转；

选中的构件切割肋板阵列。

10.根据权利要求2至8中任一项所述的索膜结构的信息化模型设计方法，其特征在于，所述索构件包括直线索和曲线索，所述步骤102还包括：创建空间任意转折的曲线索上的连续的膜节点连接组件，

其中，所述创建空间任意转折的曲线索上的连续的膜节点连接组件，具体包括：

在所述三维模型中选择一根索；

以选中的索创建局部坐标系；

创建多段夹膜卡具、多段绳边、创建U型套箍连接索和卡具、创建连接件、创建螺栓阵列固定U型套箍于连接件；

沿所述选中的索的X轴调整螺栓阵列的起点和终点偏移量、螺栓间距和螺栓种类；

旋转节点，包括节点绕索X轴旋转，节点沿索左右翻转，以及索左右交叉布置节点。