CN105653825B - 一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统及其方法，系统包括建筑设计构件顶部底部轮廓建立单元，其用于从已有的设计图纸抽取、从构件库中选取、或者由设计人员设计建筑构件的底部和顶部轮廓；生长规则制定单元，其用于根据要生成的构件进行生长方向、生长函数及参数的制定；建筑构件生成及展示单元，其用于根据构件的底(顶)部轮廓及生长规则，自动生成构件，并以三维的形式展示；建筑构件组装单元，其用于根据设计人员的要求，在构件库中选择合适的构件，并组装成为完整的建筑设计外观造型，实现计算机辅助创新概念建筑设计。

Description

一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统及方法

技术领域

本发明涉及一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统及其方法。

背景技术

产品创新对于发达国家而言，是制造业发展的自然结果。而对处于工业化进程中的我国，则是机遇与挑战并存。相比之下，我国企业的产品“创新能力”远低于“生产能力”。产品创新已成为我国从“制造大国”走向“制造强国”的关键。解决产品的产量之大和创新能力之低的矛盾，已成为我国经济发展的当务之急。

概念设计是设计过程的早期阶段，其目标是获得设计目标的基本形式或形状。计算机辅助概念设计是计算机辅助设计领域的一个重要分支。概念设计是一个相当复杂的过程，因为一个好的设计方案既要有合理的功能结构、美观的造型、简便的操作，同时还要富有创新性。计算机辅助概念设计系统的根本目的就在于能有效支持产品的创新设计。在设计早期应用计算机辅助概念设计系统至少有以下好处：能满足概念设计师的各类特殊需求，能有效提高概念设计的质量，能更为简捷地生成设计对象，能提供一个进行信息交流和对象评价的更好的平台，可以避免因设计失败而造成的浪费。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统及其方法，本发明采用Groningen模型中同伦映射和生长的思想，先画出建筑设计的底部和顶部，然后给出生长规则，系统自动生长出设计构件，然后利用构件的管理和组装技术，将其组装形成完整的建筑并演示其外观造型。由于各设计构件不是先人工构思，然后利用计算机工具再现，而是利用模型自动生成的，因此能产生一些新颖、独特的外观造型，可以支持计算机辅助创新概念建筑设计。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统，包括：

轮廓建立单元，根据需要设计的建筑构件，从数据库中抽取建筑构件的底部和顶部轮廓；

生长规则制定单元，根据需要生成的建筑构件，建立Groningen模型，利用同伦映射设定需要生成的建筑构件的生长规则；

生成及展示单元，接收轮廓建立单元的底部和顶部轮廓及生长规则制定单元的生长规则， 生成建筑构件，以三维的形式进行展示；

组装单元，根据生成及展示单元的生成的建筑构件，从数据库中抽取相应的构件，进行组装。

所述数据库包括设计图纸数据库和构件库，所述轮廓建立单元从设计图纸数据库中抽取或从构件库中选取建筑构件的底部和顶部轮廓。

优选的，所述轮廓建立单元也接收现场设计的建筑构件的底部和顶部轮廓。

进一步的，所述生长规则制定单元，包括设定生成方向的生长方向模块、生成生长函数的生长函数模块和生成构件参数的参数模块。

进一步的，所述构建参数包括初始半径、半径范围、高度、层数、曲率和控制点个数。

所述生成及展示单元，基于曲面间同伦映射和控制点实现的自由曲面同伦映射生成自由曲面。

所述生成及展示单元，设有外部连接接口，调用封装的建筑构件类。

一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法，包括以下步骤：

(1)根据需要设计的建筑构件，从数据库中抽取相应的底部和顶部轮廓；

(2)根据建筑构件的形状，建立Groningen模型，利用同伦映射设定需要生成的建筑构件的生长规则；

(3)接收底部、顶部轮廓及生长规则，生成建筑构件，以三维的形式进行展示；

(4)根据生成的建筑构件，从数据库中抽取相应的构件，进行组装。

进一步的，所述步骤(2)中，确定生长规则的过程包括：

步骤(2.1)：设定生成的构件的生长方向；

步骤(2.2)：设定生成的构件的生长函数；

步骤(2.3)：设定生成的构件的生长函数的参数。

所述步骤(2)中，利用曲面间的同伦映射的进行建筑构件的生成，具体包括，定义源点和终点的曲面方程，描述同伦映射所产生的中间层曲面方程，得到同伦生长体。

所述步骤(2)中，根据控制点实现自由曲面同伦映射，具体方法为：给定了曲面上的若干控制点，生成体现曲面外观特征的三维曲线，在始端曲面和终端曲面上各分别取一个对应的点，则某中间曲面上一个点的坐标由这两点经过同伦变换得到，形成同伦映射函数，当同伦映射函数从0到1变化时，逐步由始端曲面上的点变换为终端曲面上的对应点。

本发明的有益效果为：

(1)本发明面向计算机辅助创新概念设计，旨在为建筑设计人员的创新设计提供一种激发创作灵感的概念设计软件。由于各设计构件不是先人工构思，然后利用计算机工具再现，而是利用Groningen模型派生的，因此能产生一些新颖、独特的外观造型，为创新设计提供支持。

(2)本发明的基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法不仅适用于建筑概念设计，而且适用于动漫设计中建筑设计造型，可以扩展到大型游乐场所的虚拟现实建筑设计。

附图说明

图1(a)-图1(d)是同伦的示意图；

图2(a)-图2(d)是Groningen模型应用同伦映射的示意图；

图3是本发明的基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统的结构示意图；

图4是本发明的基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法的流程示意图；

图5(a)-图5(c)是本发明中不同典型的同伦映射函数生长的示意图；

图6(a)、图6(b)是本发明中建筑设计构件生成方向的示意图；

图7是本发明中基本的曲面间同伦映射的示意图；

图8是本发明中根据控制点实现的自由曲面同伦映射的意图；

图9是本发明中Groningen模型构件的类图；

图10(a)-图10(c)是本发明中几个典型类的类结构图；

图11(a)、图11(b)是本发明实施例中体育场看台的底部轮廓和顶部轮廓示意图；

图12是本发明实施例中生成的体育场看台的示意图；

图13是本发明实施例中生长规则参数选择面板示意图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

Groningen是荷兰的一个城市，该城市在二战中遭到严重的破坏，整个城市除了极少的几个建筑外，一片废墟。为了部分地保留城市原来的风貌，Groningen大学的设计师们提出了一个很有创意的设计思想，为这个城市建成了具有世界性的建筑。这个设计思想被称为Groningen模型。

Groningen模型包括两个重要的方面，一是在被破坏的建筑体基底上设计新的建筑，而新建筑体的顶端形状与基底形状则可能有很大的不同；二是“生长”的思想，即整个建筑的各层是从基底到顶端一层一层地生长起来的。

同伦是一个十分重要的几何学和拓扑学概念，它按照某些规则从一个形状持续地变化成另外一个形状，这些规则称为同伦映射。不同的映射可以产生不同的同伦曲线。Groningen模型实际上是使用同伦映射来实现建筑中从一个形状到另一个形状的逐渐过渡。

图1(a)-图1(d)为同伦的示意，其中，图1(a)是初始端曲线，图1(b)是目标端曲线，图1(c)和图1(d)是同伦映射中可能的两个中间曲线。

图2(a)-图2(d)是Groningen模型应用同伦映射的示意。图2(a)是底部形状，图2(b)是顶部形状。图2(c)和图2(d)是同伦映射中可能的两个中间形状。

同伦映射所生成的对象除了与两端的形状有关外，还有一个决定性的因素，即映射的过程，也就是映射规则。映射规则通常是某种函数，即映射函数。最常用的映射函数是线性映射，即各中间形状由两个原始形状经过线性变换生成。第二种常用的同伦映射就是二次映射。在进行二次映射时，还可以加入一个中间层形状，以使生成的形状体有更多的变化。

在本发明中，我们对Groningen模型进行了深入的研究，发现该模型在创新概念设计方面可以有广泛的应用。我们基于该模型的生长思想，开发了一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统。

在计算机辅助设计领域，通常人们所面对的是多个复杂的设计目标，然而不管设计目标有多么样的不同，它们总可以细分为小到一定程度的具有一定独立性的组成部件，且这些组成部件需要具有可重用性，各组成部件间具有可连接和装配的特点。根据这些特点，我们认为，将计算机科学中的软构件思想应用于设计业具有非常重要的研究和应用价值。

本发明采用Groningen模型，首先生成各种可以组装为建筑设计的构件，然后利用软构件的管理和组装技术，将其组装形成完整的建筑并演示其外观造型。由于各设计构件不是先人工构思，然后利用计算机工具再现，而是利用Groningen模型派生的，因此能产生一些新颖、独特的外观造型。

在本发明的基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法中：

基本的曲面间同伦映射

基本的同伦映射主要考虑的是两个平行的平面中曲线间的映射。而在本发明中，我们考虑曲面间的同伦映射。

首先定义源点和终点曲面方程如下：

F₁(x,y,z)＝0,x,y∈Dom(F₁)

F₂(x,y,z)＝0,x,y∈Dom(F₂)

则同伦映射所产生的中间层曲面方程可描述如下：

其中G为同伦映射，Ω是对其定义域进行的变换。

例如，如果我们选择F₁(x,y,z)为Scherk Minimal Surface(-π≤u,v≤π，c是常数)：

F₂(x,y,z)为Handkerchief surface(-π≤u,v≤π，a是常数)：

则可以得到如图5(a)-图5(c)所示的同伦生长体。

(2)根据控制点实现的自由曲面同伦映射

对于非解析的曲面，我们需要取曲面上的点对其进行描述。给定了曲面上的若干控制点，生成体现曲面外观特征的三维曲线，在此基础上生成我们所需要的自由曲面。

在始端曲面和终端曲面上各分别取一个对应的点P₁(x₁,y₁,z₁)和P₂(x₂,y₂,z₂)，则某中间曲面上一个点的坐标P(x,y,z)可由P₁和P₂经过同伦变换得到：

f(λ),g(λ),s(λ)∈[0,1]，是同伦映射函数，其中λ包含了中间曲面的位置信息。当f(λ),g(λ),s(λ)从0到1变化时，P逐步由始端曲面上的点变换为终端曲面上的对应点。图6是利用自由曲面所实现的一个曲面同伦映射体。

可以看出，曲面间的同伦变换使同伦所产生的形状有了更多的创新意义。改变始端曲面F₁(x,y,z)和终端曲面F₂(x,y,z)，或同伦映射函数f(λ),g(λ),s(λ)，都会产生新的意想不到的 设计形状，因此我们可以有理由认为曲面间的同伦变换是某种意义上的创新概念设计，而且这种设计可以应用于概念化建筑设计。

(3)Groningen模型构件的类图和几个典型类的类结构

Groningen生长规则为建筑构件的生成提供了一套方法和理论，支持建筑软构件的设计，同时通过调节和控制参数，使这些构件发生外观上的变化。我们在系统中嵌入了Groningen生长规则，使得整个系统支持建筑软构件的创新设计。

为此我们设计了一系列的类，通过封装一些功能模块、设计模式和生长方式，为设计师提供可调节和控制的接口，从而生成各种“即插即用”型的建筑构件。

图9是我们设计的Groningen模型构件的类图，图10(a)-图10(c)是几个典型类的类结构。

如图1所示，本发明的基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统及其方法，包括：

建筑设计构件顶部底部轮廓建立单元，其用于从已有的设计图纸抽取、从构件库中选取、或者由设计人员设计建筑构件的底部和顶部轮廓；

生长规则制定单元，其用于根据要生成的构件进行生长方向、生长函数及参数的制定；

建筑构件生成及展示单元，其用于根据构件的底(顶)部轮廓及生长规则，自动生成构件，并以三维的形式展示；

建筑构件组装单元，其用于根据设计人员的要求，在构件库中选择合适的构件，并组装成为完整的建筑设计外观造型，实现计算机辅助创新概念建筑设计。

进一步地，生长规则制定单元，包括：

设定生成的构件的生长方向模块；

设定生成的构件的生长函数模块；

设定生成的构件的生长函数的各项参数模块。

如图4所示，本发明的基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法，包括：

步骤(1)：根据要设计的建筑设计构件，建立顶部和底部轮廓；

步骤(2)：根据设计建筑构件的形状，设定要生成的构件的生长规则，包括生长方向、生长函数及参数；

步骤(3)：根据步骤(1)建立的顶部和底部轮廓，步骤(2)建立的生长规则，生成建筑设计构件，并以三维的形式展示；

步骤(4)：根据设计人员的要求，在构件库中选择合适的构件，并组装成为完整的建筑 设计外观造型，实现计算机辅助创新概念建筑设计。

所述步骤(2)中确定生长规则的过程，包括：

步骤(2.1)：设定生成的构件的生长方向；

步骤(2.2)：设定生成的构件的生长函数；

步骤(2.3)：设定生成的构件的生长函数的各项参数；

下面提供一个实施体育场设计实例：

先将体育场分解为主体设计和顶部设计。主体设计的关键部分是看台，而看台分层式的结构是可以通过Groningen模型中生长的思路设计的。

步骤(1)：根据要设计的建筑设计构件，建立顶部和底部轮廓。我们根据设计要求，建立的基本同伦映射的看台的底部轮廓如图11(a)图所示，顶部轮廓如图11(b)图所示；

步骤(2)：根据设计建筑构件的形状，设定要生成的构件的生长规则。

基本的同伦映射：选择生长方向为纵向，生长函数为参数为初始半径：18和15，半径范围：30到40，高度：15，层数30；

该步骤中参数是可以动态调整的，参数选择面板见图13菜单栏。

步骤(3)：根据步骤(1)建立的顶部和底部轮廓，步骤(2)建立的生长规则，生成建筑设计构件，并以三维的形式展示。步骤(2)中基本的同伦映射生成的看台见图12。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (5)

1.一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法，其特征是：

所述方法采用的基于Groningen模型的建筑设计构件生成系统包括：

轮廓建立单元，根据需要设计的建筑构件，从数据库中抽取建筑构件的底部和顶部轮廓；

生长规则制定单元，根据需要生成的建筑构件，建立Groningen模型，利用同伦映射设定需要生成的建筑构件的生长规则；所述生长规则制定单元，包括设定生成方向的生长方向模块、生成生长函数的生长函数模块和生成构件参数的参数模块；

生成及展示单元，接收轮廓建立单元的底部和顶部轮廓及生长规则制定单元的生长规则，生成建筑构件，以三维的形式进行展示；所述生成及展示单元，基于曲面间同伦映射和控制点实现的自由曲面同伦映射生成自由曲面；

组装单元，根据生成及展示单元的生成的建筑构件，从数据库中抽取相应的构件，进行组装；

所述方法包括以下步骤：

(1)根据需要设计的建筑构件，从数据库中抽取相应的底部和顶部轮廓；

(2)根据建筑构件的形状，建立Groningen模型，利用同伦映射设定需要生成的建筑构件的生长规则；

(3)接收底部、顶部轮廓及生长规则，生成建筑构件，以三维的形式进行展示；

(4)根据生成的建筑构件，从数据库中抽取相应的构件，进行组装；

所述步骤(2)中，利用曲面间的同伦映射的进行建筑构件的生成，具体包括，定义源点和终点的曲面方程：

F₁(x,y,z)＝0,x,y∈Dom(F₁)

F₂(x,y,z)＝0,x,y∈Dom(F₂)

则描述同伦映射所产生的中间层曲面方程，得到同伦生长体；同伦映射所产生的中间层曲面方程为：

其中G为同伦映射，Ω是对其定义域进行的变换，Dom(F₁)为平面F₁的定义域；Dom(F₂)为平面F₂的定义域；

所述步骤(2)中，根据控制点实现自由曲面同伦映射，具体方法为：给定了曲面上的若干控制点，生成体现曲面外观特征的三维曲线，在始端曲面和终端曲面上各分别取一个对应的点P₁(x₁,y₁,z₁)和P₂(x₂,y₂,z₂)，则某中间曲面上一个点的坐标P(x,y,z)可由P₁和P₂经过同伦变换得到：

f(λ),g(λ),s(λ)∈[0,1]，是同伦映射函数，其中λ包含了中间曲面的位置信息；当同伦映射函数f(λ),g(λ),s(λ)从0到1变化时，P逐步由始端曲面上的点变换为终端曲面上的对应点。

2.如权利要求1所述的一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法，其特征是：所述数据库包括设计图纸数据库和构件库，所述轮廓建立单元从设计图纸数据库中抽取或从构件库中选取建筑构件的底部和顶部轮廓。

3.如权利要求1所述的一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法，其特征是：所述轮廓建立单元也接收现场设计的建筑构件的底部和顶部轮廓。

4.如权利要求1所述的一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法，其特征是：所述构建参数包括初始半径、半径范围、高度、层数、曲率和控制点个数。

5.如权利要求1所述的一种基于Groningen模型的建筑设计构件生成方法，其特征是：所述生成及展示单元，设有外部连接接口，调用封装的建筑构件类。