CN106599463A - 一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法 - Google Patents

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郦宏伟
吴国松
杜兆宇
俞奇效
江涛
丁毅
张笑乐
孙立群
仝书敬
姚峰
王柳
夏岳鑫
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Abstract

本发明公开了一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法。该技术具体包括如下步骤：1）建立初始自由曲面；2）确定空间网格结构形式，设置空间网格结构的模型控制参数，用于控制结构节点数量、结构厚度的变化；3）根据上述控制参数对自由曲面进行网格划分和网格均匀性优化，得到相应的空间节点；4）通过预设算法对空间节点进行逻辑分组排列，并按一定规律自动连接节点而形成空间网格结构三维模型。该技术能实现参数驱动模型变化，且参数和模型共同保存，通过简单的改变模型参数值就能建立新的模型，实现模型的参数化，极大提高了建模效率和准确性。

Description

一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法
技术领域
本发明属于建筑结构计算机建模领域，具体涉及一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法。
技术背景
随着建筑科学技术和计算机技术的不断发展，为建筑外形的突破创造了无限可能。而非规则空间自由曲面由于其独特的建筑艺术表现力及强大的视觉冲击力，越来越受到建筑师的青睐。这个趋势也带来了建筑结构新的突破和发展，由此产生自由曲面空间网格结构。
自由曲面空间网格结构虽然满足了多样的建筑功能使用要求，但由于其形体的非线性和不规则性给结构设计人员的工作造成了极大的挑战。一方面，设计人员往往需要高效地创造多个结构方案进行对比分析，以寻求结构方案的最优选择；另一方面，由于条件的多样性，设计人员也需要高效地调整方案以响应项目进行中的各种变化。
在建筑结构设计领域，虽然传统的计算机辅助设计技术已日趋完善，但参数化建模技术还未成熟，目前运用较广的如3D3S、SAP2000、Midas等软件，仅能在平面、柱面、球面等规则曲面上实现空间网格结构的参数化建模。但是对于自由曲面，由于其几何形态不能用解析函数精确表达或拟合，传统软件已经无法适用；同时对于自由曲面上的空间网格结构，手动建模的难度和成本大大增加，同时无法保证结构的准确性，因此有必要对基于自由曲面的空间网格结构参数化建模技术进行创新性地研究。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法，只需要合理选择结构形式，合理设置控制参数，就可以根据任意自由曲面生成结构合理的空间网格结构。
本发明的具体技术方案包括如下步骤：一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法，包括如下步骤：1）建立初始自由曲面；2）确定空间网格结构形式，设置空间网格结构的模型控制参数，用于控制结构节点数量、结构厚度的变化；3）根据上述控制参数对自由曲面进行网格划分和网格均匀性优化，得到相应的空间节点；4）通过预设算法对空间节点进行分组排列，并按规律自动连接节点而形成空间网格结构三维模型。
进一步，所述步骤1）中初始自由曲面为空间任意曲面。
进一步：所述步骤2）中的空间网格结构形式包括网架、单层网壳和桁架；其中，网架包含两向正交正放网架、四角锥网架和三角锥网架；单层网壳包含单向斜杆正交正放网壳、交叉斜杆正交正放网壳、联方网壳、三向网壳和三角网格；桁架包含平面桁架和立体桁架。
进一步，所述步骤3）中的网格均匀性优化需进行动力学分析和运算。
进一步，所述步骤4）中的自动连接节点而形成空间网格结构三维模型能够对输入控制参数的变化做成即时反馈，并提供实时三维模型预览。
本发明的有益效果：
1）能实现参数驱动模型变化，根据输入的初始自由曲面和结构模型控制参数，可自动生成空间网格结构三维模型，并提供实时三维模型预览；且参数和模型共同保存，通过简单的改变模型参数值就能建立新的模型，实现模型的参数化，极大提高了建模效率和准确性。
2）在参数化设计模式下设计师可以借助计算机的思维得到传统方法无法得到的成果，极大地拓展了设计的可能，
3）由于数字加工技术与数字设计技术的对接，实现了复杂异型产品合理的生产、安装成本，极大地提高了建造效率，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明技术方案流程示意图；
图2为本发明一较佳实施例中自由曲面网格划分后节点示意图；
图3为本发明一较佳实施例中自由曲面网格均匀性优化后节点示意图；
图4为本发明一较佳实施例中的自由曲面空间网格结构示意图；
图5为本发明一较佳实施例中实时三维模型预览示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合本发明一较佳实施例的附图，对本发明提供的技术方案作进一步的详细解释。
本发明提供了一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法，具体流程图如图1所示，一较佳实施例如图2-5所示。包含如下步骤：
1）建立初始自由曲面1。此初始自由曲面1为空间任意曲面，可根据建筑设计图纸、建筑外轮廓模型放样得到。此初始自由曲面1常为杆件中心线或杆件上翼缘中心线所在曲面。
2）确定空间网格结构形式，本实施例中根据初始自由曲面1形状、跨度、边界情况等条件，确定选用均匀点三角单层网壳结构。设置空间网格结构的模型控制参数，本实施例中控制参数为结构节点数量。
3）根据上述控制参数对自由曲面进行网格划分得到相应的节点2，由于节点2的均匀性不满足要求，进一步对节点2进行网格均匀性优化，得到相应的空间节点3。本实施例中网格均匀性优化需进行动力学分析和运算，具体流程包括：在任意节点2之间引入弹簧力，并根据节点2之间的初始距离输入合理的弹簧静止长度和上限值；在节点2与初始自由曲面1之间设置引力，将节点2限制或拉向初始自由曲面1；输入合理的粘滞阻力参数；将上述作用力引入物理引擎中进行模拟计算，输出运动后粒子位置，即得到均匀性优化的节点3。
4）通过预设算法对空间节点进行逻辑分组排列，并按一定规律自动连接节点而形成空间网格结构三维模型4。本实施例中通过预设算法搜寻与各个节点3距离不超过半径R的G个点，并将满足要求的相应节点3连接形成杆件。因此通过合理设置搜寻节点的数量和搜寻半径的上限值，即可通过预设算法自动生成相应的空间网格结构三维模型4。
本实施例中基于自由曲面的空间网格结构参数化建模需要的控制参数有：结构形式、结构节点数量、节点间弹簧力、弹簧静止长度和上限值，节点与自由曲面之间的引力、搜寻节点的数量和搜寻半径的上限值。通过本技术方案自动形成的空间网格结构三维模型能够对上述输入控制参数的变化做成即时反馈，并提供实时三维模型预览5。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。
以上对本发明实施例所提供的一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模技术进行了详细介绍，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，凡依据本发明思想所做的任何改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法，其特征在于，包括如下步骤：1）建立初始自由曲面；2）确定空间网格结构形式，设置空间网格结构的模型控制参数，用于控制结构节点数量、结构厚度的变化；3）根据上述控制参数对自由曲面进行网格划分和网格均匀性优化，得到相应的空间节点；4）通过预设算法对空间节点进行分组排列，并按规律自动连接节点而形成空间网格结构三维模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法，其特征在于：所述步骤1）中初始自由曲面为空间任意曲面。
3.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法，其特征在于：所述步骤2）中的空间网格结构形式包括网架、单层网壳和桁架；其中，网架包含两向正交正放网架、四角锥网架和三角锥网架；单层网壳包含单向斜杆正交正放网壳、交叉斜杆正交正放网壳、联方网壳、三向网壳和三角网格；桁架包含平面桁架和立体桁架。
4.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法，其特征在于：所述步骤3）中的网格均匀性优化需进行动力学分析和运算。
5.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的空间网格结构参数化建模方法，其特征在于：所述步骤4）中的自动连接节点而形成空间网格结构三维模型能够对输入控制参数的变化做成即时反馈，并提供实时三维模型预览。
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