CN107944098B - 一种基于bim技术的双曲板自动优化方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法及系统，该系统包括以下步骤：读取双曲板的三维模型；根据用户设置的精度参数对双曲板的三维模型进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型；将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板。本发明可以自动和快速地将双曲板拟合优化成单曲板，并且得到的单曲板精度高，极大的满足了双曲板加工工艺的要求，提高了工程师优化的工作效率和质量，可广泛应用于建筑幕墙设计优化领域。

Description

一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法及系统

技术领域

本发明涉及建筑幕墙设计优化领域，尤其涉及一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法及系统。

背景技术

双曲板，即双曲面的铝板、玻璃或不锈钢等面板等，在空间曲面造型的建筑幕墙或金属屋面系统工程较为常见，但双曲板具有加工难度高，加工周期长，成本高的特点。在满足一定精度范围的前提下，将双曲板拟合优化成单曲板，这样能够简化加工工艺，降低生产周期及加工成本，但是目前优化过程中仍然使用传统手工优化，而传统手工优化存在着效率低，精度差等问题。特别是在复杂外形、多系统的大型建设项目中，如果使用手动优化方式对双曲板进行拟合优化，则工作量不仅多而且繁琐，这需要参与设计人员花费大量精力和时间，而这种大型建设项目工期一般比较紧张，且项目的进度及成本控制方面都有较高的要求，如果在双曲板拟合优化过程中拖延了工期，无疑增加了项目的时间和经济成本。

本发明的双曲板的自动优化主要是通过BIM技术中的犀牛软件和Grasshopper插件实现的，犀牛软件是一款强大的专业3D造型软件，它可以广泛地应用于三维动画制作、工业制造、科学研究以及机械设计等领域。Grasshopper插件是一款在犀牛软件环境下运行的采用程序算法生成模型的插件，它可以向计算机下达更加高级复杂的逻辑建模指令，使计算机根据拟定的算法自动生成模型结果。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种快速的自动优化双曲板的方法。

本发明的另一目的是提供一种快速的自动优化双曲板的系统。

本发明所采用的第一技术方案是：

一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，包括以下步骤：

S1、读取双曲板的三维模型；

S2、根据用户设置的精度参数对双曲板的三维模型进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型；

S3、将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板。

进一步，所述S2具体包括以下步骤：

S21、根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点，依次将N个点中任两点连成一条直线；其中，N为精度参数；

S22、针对每条直线，将其正面投影在双曲板的三维模型上，在双曲板的三维模型上获得一条曲线，选取该曲线的两个端点和中点生成一个圆形；

S23、将该圆形沿着圆心的法线进行两端延长预设的距离，形成一个圆柱曲面；

S24、将双曲板的三维模型正面投影在圆柱曲面上，在圆柱曲面上得到一个投影曲面；

S25、在圆柱曲面上剪除投影曲面之外的曲面，得到单曲板的三维模型；

S26、重复执行步骤S22～S25直到获得所有直线对应的多个单曲板的三维模型。

进一步，所述S3具体包括以下步骤：

将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板；

判断最优方案的单曲板的误差值是否小于或等于预设的误差阈值，若是，直接输出最优方案的单曲板；反之，增大精度参数，继续执行S2，直到得到误差值小于误差阈值的单曲板的三维模型，并输出该单曲板的三维模型。

进一步，所述S21具体为：

根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点，根据预设的筛选条件采用遗传算法从N个点中选出L个点，再控制L个点两两连成直线；

其中，N为精度参数，L为经过筛选剩余的点的个数，0＜L≤N。

本发明所采用的第二技术方案是：

一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，通过预设的优化拟合模型执行以下操作：

读取双曲板的三维模型；

根据用户设置的精度参数对双曲板的三维模型进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型；

将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板。

进一步，所述预设的优化拟合模型采用Grasshopper插件建立生成，所述优化拟合模型包括生成单曲板单元、筛选最优单曲板单元和Galapagos单元，所述Galapagos单元分别与生成单曲板单元和筛选最优单曲板单元连接，所述生成单曲板单元和筛选最优单曲板单元连接。

进一步，所述生成单曲板单元包括生成点模块、数据组合模块、拟合压弧线模块、生成圆柱模块、拉回剪切模块和判断模块，所述生成点模块依次与数据组合模块、拟合压弧线模块、生成圆柱模块和拉回剪切模块连接，所述判断模块分别与数据组合模块和拉回剪切模块连接；

所述生成点模块用于根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点；其中，N为精度参数；

所述数据组合模块用于依次将N个点中任两点连成一条直线；

所述拟合压弧线模块用于针对每条直线，将其正面投影在双曲板的三维模型上，在双曲板的三维模型上获得一条曲线，选取该曲线的两个端点和中点生成一个圆形；

所述生成圆柱模块用于将该圆形沿着圆心的法线进行两端延长预设的距离，形成一个圆柱曲面；

所述拉回剪切模块用于将双曲板的三维模型正面投影在圆柱曲面上，在圆柱曲面上得到一个投影曲面，在圆柱曲面上剪除投影曲面之外的曲面，得到单曲板的三维模型；

所述判断模块用于判断是否所有的直线都进行优化计算，若是，获取所有直线对应的多个单曲板的三维模型；反之，返回数据组合模块继续进行自动优化。

进一步，所述筛选最优单曲板单元包括误差对比模块和自动筛选模块，所述拉回剪切模块依次与对比模块和自动筛选模块连接；

所述误差对比模块用于将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比；

所述自动筛选模块用于选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板。

进一步，所述Galapagos单元分别与生成点模块和误差对比模块连接；

所述Galapagos单元用于控制生成点模块采用遗传算法从N个点中选出L个点，并控制误差对比模块采用遗传算法生成误差值；

其中，N为精度参数，L为经过筛选剩余的点的个数，0＜L≤N。

本发明所采用的第三技术方案是：

一种基于BIM技术的双曲板自动优化系统，该系统包括：

存储器，用于存放程序；

处理器，用于执行所述程序以用于执行以下步骤：

S1、读取双曲板的三维模型；

S2、根据用户设置的精度参数对双曲板的三维模型进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型；

S3、将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板。

本发明方法、系统的有益效果是：本发明根据双曲板的三维模型自动的拟合出多个单曲板的三维模型，并在多个单曲板的三维模型中通过误差对比，选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，得到的单曲板可以高度与双曲板吻合，而且通过本发明可以快速地将双曲板拟合优化成单曲板，极大的提高了工程师拟合优化的工作效率和质量，从而节约了人工经费和时间经费。

附图说明

图1是第一实施例的步骤流程图；

图2是第二实施例中优化拟合模型的结构框图。

具体实施方式

第一实施例

如图1所示，一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，包括以下步骤：

A1、读取双曲板的三维模型。

A2、根据用户设置的精度参数对双曲板的三维模型进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型。

其中，A2具体包括A21～A25：

A21、根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点，依次将N个点中任两点连成一条直线。A21的具体步骤为：根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点，根据预设的筛选条件采用遗传算法从N个点中选出L个点，再控制L个点两两连成直线；其中，N为精度参数，L为经过筛选剩余的点的个数，0＜L≤N。

A22、针对每条直线，将其正面投影在双曲板的三维模型上，在双曲板的三维模型上获得一条曲线，选取该曲线的两个端点和中点生成一个圆形。

A23、将该圆形沿着圆心的法线进行两端延长预设的距离，形成一个圆柱曲面。

A24、将双曲板的三维模型正面投影在圆柱曲面上，在圆柱曲面上得到一个投影曲面。

A25、在圆柱曲面上剪除投影曲面之外的曲面，得到单曲板的三维模型。

A26、重复执行步骤A22～A25直到获得所有直线对应的多个单曲板的三维模型。

A3、将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板。在该步骤中采用遗传算法来计算双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型的误差值。

其中，A3包括A31～A32：

A31、将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板。

A32、判断最优方案的单曲板的误差值是否小于或等于预设的误差阈值，若是，直接输出最优方案的单曲板；反之，增大精度参数，继续执行A2，直到得到误差值小于误差阈值的单曲板的三维模型，并输出该单曲板的三维模型。

在本实施例中，N为100，N个两两组合得到4950

组点，如果根据4950组点来进行拟合优化，将会获取4950块单曲板，这个计算量是很庞大的，而且在N个点里有些点明显存在很大的误差的，这些点与其它点任意组合得到的单曲板的误差都是很大的，比如双曲板的顶点附近的点。所以在双曲板边长等距得到N个点后，采用遗传算法对该N个点进行筛选，类似遗传学上的优胜劣汰，刷除误差较大的点，留下误差相对较小的所需数量点进行拟合优化计算。其中，L就是留下的误差较小的点，在本实施例中L值为60，则得到1770

组点，将计算获取1770块单曲板，这与4950相比，无疑大大的降低了计算量，而且得到的拟合优化结果与4950块单曲板的结果是一样的，即使有些误差，但是误差是很微小的。

通过上述方法可以自动的将双曲板优化拟合成单曲板，在双曲板边长选取100个点，从100个点中筛选60个点，并获取1770块单曲板，在1770块单曲板中选出与双曲板误差值最小的单曲板作为最优方案，极大地提高了拟合优化的精确度，同时通过筛选误差相对小的点来计算极大地提高了计算快速，从而大大地提高了工程师拟合优化双曲板工作效率和质量，进而节约了人工和时间成本。

第二实施例

一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，通过预设的优化拟合模型执行以下操作：

B1、读取双曲板的三维模型。

B2、根据用户设置的精度参数对双曲板的三维模型进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型。

B3、将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板。

在上述方法中将双曲板的三维模型输入预设的优化拟合模型，预设的优化拟合模型会自动的将双曲板进行拟合优化成单曲板，并输出最优的单曲板。

其中，预设的优化拟合模型采用Grasshopper插件建立生成，参照图2，所述优化拟合模型包括生成单曲板单元、筛选最优单曲板单元和Galapagos单元，所述Galapagos单元分别与生成单曲板单元和筛选最优单曲板单元连接，所述生成单曲板单元和筛选最优单曲板单元连接；

所述生成单曲板单元包括生成点模块、数据组合模块、拟合压弧线模块、生成圆柱模块、拉回剪切模块和判断模块，所述生成点模块依次与数据组合模块、拟合压弧线模块、生成圆柱模块和拉回剪切模块连接，所述判断模块分别与数据组合模块和拉回剪切模块连接；

所述生成点模块用于根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点；其中，N为精度参数；

所述数据组合模块用于依次将N个点中任两点连成一条直线；

所述拟合压弧线模块用于针对每条直线，将其正面投影在双曲板的三维模型上，在双曲板的三维模型上获得一条曲线，选取该曲线的两个端点和中点生成一个圆形；

所述生成圆柱模块用于将该圆形沿着圆心的法线进行两端延长预设的距离，形成一个圆柱曲面；

所述拉回剪切模块用于将双曲板的三维模型正面投影在圆柱曲面上，在圆柱曲面上得到一个投影曲面，在圆柱曲面上剪除投影曲面之外的曲面，得到单曲板的三维模型；

所述判断模块用于判断是否所有的直线都进行优化计算，若是，获取所有直线对应的多个单曲板的三维模型；反之，返回数据组合模块继续进行自动优化；

所述筛选最优单曲板单元包括误差对比模块和自动筛选模块，所述拉回剪切模块依次与对比模块和自动筛选模块连接；

所述误差对比模块用于将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比；

所述自动筛选模块用于选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板；

所述Galapagos单元分别与生成点模块和误差对比模块连接；

所述Galapagos单元用于控制生成点模块采用遗传算法从N个点中选出L个点，并控制误差对比模块采用遗传算法生成误差值；

其中，N为精度参数，L为经过筛选剩余的点的个数，0＜L≤N。

所述Galapagos单元为Grasshopper插件中自带的运算器，在本实施例中Galapagos单元应用的是遗传算法，通过遗传算法控制自变量(即双曲板边长的N个点)和因变量(即双曲板与单曲板之间的误差)形成自动优化过程，选出误差值最小的单曲板作为最优的单曲板，通过使用遗传算法可以加快优化运算。所述判断模块用于控制在N个点中每选出两个点，生成一个单曲板，完成后再进行下一组点的优化计算，这样避免N个点同时进行优化计算，造成电脑计算量过大而导致电脑瘫痪，通过使用判断模块，更加提高拟合优化的自动化要求。

通过上述方法，只需将双曲板的三维模型输入预设的优化拟合模型，根据用户设置开始优化，即可快速、高精度地将双曲板优化拟合成单曲板。在优化拟合模型分成了各个模块，每个模块各司其职，可以提高拟合优化的自动化程度，从而提供了自动优化的效率，进而提高了工程师优化的工作效率和质量，节约了人工和时间成本。

第三实施例

一种基于BIM技术的双曲板自动优化系统，该系统包括：

存储器，用于存放程序；

处理器，用于执行所述程序以用于执行以下步骤：

S1、获取和读取双曲板的三维模型；

S2、根据用户设置的精度参数进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型；

S3、使用遗传算法将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板。

进一步作为优选的实施方式：所述S2具体包括以下步骤：

S21、根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点，依次将N个点中任两点连成一条直线；其中，N为精度参数；

S22、针对每条直线，将其正面投影在双曲板的三维模型上，在双曲板的三维模型上获得一条曲线，选取该曲线的两个端点和中点生成一个圆形；

S23、将该圆形沿着圆心的法线进行两端延长预设的距离，形成一个圆柱曲面；

S24、将双曲板的三维模型正面投影在圆柱曲面上，在圆柱曲面上得到一个投影曲面；

S25、在圆柱曲面上剪除投影曲面之外的曲面，得到单曲板的三维模型；

S26、重复执行步骤S22～S25直到获得所有直线对应的多个单曲板的三维模型。

通过上述系统，将双曲板的三维模型自动的拟合出多个单曲板的三维模型，并在多个单曲板的三维模型中通过误差对比，选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，得到的单曲板可以高度与双曲板吻合，而且通过本发明可以快速地将双曲板拟合优化成单曲板，极大的提高了工程师拟合优化的工作效率和质量，从而节约了人工经费和时间经费。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (7)

1.一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、读取双曲板的三维模型；

S2、根据用户设置的精度参数对双曲板的三维模型进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型；

S3、将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板；

所述S2具体包括以下步骤：

S21、根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点，依次将N个点中任两点连成一条直线；其中，N为精度参数；

S22、针对每条直线，将其正面投影在双曲板的三维模型上，在双曲板的三维模型上获得一条曲线，选取该曲线的两个端点和中点生成一个圆形；

S23、将该圆形沿着圆心的法线进行两端延长预设的距离，形成一个圆柱曲面；

S24、将双曲板的三维模型正面投影在圆柱曲面上，在圆柱曲面上得到一个投影曲面；

S25、在圆柱曲面上剪除投影曲面之外的曲面，得到单曲板的三维模型；

S26、重复执行步骤S22～S25直到获得所有直线对应的多个单曲板的三维模型。

2.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，其特征在于，所述S3具体包括以下步骤：

将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板；

判断最优方案的单曲板的误差值是否小于或等于预设的误差阈值，若是，直接输出最优方案的单曲板；反之，增大精度参数，继续执行S2，直到得到误差值小于误差阈值的单曲板的三维模型，并输出该单曲板的三维模型。

3.根据权利要求1所述的一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，其特征在于，所述S21具体为：

根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点，根据预设的筛选条件采用遗传算法从N个点中选出L个点，再控制L个点两两连成直线；

其中，N为精度参数，L为经过筛选获得的点的个数，0＜L≤N。

4.一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，其特征在于，通过预设的优化拟合模型执行以下操作：

读取双曲板的三维模型；

根据用户设置的精度参数对双曲板的三维模型进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型；

将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板；

所述预设的优化拟合模型采用Grasshopper插件建立生成，所述优化拟合模型包括生成单曲板单元、筛选最优单曲板单元和Galapagos单元，所述Galapagos单元分别与生成单曲板单元和筛选最优单曲板单元连接，所述生成单曲板单元和筛选最优单曲板单元连接；

所述生成单曲板单元包括生成点模块、数据组合模块、拟合压弧线模块、生成圆柱模块、拉回剪切模块和判断模块，所述生成点模块依次与数据组合模块、拟合压弧线模块、生成圆柱模块和拉回剪切模块连接，所述判断模块分别与数据组合模块和拉回剪切模块连接；

所述生成点模块用于根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点；其中，N为精度参数；

所述数据组合模块用于依次将N个点中任两点连成一条直线；

所述拟合压弧线模块用于针对每条直线，将其正面投影在双曲板的三维模型上，在双曲板的三维模型上获得一条曲线，选取该曲线的两个端点和中点生成一个圆形；

所述生成圆柱模块用于将该圆形沿着圆心的法线进行两端延长预设的距离，形成一个圆柱曲面；

所述拉回剪切模块用于将双曲板的三维模型正面投影在圆柱曲面上，在圆柱曲面上得到一个投影曲面，在圆柱曲面上剪除投影曲面之外的曲面，得到单曲板的三维模型；

所述判断模块用于判断是否所有的直线都进行优化计算，若是，获取所有直线对应的多个单曲板的三维模型；反之，返回数据组合模块继续进行自动优化。

5.根据权利要求4所述的一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，其特征在于，所述筛选最优单曲板单元包括误差对比模块和自动筛选模块，所述拉回剪切模块依次与对比模块和自动筛选模块连接；

所述误差对比模块用于将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比；

所述自动筛选模块用于选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板。

6.根据权利要求5所述的一种基于BIM技术的双曲板自动优化方法，其特征在于，所述Galapagos单元分别与生成点模块和误差对比模块连接；

所述Galapagos单元用于控制生成点模块采用遗传算法从N个点中选出L个点，并控制误差对比模块采用遗传算法生成误差值；

其中，N为精度参数，L为经过筛选获得的点的个数，0＜L≤N。

7.一种基于BIM技术的双曲板自动优化系统，其特征在于，该系统包括：

存储器，用于存放程序；

处理器，用于执行所述程序以用于执行以下步骤：

S1、读取双曲板的三维模型；

S2、根据用户设置的精度参数对双曲板的三维模型进行优化拟合分析后，获得多个单曲板的三维模型；

S3、将双曲板的三维模型分别与单曲板的三维模型进行误差对比，并选出误差值最小的单曲板的三维模型作为最优方案的单曲板，最后输出最优方案的单曲板；

所述S2具体包括以下步骤：

S21、根据用户设置的精度参数在双曲板的三维模型的边长上等距生成N个点，依次将N个点中任两点连成一条直线；其中，N为精度参数；

S22、针对每条直线，将其正面投影在双曲板的三维模型上，在双曲板的三维模型上获得一条曲线，选取该曲线的两个端点和中点生成一个圆形；

S23、将该圆形沿着圆心的法线进行两端延长预设的距离，形成一个圆柱曲面；

S24、将双曲板的三维模型正面投影在圆柱曲面上，在圆柱曲面上得到一个投影曲面；

S25、在圆柱曲面上剪除投影曲面之外的曲面，得到单曲板的三维模型；

S26、重复执行步骤S22～S25直到获得所有直线对应的多个单曲板的三维模型。

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