CN109214142A - 一种仿生建筑结构建模及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种仿生建筑结构建模及设计方法，包括：步骤一，对仿生建筑结构进行数学模拟，包括外轮廓和截面的模拟；步骤二，确定所需构件尺寸和载荷信息，构成有限元计算模型，将所形成的有限元计算模型提供给ANSYS进行静力线性分析和动力弹塑性时程分析；步骤三，根据仿生建筑的静力线性分析和动力弹塑性时程分析结果，利用面向对象的设计方法，构造参数化的虚拟现实系统；步骤四，对仿生建筑的抗震性能进行优化设计；步骤五，根据步骤三和步骤四生成设计图纸，并在图纸下衬以与施工模板一致的网格，从而便于施工方制作定位模板。与工程设计结合设计复杂空间仿生形态建筑，精确的进行结构建模和设计，为工程实施精确定位定形奠定基础。

Description

一种仿生建筑结构建模及设计方法

技术领域

本发明涉及建筑领域，特别是一种仿生建筑结构建模及设计方法。

背景技术

随着科技飞速发展、信息快速传播，先锋的建筑艺术作品在建筑师的头脑中形成，仿生建筑作为先锋建筑的一种表现形式，备受青睐，同时，在自然资源短缺，环境污染严重的今天，建筑师遵循人与自然和谐发展的理念，试图寻找建筑与自然间完美的共存方式，目前仿生建筑在施工过程中需要精确定位定性，由于其属于复杂空间仿生形态，建筑的建模形式如何通过凝练的数学几何方程进行描述，即数字建模，现有技术还没有成熟且效果好的技术方案，而准确的数字模型是进行结构受力分析、设计以及工程构件装配的基础。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种仿生建筑结构建模及设计方法，与工程设计结合设计复杂空间仿生形态建筑建模的方法，包括相关结构设计软件的前处理和连接方法等细节，从而精确的进行结构建模和设计，为工程实施的精确定位和定形奠定基础。

本发明的目的在于提供一种仿生建筑结构建模及设计方法，包括：

步骤一，对仿生建筑结构进行数学模拟，包括外轮廓和截面的模拟，采用CATIA将仿生建筑外表面曲面经过三次沿曲面内法线方向的偏移，分别得到结构外表面、结构中心面、结构内表面，所述结构外表面用于结构定位施工图绘制，所述结构中心面用于结构计算和分析；

步骤二，确定所需构件尺寸和载荷信息，并将所有构件进行分组，管理构件的分组，利用所需构件尺寸和载荷信息以及生成的网格一起构成有限元计算模型，将所形成的有限元计算模型提供给ANSYS进行静力线性分析和动力弹塑性时程分析；

步骤三，根据仿生建筑的静力线性分析和动力弹塑性时程分析结果，利用面向对象的设计方法，构造参数化的虚拟现实系统；

步骤四，对仿生建筑的抗震性能进行优化设计；

步骤五，根据步骤三和步骤四生成设计图纸，包括根据参数化的虚拟现实系统生成3D模型，在CATIA中生成整体结构的平面、立面、剖面切片，输出成DWG文件，同时，通过AutoCAD二次开发，结合步骤四的抗震性能优化，批处理所述DWG文件上生成的各平面图，依次输出每个异型筒体以及梁的定位曲线图，并在图纸下衬以与施工模板一致的网格，从而便于施工方制作定位模板。

优选的，所述偏移不是一次完成，而是根据仿生结构分解的每个异型筒及其连接体的几何特征，沿高度方向和周向先将其切割成易于沿内法线方向偏移的多个曲面部分，再进行向内偏移，多次修剪达到整体的协调一致，最后形成的结构中心面几何模型达到所有曲面连续，满足离散有限元计算的要求；

优选的，所述步骤一还包括门窗以及设备开洞对结构分析结果的影响愤怒西，在CATIA几何模型对应位置创建窗口。

优选的，所述步骤一还包括网格划分，读取CATIA建立的几何模型，对导入的几何模型进行清理，从而进行公差设置并进行数据格式之间的转化，几何模型进行清理包括利用surface edit创建楼板、异形筒以及异形梁的公共边界，从而所有部件连接作为一个整体结构共同作用，所述网格长细比小于5，扭曲率小于5，单元最小边长大于150mm。

优选的，所述步骤三包括：

(1)设置参数化的输入界面，通过HTML页面完成参数的输入和信息的输出，所述参数包括模型的参数以及模型显示的相关属性参数，所述模型的参数包括如异型筒参数(R1，R2，P1，P2，P3)，截面轮廓参数(P4)，旋转角度(a)，檐口外挑长度(long)；所述模型显示的相关属性参数包括模型显示的分割数(surfTab1，surfTab2)，显示的材质颜色和透明度；

(2)设置参数化的模型生成系统，通过VRML脚本编程，结合输入的参数，进行模型三维数据的生成；

(3)设置模型渲染模块，由VRML浏览器插件BS ContactX3d/VRML V7.0显示生成的模型；

(4)设置信息查询模块，通过VRML的感应器，捕捉模型的表面数据，包括坐标，传递给HTML页面显示模型的相关数据；

优选的，所述步骤四包括：

(1)对各筒体厚度进行调整，控制结构的扭转变形，由于仿生体分割的异型筒体强度和刚度都很大，在壁上适当设置洞口以调整其刚度，本实施例中，通过加强舞台一侧的筒体厚度至600，减少反向一侧的筒体厚度到220，使结构的第一周期由扭转变为平动，第三周期为扭转，结构的周期比小于0.85；

(2)设置T字剪力墙，增加结构的整体刚度，减少结构的刚度偏心，在T字剪力墙之间增加设置钢桁架，将屋面板壳体的三边支撑改为四边支撑，本实施例中将T字剪力墙设置在顶层多功能厅舞台口前侧两边，大跨度屋面板矢高4m，作为理想的壳体形状，平面最大位移由舞台侧上方中部的70mm减小到50mm并向两侧分散，应力重新合理分布，屋面板周边梁板加强配筋并施加一定的预应力，加强对拱板的约束；

(3)增加楼面层大板结构周边板后，并设置一定刚度的边梁，增加筒体之间的结构连接，并进行结构整体稳定验算，保证结构的稳定和抗倾覆能力；

(4)在各异型筒体内部分层设置环向加劲板，增强异型筒体的局部稳定，保证异型结构在地震作用下能够正常工作，本实施例中环向加劲板宽度为600，厚度为150mm；

(5)采用ANSYS进行常遇地震作用下的反应谱分析和时程分析，参照建立墙结构控制总体变形和层间变形，并对轴压比进行控制；

(6)对筒体底部按中震弹性进行控制，在施工图设计阶段采用ABAQUS程序进行弹塑性分析，验算罕遇地震作用下的变形，进一步确定薄弱部位。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据本发明实施例的仿生建筑结构建模及设计方法流程图；

附图2为根据本发明实施例的参数化虚拟展示系统架构图。

具体实施方式

参见图1，一种仿生建筑结构建模及设计方法，包括：

步骤一，对仿生建筑结构进行数学模拟，包括外轮廓和截面的模拟，采用CATIA将仿生建筑外表面曲面经过三次沿曲面内法线方向的偏移，分别得到结构外表面、结构中心面、结构内表面，所述结构外表面用于结构定位施工图绘制，所述结构中心面用于结构计算和分析，所述偏移不能一次完成，而是根据仿生结构分解的每个异型筒及其连接体的几何特征，沿高度方向和周向先将其切割成易于沿内法线方向偏移的多个曲面部分，再进行向内偏移，在切割形成的曲面的边界处，由于相邻的曲面在该边界的内法线可能存在不一致，同时偏移的距离从150mm-600mm不等，形成沿内发现偏移后的相邻曲面在边界处不协调，多次修剪达到整体的协调一致，最后形成的结构中心面几何模型达到所有曲面连续，满足离散有限元计算的要求；

其中，该步骤还包括门窗以及设备开洞对结构分析结果的影响愤怒西，在CATIA几何模型对应位置创建窗口。步骤一还包括网格划分，读取CATIA建立的几何模型，对导入的几何模型进行清理，从而进行公差设置并进行数据格式之间的转化，几何模型进行清理包括利用surface edit创建楼板、异形筒以及异形梁的公共边界，从而所有部件连接作为一个整体结构共同作用，所述网格长细比小于5，扭曲率小于5，单元最小边长大于150mm。

步骤二，确定所需构件尺寸和载荷信息，并将所有构件进行分组，管理构件的分组，利用所需构件尺寸和载荷信息以及生成的网格一起构成有限元计算模型，将所形成的有限元计算模型提供给ANSYS进行静力线性分析和动力弹塑性时程分析；

步骤三，根据仿生建筑的静力线性分析和动力弹塑性时程分析结果，利用面向对象的设计方法，构造参数化的虚拟现实系统；

步骤三包括：

(1)设置参数化的输入界面，通过HTML页面完成参数的输入和信息的输出，所述参数包括，模型的参数，如异型筒参数R1，R2，P1，P2，P3，截面轮廓参数P4，旋转角度a，檐口外挑长度long；模型显示的相关属性参数，如模型显示的分割数surfTab1，surfTab2，显示的材质颜色和透明度；

(2)设置参数化的模型生成系统，通过VRML脚本编程，结合输入的参数，进行模型三维数据的生成；

(3)设置模型渲染模块，由VRML浏览器插件BS ContactX3d/VRML V7.0显示生成的模型；

(4)设置信息查询模块，通过VRML的感应器，捕捉模型的表面数据，包括坐标，传递给HTML页面显示模型的相关数据；

结合数据流程和控制流程，虚拟现实展示系统架构图如图2所示。

1、参数化输入界面

VRML实际基于WWW的三维显示系统，同过HTML设计系统的输入界面，作为基于Web3D的系统界面首要选择，网页上所有元素都是一个对象，都具有相关的属性，通过脚本语言JavaScript访问，通过HTMLDocument定义的一个名为getElementById()的方法，快速获得网页上参数输入框内的内容。Web的编程，主要基于HTML的文档编程，而HTML对VRML的数据访问机制是主动访问，可以随时地通过VRML提供的API：setEventIn()、getEventOut()来存取VRML场景中任意节点的任意域。HTML把网页上输入的参数值及时的传递给VRML，并接入直接引发VRML的相关事件，从而生成相应的参数化模型。

方法：value＝Document.getElementById(“input_name”)；

Document.getElementById(“bsContact”).setEventNode(nodeName,fieldname,value)；

其中，input_name是网页上参数输入域的ID；bsContact是ActiveX渲染插件在HTML中的ID，而nodeName，fieldName分别代表VRML中的节点名和域名。

2、参数化模型生成设计

本实施例中，设立了一个生成参数化模型的脚本节点createHall，其定义了一个入事件eventIn MFString paraStr，负责接收HTML页面传进来的参数列表，根据参数化定义的要求和工程需要，定义如下参数：

异型筒参数R1，R2，P1，P2，P3，截面轮廓参数P4，旋转角度a，檐口外挑长度long，模型分割精度surfTab1,surfTab2，显示的透明度transparency，模型的显示方式displayMode，查询坐标queryMode。

实现方法：DEF createHall Script{eventIn MFString paraStr…#其它域url”vrmlscript:function initialize(){…}#进行有关的初始化；function paraStr(){#处理入事件，生成相应的模型}

”}

3、信息查询模块

在VRML，为了获取模型的相关信息，主要通过相关的感应器来生成入事件，然后进行相关的处理，本实施例主要是获取鼠标在模型上移动和点击时的坐标，使用触摸传感器touchSensor，并采用了感应器的两个出事件：hitPoint_changed事件、touchTime事件，通过它们的组合，实时地从模型上获取点坐标的信息，获取的信息最终显示在HTML用户界面上，通过VrmlScript的Browser对象方法loadURL()发送OnEvent事件给HTML用户界面：

Browser.LoadURL(“OnEvent(Type,Info1,Info2,…)”,””)，其中Type表示信息的类型，Info1，Info2，…表示对象属性的信息。

在HTML页面设立一个信息接收中心：<Script for＝“bsContact”event＝“OnEvent(Type,infoList”language＝“Javascript1.2”>，与VRML的信息发送命令相对应，根据接收的信息进行处理，主要显示返回的点坐标信息。

步骤四，对仿生建筑的抗震性能进行优化设计，包括：

(1)对各筒体厚度进行调整，控制结构的扭转变形，由于仿生体分割的异型筒体强度和刚度都很大，在壁上适当设置洞口以调整其刚度，本实施例中，通过加强舞台一侧的筒体厚度至600，减少反向一侧的筒体厚度到220，使结构的第一周期由扭转变为平动，第三周期为扭转，结构的周期比小于0.85；

(2)设置T字剪力墙，增加结构的整体刚度，减少结构的刚度偏心，在T字剪力墙之间增加设置钢桁架，将屋面板壳体的三边支撑改为四边支撑，本实施例中将T字剪力墙设置在顶层多功能厅舞台口前侧两边，大跨度屋面板矢高4m，作为理想的壳体形状，平面最大位移由舞台侧上方中部的70mm减小到50mm并向两侧分散，应力重新合理分布，屋面板周边梁板加强配筋并施加一定的预应力，加强对拱板的约束；

(3)增加楼面层大板结构周边板后，并设置一定刚度的边梁，增加筒体之间的结构连接，并进行结构整体稳定验算，保证结构的稳定和抗倾覆能力；

(4)在各异型筒体内部分层设置环向加劲板，增强异型筒体的局部稳定，保证异型结构在地震作用下能够正常工作，本实施例中环向加劲板宽度为600，厚度为150mm；

(5)采用ANSYS进行常遇地震作用下的反应谱分析和时程分析，参照建立墙结构控制总体变形和层间变形，并对轴压比进行控制；

(6)对筒体底部按中震弹性进行控制，在施工图设计阶段采用ABAQUS程序进行弹塑性分析，验算罕遇地震作用下的变形，进一步确定薄弱部位。

步骤五，根据步骤三和步骤四生成设计图纸，包括根据参数化的虚拟现实系统生成3D模型，在CATIA中生成整体结构的平面、立面、剖面切片，输出成DWG文件，同时，通过AutoCAD二次开发，结合步骤四的抗震性能优化，批处理所述DWG文件上生成的各平面图，依次输出每个异型筒体以及梁的定位曲线图，并在图纸下衬以与施工模板一致的网格，从而便于施工方制作定位模板。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。

Claims (6)

1.一种仿生建筑结构建模及设计方法，其特征在于包括：

步骤一，对仿生建筑结构进行数学模拟，包括外轮廓和截面的模拟，采用CATIA将仿生建筑外表面曲面经过三次沿曲面内法线方向的偏移，分别得到结构外表面、结构中心面、结构内表面，所述结构外表面用于结构定位施工图绘制，所述结构中心面用于结构计算和分析；

步骤二，确定所需构件尺寸和载荷信息，并将所有构件进行分组，管理构件的分组，利用所需构件尺寸和载荷信息以及生成的网格一起构成有限元计算模型，将所形成的有限元计算模型提供给ANSYS进行静力线性分析和动力弹塑性时程分析；

步骤三，根据仿生建筑的静力线性分析和动力弹塑性时程分析结果，利用面向对象的设计方法，构造参数化的虚拟现实系统；

步骤四，对仿生建筑的抗震性能进行优化设计；

步骤五，根据步骤三和步骤四生成设计图纸，包括根据参数化的虚拟现实系统生成3D模型，在CATIA中生成整体结构的平面、立面、剖面切片，输出成DWG文件，同时，通过AutoCAD二次开发，结合步骤四的抗震性能优化，批处理所述DWG文件上生成的各平面图，依次输出每个异型筒体以及梁的定位曲线图，并在图纸下衬以与施工模板一致的网格，从而便于施工方制作定位模板。

2.根据权利要求1所述的一种仿生建筑结构建模及设计方法，其特征在于：所述偏移不是一次完成，而是根据仿生结构分解的每个异型筒及其连接体的几何特征，沿高度方向和周向先将其切割成易于沿内法线方向偏移的多个曲面部分，再进行向内偏移，多次修剪达到整体的协调一致，最后形成的结构中心面几何模型达到所有曲面连续，满足离散有限元计算的要求。

3.根据权利要求2所述的一种仿生建筑结构建模及设计方法，其特征在于：所述步骤一还包括门窗以及设备开洞对结构分析结果的影响愤怒西，在CATIA几何模型对应位置创建窗口。

4.根据权利要求3所述的一种仿生建筑结构建模及设计方法，其特征在于：所述步骤一还包括网格划分，读取CATIA建立的几何模型，对导入的几何模型进行清理，从而进行公差设置并进行数据格式之间的转化，几何模型进行清理包括利用surface edit创建楼板、异形筒以及异形梁的公共边界，从而所有部件连接作为一个整体结构共同作用，所述网格长细比小于5，扭曲率小于5，单元最小边长大于150mm。

5.根据权利要求1所述的一种仿生建筑结构建模及设计方法，其特征在于：所述步骤三包括：

(1)设置参数化的输入界面，通过HTML页面完成参数的输入和信息的输出，所述参数包括模型的参数以及模型显示的相关属性参数，所述模型的参数包括如异型筒参数(R1，R2，P1，P2，P3)，截面轮廓参数(P4)，旋转角度(a)，檐口外挑长度(long)；所述模型显示的相关属性参数包括模型显示的分割数(surfTab1，surfTab2)，显示的材质颜色和透明度；

(2)设置参数化的模型生成系统，通过VRML脚本编程，结合输入的参数，进行模型三维数据的生成；

(3)设置模型渲染模块，由VRML浏览器插件BS Contact X3d/VRML V7.0显示生成的模型；

(4)设置信息查询模块，通过VRML的感应器，捕捉模型的表面数据，包括坐标，传递给HTML页面显示模型的相关数据。

6.根据权利要求1所述的一种仿生建筑结构建模及设计方法，其特征在于：所述步骤四包括：

(1)对各筒体厚度进行调整，控制结构的扭转变形，由于仿生体分割的异型筒体强度和刚度都很大，在壁上适当设置洞口以调整其刚度，本实施例中，通过加强舞台一侧的筒体厚度至600，减少反向一侧的筒体厚度到220，使结构的第一周期由扭转变为平动，第三周期为扭转，结构的周期比小于0.85；

(2)设置T字剪力墙，增加结构的整体刚度，减少结构的刚度偏心，在T字剪力墙之间增加设置钢桁架，将屋面板壳体的三边支撑改为四边支撑，本实施例中将T字剪力墙设置在顶层多功能厅舞台口前侧两边，大跨度屋面板矢高4m，作为理想的壳体形状，平面最大位移由舞台侧上方中部的70mm减小到50mm并向两侧分散，应力重新合理分布，屋面板周边梁板加强配筋并施加一定的预应力，加强对拱板的约束；

(3)增加楼面层大板结构周边板后，并设置一定刚度的边梁，增加筒体之间的结构连接，并进行结构整体稳定验算，保证结构的稳定和抗倾覆能力；

(4)在各异型筒体内部分层设置环向加劲板，增强异型筒体的局部稳定，保证异型结构在地震作用下能够正常工作，本实施例中环向加劲板宽度为600，厚度为150mm；

(5)采用ANSYS进行常遇地震作用下的反应谱分析和时程分析，参照建立墙结构控制总体变形和层间变形，并对轴压比进行控制；

(6)对筒体底部按中震弹性进行控制，在施工图设计阶段采用ABAQUS程序进行弹塑性分析，验算罕遇地震作用下的变形，进一步确定薄弱部位。