CN111008423A - 一种双曲面幕墙的优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双曲面幕墙的优化设计方法，包括以下步骤：1)获取待优化的双曲面建筑表皮的三维模型；2)根据双曲面建筑表皮的三维模型的曲面形态构建轨迹线和断面线两条相交控制曲线，并根据这两条相交控制曲线建立参数化曲面模型；3)采用优化算法改变轨迹线和断面线的控制点坐标获得多个新曲面，通过计算新曲面与原曲面的偏离值，选出偏离值最小的新曲面作为最优曲面；4)提取原双曲面的边界线，沿最优曲面法向拉回到最优曲面后切割最优曲面，得到优化后的建筑表皮。本发明方法能快速有效的对待优化的双曲面进行优化处理，提高曲面质量，并能采用单曲面或是平面板块拟合双曲面建筑表皮，降低幕墙造价，具有较高的实用价值。

Description

一种双曲面幕墙的优化设计方法

技术领域

本发明涉及建筑幕墙设计技术，尤其涉及一种双曲面幕墙的优化设计方法。

背景技术

随着建筑技术和文化的发展，异形建筑越来越多的出现在人们视野中，异形建筑幕墙也随之大量出现，在建造施工中，建筑幕墙常会被离散成平板、单曲板或是双曲板，再由这些板块拼接拟合而成。相对于平板和单曲板，双曲板具有加工难度大、加工成本高、施工安装难度大等特点，因而在设计中因尽量减少双曲板的出现，但是，建筑师设计的异形建筑表皮往往因其形状复杂或是建模时曲面质量不高而无法杜绝双曲板的存在或是降低双曲板的面积占比率。为了将双曲板简化成单曲板，目前采用的方式多是在幕墙板块分割好后对单块双曲板进行优化处理，但是该处理方式只能在一定精度范围内将双曲板优化成单曲板，优化效果有限，且优化后的单曲板块与原双曲板会存在一定偏差，从而与相邻板块间存在一定程度的缝隙，影响建筑效果。

本发明的双曲面幕墙优化设计方法是在幕墙板块分割前对建筑曲面进行优化处理，提高曲面质量，然后将优化后的曲面直接分割成单曲面板块，从而实现用单曲面板块拟合双曲面建筑表皮的目的，不仅降低了幕墙板块加工难度和幕墙造价，同时也消除了板块间的翘曲缝隙，保证了建筑效果，具有较高的实用价值。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种双曲面幕墙的优化设计方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种双曲面幕墙的优化设计方法，包括以下步骤：

1)获取待优化的双曲面建筑表皮的三维模型；

2)根据双曲面建筑表皮的三维模型的曲面形态构建轨迹线和断面线两条相交控制曲线，并根据这两条相交控制曲线建立参数化曲面模型；

所述轨迹线为引导断面线移动的平面曲线；所述断面线为控制曲面形状的平面曲线。

3)采用优化算法改变轨迹线和断面线的控制点坐标获得多个新曲面，通过计算新曲面与原曲面的偏离值，选出偏离值最小的新曲面作为最优曲面；

4)提取原双曲面的边界线，沿最优曲面法向拉回到最优曲面后切割最优曲面，得到优化后的建筑表皮。

按上述方案，所述轨迹线和断面线的构建方法如下：

提取原双曲面形状变化较大方向的一条边界线得到曲线a，在曲线a的中点处构建一个平面P1,将曲线a投影到平面P1上得到平面曲线b，将曲线b等分n(n>2)段得到n+1个取样点作为控制点，然后根据这n+1个控制点构建一条NURBS曲线作为轨迹线；

在轨迹线中点处构建一个垂直于平面P1的平面P2，平面P2与双曲面相交得到平面曲线c，根据平面曲线c的两端点和预设的半径R构件一条弧线作为断面线。

按上述方案，所述根据这两条相交控制曲线建立参数化曲面模型的过程如下：

先将断面线从轨迹线中点处平移到轨迹线起点处，然后采用参数化建模方法将断面线沿轨迹线扫略得到参数化曲面模型。

按上述方案，所述偏离值的计算方法如下：

在原双曲面上提取n个取样点，计算这n个取样点到新曲面的最近距离，然后计算这n个距离值的平均值作为新曲面与原曲面的偏离值。

本发明产生的有益效果是：

本发明提供的双曲面幕墙优化设计方法，能快速有效的对待优化的双曲面进行优化处理，提高曲面质量，并能采用单曲面或是平面板块拟合双曲面建筑表皮，解决双曲面幕墙的加工和施工难度大的问题，降低幕墙造价，具有较高的实用价值。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的方法流程图；

图2是本发明实施例的优化前双曲面示意图；

图3是本发明实施例的优化前双曲面高斯曲率分析图；

图4是本发明实施例的优化前双曲面板块分割效果图；

图5是本发明实施例的轨迹线和断面线示意图；

图6是本发明实施例的优化后双曲面高斯曲率分析图；

图7是本发明实施例的优化后双曲面板块分割效果图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明方法的流程图如图1所示。

图2为一复杂双曲面，设计为玻璃幕墙，该曲面高斯曲率变化大且呈无规律变化(图3)，将其分割成四边形板块并进行曲面分类后得到图4所示效果，其中双曲面幕墙板块面积占比约为86％。为降低幕墙造价以及降低幕墙板块的加工和安装难度，需对该曲面进行优化处理，以达到能降低双曲面板块占比的目的。下面以该曲面为例，借助Rhino+Grasshopper软件平台说明本发明中双曲面幕墙优化设计方法的具体实现方式。

如图1所示，一种双曲面幕墙的优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一：利用Rhino软件读取建筑师提供的双曲面建筑表皮的三维模型；

步骤二：提取双曲面的上边界线得到曲线a，在曲线a的中点处构建一个XY平面，将曲线投影到该平面上得到平面曲线b，将平面曲线b等分4等分得到5个取样点，然后根据这5个控制点构建一条NURBS曲线作为轨迹线。在轨迹线的中点处构建一个YZ平面，该平面与双曲面相交得到一条平面交线c，根据曲线c的两端点和预设的半径R构建一条弧线作为断面线(图5)。将断面线整体平移使断面线上端点位于轨迹线中点处，然后将轨迹线和断面线双向延长一定的长度(如3m)，最后用扫略成面的方式将断面线沿轨迹线扫略得到新曲面。

步骤三：在原双曲面上提取n个取样点，可利用Grasshopper的随机取样运算器(Populate Geometry)在曲面上取点，本实例中n＝100。计算这100个点到新曲面的最近距离，然后计算这100个距离值的平均值作为新曲面与原曲面的偏离值。

步骤四：以步骤二中轨迹线的5的控制点的X坐标值和断面线的半径R为设计变量，以步骤三中计算得到的偏离值为目标值，利用Grasshopper中Galapagos优化运算器的遗传算法开展自动优化计算，选出偏离值最小的新曲面作为最优曲面。

步骤五：提取原双曲面的边界线，沿最优曲面法向拉回到最优曲面后切割最优曲面，得到优化后的建筑表皮。对优化后的建筑表皮进行曲率分析得到图6，从图中可以看出曲面曲曲率均匀变化。

步骤六：提取步骤四中得到的最优曲面的上部边界线，将该边界线等分为47份，得到48个点，然后提取最优曲面在这48个点处的48条竖向结构线，将这48条曲线中的相邻曲线进行两两组合并用放样命令得到47个单曲面，然后将每个单曲面均分为13个单曲板共得到611个单曲板，用原双曲面的边界线切割相应的单曲板并去掉多余板块，同时将边界处较小板块与相邻板进行和并处理后可得最终的单曲幕墙板块，如图7所示。

对比图6和图3，可知优化后的曲面质量得到了很大提高；对比图7和图4，可知双曲面板块占比得到了大大降低，其中优化后的曲面能全离散成单曲面。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (4)

1.一种双曲面幕墙的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)获取待优化的双曲面建筑表皮的三维模型；

2)根据双曲面建筑表皮的三维模型的曲面形态构建轨迹线和断面线两条相交控制曲线，并根据这两条相交控制曲线建立参数化曲面模型；

所述轨迹线为引导断面线移动的平面曲线；所述断面线为控制曲面形状的平面曲线。

3)采用优化算法改变轨迹线和断面线的控制点坐标获得多个新曲面，通过计算新曲面与原曲面的偏离值，选出偏离值最小的新曲面作为最优曲面；

4)提取原双曲面的边界线，沿最优曲面法向拉回到最优曲面后切割最优曲面，得到优化后的建筑表皮。

2.根据权利要求1所述的双曲面幕墙的优化设计方法，其特征在于，所述轨迹线和断面线的构建方法如下：

提取原双曲面形状变化较大方向的一条边界线得到曲线a，在曲线a的中点处构建一个平面P1,将曲线a投影到平面P1上得到平面曲线b，将曲线b等分n段得到n+1个取样点作为控制点，然后根据这n+1个控制点构建一条NURBS曲线作为轨迹线；其中，n>2；

在轨迹线中点处构建一个垂直于平面P1的平面P2，平面P2与双曲面相交得到平面曲线c，根据平面曲线c的两端点和预设的半径R构件一条弧线作为断面线。

3.根据权利要求1所述的双曲面幕墙的优化设计方法，其特征在于，所述根据这两条相交控制曲线建立参数化曲面模型的过程如下：

先将断面线从轨迹线中点处平移到轨迹线起点处，然后采用参数化建模方法将断面线沿轨迹线扫略得到参数化曲面模型。

4.根据权利要求1所述的双曲面幕墙的优化设计方法，其特征在于，所述偏离值的计算方法如下：

在原双曲面上提取n个取样点，计算这n个取样点到新曲面的最近距离，然后计算这n个距离值的平均值作为新曲面与原曲面的偏离值。

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