CN111353188A - 人造岩石结构设计和制造的自动化系统 - Google Patents

Abstract

一种用于人造岩石结构的支撑框架的自动化设计的系统。系统包括处理器和存储器，该存储器存储岩石结构的外表面的三维(3D)网格。该系统包括偏移模块，该偏移模块是由处理器执行以处理3D网格并生成偏移网格的代码/指令或软件，该偏移网格限定了外表面在距该3D网格偏移距离处的3D拓扑。系统还包括切片限定模块，该切片限定模块包括由处理器执行以将偏移网格划分为多个子部分的软件。该系统还包括钢筋线限定模块，该模块具有由处理器执行以为每个子部分生成钢筋件的装配的软件，该钢筋件的装配为每个钢筋件限定长度、在子部分内的位置以及一组间隔开的弯曲。

Description

人造岩石结构设计和制造的自动化系统

技术领域

一般而言，本说明书涉及在内部框架或保持架(cage)上建造或支撑的结构的设计和制造，诸如通过在金属杆(rod)框架或保持架上涂石膏而形成的并用于主题公园或游乐园、购物中心、步行街、城市公园等处的景观的人造岩石(rockwork)结构。更具体地，本说明书针对一种新方法及相应的系统，其用于使底层支撑框架的设计和制造自动化，该底层支撑框架由单独被弯曲的金属杆(本文中可互换地称为“钢筋”，意指任何金属或金属合金以及任何直径的任何杆或管)形成，以及用于然后通过施加石膏和/或其他材料以形成外层(outer)或外壳层(encasing layer)或壳体(shell)来完成岩石或类似结构。

背景技术

人造结构具有多种用途，以创建或增强室内，或者更常见的是室外空间，以创建期望的外观和感觉。例如，许多办公楼、住宅区和购物中心的公共空间的设计师将包括较大的岩石部分。可以使用人造或人工结构来实现岩石部分，所述人造结构或人造结构是用施加在金属杆框架或支撑结构或保持架(或“钢筋结构”)上的石膏或其他(一种或多种)材料制成的。在另一个示例中，主题公园和游乐园通常每个都将包含大量的岩石结构，以创建室外或其他背景和模拟土地。一个行业估计是，一个主题公园经营者每年建造超过十万平方英尺的岩石结构。

目前，设计和制造岩石结构是耗时且昂贵的处理。岩石是定制设计的，需要创建钢筋结构进行施工。在当前的设计和制造流程中，每个岩石结构均始于泡沫造型或数字创建的三维(3D)模型的形成。在其他情况下，需要翻新现有的岩石，并且流程(pipeline)包括扫描现有的岩石。如果模型是泡沫模型、造型或待翻新的现有岩石，则可以经由3D扫描将其作为数字网格(mesh)导入到3D建模环境中。接下来，将导入的3D模型“切片”或分割为片。然后对每个切片施加或为每个切片施加创建数字钢筋结构。然后，数字钢筋结构或模型被手动弯曲，或者通过能够读取数字化生产设计文件(即数字钢筋结构/模型)(或将其作为输入)的弯曲机进行弯曲。

但是，在这两种情况下，目前都没有办法从岩石结构的造型或3D数字模型中自动生成钢筋结构。结果，必须手动确定每个单独的钢筋件或金属杆的弯曲轮廓，这非常费力且昂贵。因此，仍然需要一种新的自动化设计和制造流程或方法，用于在金属杆支撑框架或保持架上建造的岩石和类似人造结构。优选地，新的流程将被配置为显著减少用于底层任务(包括如何创建钢筋结构模型)的成本和劳力。此外，期望以比典型地使用手动设计技术所实现的精度更高的精度来执行新的流程。

发明内容

考虑到上述问题，发明人创建了一种结构设计和制造系统，该系统利用经过特殊调整的软件模块或软件应用程序(例如，由一个或多个处理器执行的代码或程序来提供底层功能)，以使大部分设计并生成数字文件的处理自动化，该文件限定了用于创建钢筋支撑结构以构建新结构或翻新现有结构的支撑框架/保持架或钢筋结构。岩石结构是这种结构的一个有用示例，并且在本文中经常被用来描述根据本说明书被设计然后被制造的结构。

自动化设计和制造的解决方案的一部分是创建在软件模块/应用程序中实现的定制算法，这些软件模块/应用程序可为任何输入结构自动生成数字钢筋结构或模型，诸如为正在建造或已经存在并且全部或部分正在翻新的主题公园或其他布置的定制设计的岩石块。然后，将这些数字钢筋结构或模型(或支撑框架/保持架的模型)转换为数据文件，并加载到钢筋弯曲机(或弯杆机)中，以用于框架/保持架的弯曲的杆或钢筋的各个零件的自动创建，所述零件然后可以在之后的制造步骤中以相对简单的方式进行装配。为此，新系统连同数据文件一起，包括软件模块，这些软件模块生成装配图，以向建筑工人示出如何将从弯曲机输出的弯曲的杆或钢筋拼接在一起或装配成岩石结构的支撑框架/保持架。新系统提供的设计和制造流程或方法可能会使岩石的设计更加容易且具有较高的准确性。系统的软件中还有大组的变量，可以对这些变量进行操纵来允许用户调整任何结构所需的细节量。

过去，设计处理包括许多手动步骤，无法为整个处理提供自动化。例如，一个先前的处理是通过让建筑工人使用卡尺来手动弯曲钢筋，并“最佳猜测”如何将岩石从泡沫造型按比例放大到钢筋支撑框架或保持架中。这种方法通常会损失大量的准确性，并且效率很低，并且依赖于每个工人的技能和经验来获得良好的结果。相比之下，发明人的系统(及其底层方法)提供了一种自动的处理，该处理可以根据期望的岩石结构的输入数字网格设计，来创建由弯曲的杆或钢筋构成的支撑框架或保持架。

新的设计和制造系统具有诸多优点。首先，其有可能节省百分之七十五的钢筋创建处理的总成本，因为由于该处理大部分是自动化的，因此工作通常不必由设施操作员外包。由于软件模块的算法是完全自动化的，一旦将造型转换为3D资产或文件，系统几乎可以立即将其与钢筋结构关联。这意味着不再需要等待承包商完成其设计，这也可以节省时间。另一个优点在于，该算法将通过确定在支撑框架/保持架的切片/子部分的某段或部分中是否不需要弯曲的钢筋件/杆来节省资金。另外，可以调整系统的算法以适合用户的需求。例如，如果结构将从更高的稳定性中受益，则用户可以控制影响稳定性的参数/变量。另一个可以调整的参数/变量是岩石结构对输入数据的准确性(或保真度)。这将有助于确保输出质量达到为给定应用设置的标准。

更具体地，提供了一种用于人造岩石结构的支撑框架的自动化设计的系统。该系统包括(一个或多个)处理器和存储器(即，任何本地或远程数据存储设备)，该存储器存储岩石结构的外表面的三维(3D)网格。该系统包括偏移模块，该偏移模块是由处理器执行以处理3D网格并生成偏移网格的代码/指令或软件，该偏移网格限定了外表面在距3D网格的偏移距离处的3D拓扑。该系统还包括切片限定模块，该切片限定模块包括由处理器执行以将偏移网格划分为多个子部分的软件。该系统还包括钢筋线限定模块，该模块具有由处理器执行以为每个子部分生成钢筋件的装配的软件，该装配限定了每个钢筋件的长度、在子部分内的位置、以及一组间隔开的弯曲。

在一些实施例中，偏移模块的软件包括移动立方体(Marching Cubes)算法，其被配置为在生成偏移网格时识别并填充3D网格中的孔。在这种情况下，偏移距离是基于用户输入的距离值(例如，在将石膏施加到支撑框架或保持架上的许多应用中，在2到6英寸范围内的值)限定的。每个子部分具有受最大长度和最大宽度限制的表面积，该最大长度和最大宽度可根据用户输入进行调整(诸如4到7英尺，以及在一个示例性系统中使用6英尺)。在一些有用的实施例中，切片限定模块包括自动合并功能，当确定子部分之一的表面积小于预定的最小表面积时并且当新的子部分的外部尺寸小于预定的最大外部尺寸时，该自动合并功能将相邻对的子部分合并为新的子部分。在相同或其他情况下，切片限定模块可以支持系统用户/操作员手动合并和/或分割子部分。

钢筋线限定模块可以配置为使用原始点算法、公共点算法/以及拉默-道格拉斯-普克(Ramer-Douglas-Peucker，RDP)算法中的至少一种，来处理偏移网格的每个子部分，以生成钢筋件的装配。钢筋线限定模块可以首先使用公共点算法，然后对段的子集使用RDP算法以插入其他细节，来处理偏移网格的每个子部分。钢筋线限定模块可以为每个弯曲限定弯曲角度，并且将弯曲中的相邻弯曲至少间隔开至少两英寸的预定弯曲间隔。

该系统可以进一步包括由处理器运行的图纸生成器，以生成装配图，该装配图将钢筋件的位置映射到每个子部分中，并且将子部分的装配限定在一起，以形成用于岩石结构的支撑框架(在其上涂石膏或者可以施加其他材料以形成外层或壳体)。另外，该系统可以包括由处理器运行的模块，该模块从用于外表面的点云文件，或从模型(例如，泡沫模型)的扫描，或从待翻新的现有结构的扫描，生成该3D网格。更进一步，在系统中通常期望钢筋线限定模块包括一种算法，该算法处理钢筋件的装配，以基于相交距离来识别并删除冗余的Z形条。

附图说明

图1是本说明书的岩石结构设计和制造系统的功能框图，该系统适用于自动设计由弯曲的金属杆或钢筋件制成的支撑框架或保持架，并且更有效地制造这种弯曲的杆或钢筋件以及相应的支撑框架或保持架；

图2是用于岩石结构的设计和制造处理的工作流程图或流程图示，可以使用图1的系统来执行；

图3是图2的钢筋设计软件包或套件的详细视图，示出了由其每个算法(或实现这些算法中的一个或多个的软件例程或模块)执行的功能或方法；

图4示出了限定岩石结构的3D模型的区域(或部分、子部分等)的步骤，以用于使切片生成更加有效；

图5以图形方式示出了从网格或3D模型区域生成一组切片的步骤；

图6是一组钢筋件及其装配形成单个切片的支撑框架或保持架的透视图；以及

图7A-7E分别示出了由本说明书的四种不同算法产生的切片网格和钢筋线限定。

具体实施方式

简言之，描述了一种新的设计和制造系统，该系统适于利用算法来实现软件模块，该算法可以自动、简化并加快创建限定要由钢筋或金属杆的弯曲件形成的支撑框架或保持架的模型或数字文件的处理。通过以下方式来制造支撑框架：使用钢筋弯曲机，该钢筋弯曲机会根据创建的模型弯曲每个钢筋件，然后使用装配文件允许工人将钢筋件装配成切片或子部分(例如，通过使用焊接或其他技术来将多个钢筋件绑在一起)。然后将切片/子部分耦合在一起，以形成最终的支撑框架/保持架，并且将石膏或其他(一种或多种)饰面材料的壳体或外层施加在框架/保持架上，以形成岩石结构(或其他类似形式的结构)。

以下描述从设计和制造处理的概述开始，并且此概述之后是对示例性设计和制造系统及其组件以及用新系统及其提供的流程执行的制造处理的详细讨论。流程的第一步是将期望的岩石结构的输入模型的拓扑数字地偏移到钢筋框架/保持架(或其零件)在岩石结构的构造期间将被放置的位置。偏移或偏移深度通常在1到6英寸的范围内，但是可以更改拓扑偏移以适合用于形成岩石结构的特定外层/壳体(或其材料)。拓扑偏移允许偏移表面与后来形成的钢筋支撑框架/保持架处于相同的结构水平。可以用许多不同类型的偏移方法来执行此步骤。一种有用的方法是移动立方体(Marching Cubes)算法的定制开发的变体，发明人在考虑到岩石结构的情况下专门开发了该算法。

下一步涉及识别切片位置，包括大小和形状、以及在框架/保持架外表面或形貌(topography)上限定的外边界。此步骤可以从将包含新岩石结构的吸引(attraction)/空间的节点位置的3D点云中完成。还可以通过使用用户指定的立方体大小并分割外表面/形貌的几何形状，来自动确定切片位置。一旦创建了切片或子部分，将每个“切片网格”转换为钢筋/杆线，所述钢筋/杆线是被自动生成的。

在数字表面上创建的线是连续的。发明人认识到，尽管钢筋弯曲机通常可以弯曲连续的曲线，但是在每个钢筋件或每个金属杆上限定离散的弯曲通常将更为有利。为了从连续的线或弯曲过渡到离散的弯曲，开发了定制算法(诸如下面讨论的“公共点”算法)，以及发明人利用的其他算法，诸如“拉默-道格拉斯-普克”算法。这些算法有助于系统创建离散的钢筋线，以进一步限定切片或切片模型。利用其他定制算法(诸如“Smart-Z”算法)来允许系统确定是否存在冗余的、并因此不需要的且可以将其从切片限定中移除的钢筋件/金属杆。这有助于节省钢筋的材料成本以及不必要的钢筋的建筑劳力。

在将所有切片转换为钢筋结构(或进一步限定为钢筋件或金属杆(或杆长)的装配)之后，该处理的下一步涉及在逐个切片的基础上自动生成用于钢筋结构或支撑框架/保持架的装配图。这些装配图为建筑工人限定了如何将每个切片装配在一起(例如，每个特定的弯曲钢筋件所属的位置，以及它们如何在切片内互连(诸如通过相交处的焊接等))。连同装配图一起，将生成钢筋弯曲机的数据文件。这些文件可以导入到2D钢筋弯曲机中。

一旦构造完所有钢筋切片或子部分后，工人们可以通过参考全局装配图将切片/子部分拼接在一起，该全局装配图限定了每个切片的放置位置以及如何定向以形成岩石结构的支撑框架/保持架。在构造了框架之后，该处理继续在钢筋支撑框架/保持架的外表面上施加一层或多层石膏，以形成外层/壳体(即，外层)并完成岩石结构(可以理解的是，可以在外层/壳体上施加诸如纹理、涂料等的附加涂层，以实现岩石结构的期望外观)。

图1以功能框图示出了特别适于执行岩石结构设计和制造处理的上述步骤或功能的设计和制造系统100。如图所示，包括设计系统110，该设计系统110可以由一个或多个单独工作或联网在一起以进行有线和/或无线通信的计算设备提供。系统100包括一个或多个处理器112，该处理器112在本地或远程存储器/数据存储器120中执行代码或指令以提供支撑框架设计软件包140的功能。处理器112还运行操作系统(未示出)并管理输入/输出(I/O)设备114以及从存储器或数据存储120中存储和检索数字数据。I/O设备114可以包括键盘、鼠标、语音识别软件/设备、触摸屏、(多个)监视器和/或可用于允许系统110的用户查看、输入和操纵由软件包140处理和生成的数据(包括输入和更改用户定义的设计参数124)的其他设备。

如图所示，存储器120用于存储岩石结构的3D模型122(旨在包括具有基于钢筋的支撑框架/保持架的任何结构)。3D模型122可以采用多种形式来实践系统100，并且通常是根据设计中的结构的泡沫模型的3D扫描或根据3D数字造型创建的，并且3D模型122可以配置为限定目标岩石结构的3D外表面的网格或点云。提供岩石结构122作为设计软件包140的输入数据。存储器120还存储一组供软件包140使用的用户定义的设计参数124，所述软件包140允许用户使用默认变量/参数值或通过设置这些值的全部或子集(诸如拓扑偏移算法142使用的偏移深度)来调整软件包140的性能。

设计软件包140包括拓扑偏移算法142，其以数字方式使岩石结构的3D模型122的拓扑偏移了参数124中设置的偏移值(诸如1至6英寸)，并且由算法142生成并为钢筋支撑框架/保持架提供3D表面图的偏移拓扑130被处理器112存储在存储器120中。设计软件包140还包括切片限定模块144，该切片限定模块144用于处理偏移拓扑130以将3D表面划分为多个更小且更容易制造的切片或部分。如存储器120中的126所示，为这些切片/子部分中的每个生成文件，并且文件126包括每个切片的位置127以及限定切片大小、形状的边界128，以及在偏移拓扑130上相对于其他切片的取向。

设计软件包140还包括钢筋线(或钢筋件)限定模块146，该模块限定每个切片中每个钢筋件的数量和位置，如存储器130中的132所示。钢筋限定132还包括沿着每个切片126中每个钢筋件的长度的每个弯曲的限定。设计软件包140还包括钢筋冗余模块146，该模块处理每个切片126的每个钢筋限定132，以通过识别结构上冗余的任何钢筋件来确定是否可以减少钢筋件的原始数量(因此，允许将其从钢筋限定132中移除)。设计软件包140包括图纸生成器148，其用于为目标岩石结构创建支撑框架/保持架的总装配图134，其示出了每个切片/子部分的位置以及应如何装配它们。图纸生成器148还被配置为为每个切片126生成装配图136，其示出了如何装配每个切片，包括每个弯曲杆/钢筋件的位置和取向，以及在哪将这些进行互连(例如，焊接位置)以制造切片。

设计系统110的输出包括文件150，该文件150为所有切片限定了钢筋件，包括它们的长度和要在每个零件中形成的离散的弯曲。提供该文件150作为钢筋弯曲机(或弯杆机)的输入或由其读取，并且钢筋弯曲机通过在沿着输入钢筋件/金属杆(例如，不锈钢(SS)或其他外径在0.125到0.5英寸等范围内的金属杆)的长度的适当位置处并且以适当取向而形成所限定的弯曲，来自动形成目标岩石结构的支撑框架/保持架的切片所需的每一个钢筋件。从弯曲机输出的弯曲的钢筋/金属杆170基于切片装配图136被标注/标记，以利于以后的装配在一起来形成所制造的岩石结构的支撑框架/保持架的每个切片/子部分。

图2是可通过操作图1的系统100进行的岩石结构设计和制造处理200的工作流程图或流程图示。如图所示，流程/处理200包括生成3D资产文件220，其可以是限定目标岩石结构的外表面的网格或点云，并且其可以根据以下来创建：通过对泡沫模型的3D扫描210、或是对现有结构(例如，当现有结构的一个或多个部分被替换/重建作为翻新工作的一部分时)的现场扫描212而生成的文件，或目标岩石结构(其可以是正在翻新的现有岩石结构或新构造)的数字模型或造型214。

将3D资产文件220作为输入提供给支撑框架设计软件包230(在某些情况下，其可以采取在图1的系统110中运行的软件140的形式)。软件包230的组件(软件模块和/或由软件例程执行的算法)在下面详细讨论。简言之，软件包230处理3D资产文件220并生成文件232，该文件232为钢筋弯曲机以每个钢筋件/金属杆的长度和弯曲来限定每个钢筋件/金属杆。文件232可以是标准的计算机辅助设计(CAD)文件(诸如由AutoCAD等输出的DXF文件)或被选择用于使钢筋件/金属杆的弯曲自动化的机器可接受的其他格式。软件包230还生成并输出装配图236，该装配图236由建筑工人在首先装配每个切片/子部分并且然后将切片/子部分装配在一起以形成支撑框架/保持架时使用。

在流程200的240处，通过钢筋弯曲机运行钢筋限定文件232，以制造具有离散的弯曲的钢筋件或金属杆的所有单个零件。在流程200中的250处，基于装配图236将每个输出钢筋用ID进行标记。然后在步骤260处，工人使用装配图236从来自步骤240和250的钢筋来装配支撑框架的切片。在270处，使用来自步骤260的切片和装配图236来装配岩石的支撑框架/保持架。最后，在流程200的步骤290处，诸如通过将石膏施加到支撑框架以提供外部层/壳体来完成岩石结构，并且可选地，进一步对其外表面进行纹理化或涂层(例如，涂漆)以获得期望的外观。

图3是图2的钢筋设计软件包或套件230的详细视图，示出了由其算法中的每一个算法(或实现如对于图1中的设计软件包140中所示的那些算法中的一个或多个算法的软件例程或模块)执行的功能或方法。这些功能或方法中的每一个将在下面更详细地描述。但简言之，软件包/套件230将图2中所示的3D资产文件220作为输入311。这由第一模块/软件例程在310处处理以生成在313处输出的清洁网格。第二模块/软件例程在330处处理清洁网格以提供在335输出的偏移网格。第三模块/软件例程将其作为输入，并在350处限定偏移网格(和清洁网格)的一组区域以用于进一步处理。

第四模块或子例程将限定的区域与偏移网格一起作为输入355，以在370处生成偏移网格的多个切片或子部分。切片限定在375处被输出到第五模块或子例程，该模块或子例程在380处处理切片限定，以为每个切片生成一组要被用于制造该切片的钢筋件/金属杆，包括每个钢筋件/金属杆的离散的弯曲位置和限定。然后，该数据文件在385被输出，以供第六个模块或子例程在390处生成弯曲机的输入文件以及支撑框架(如何装配各切片)和每个切片(包含那些钢筋件以及如何将这些钢筋件装配在一起以形成切片)的装配图。这些在395处被输出以用于操作钢筋弯曲机，并且由工人在使用钢筋弯曲机的输出来装配切片和支撑框架中使用。

图3所示的步骤/功能310可以包括首先取决于311处的输入文件的格式执行点云到网格的转换。点云是(诸如来自对岩石结构的模型或现有的岩石结构的3D扫描)。当执行转换时，可以使用例如市场上可买到的采样工具或开源系统(诸如作为MeshLab的一部分可用的泊松采样工具等)来完成转换。还可以在步骤310中执行均匀网格重采样，随后诸如用自动化的“修复网格”工具，例如可从Robert McNeel&Associates获得的犀牛软件(Rhinoceros)(通常称为“Rhino”)或其他软件工具开发器(诸如DesignX及其“全局重新网格化”工具/例程)，来清洁(clean)和/或修复所得的网格。

步骤/功能330将在步骤/功能310中生成的网格作为输入，并对网格进行修改以将其放置在距岩石结构的表面水平的偏移距离处，从而使其处于为了形成支撑框架/保持架而钢筋件/金属杆要被构造的水平处。如前所述，用户可以将偏移距离设置为用户定义的参数/变量之一，并且偏移距离通常被选在1到6英寸的范围内(或在石膏或其他材料的外层/壳体的期望的/计划的厚度处)。此例程或模块可以使用几种算法来生成偏移网格。一个示例是Rhino偏移，它提供了一种快速且相对容易的解决方案，并提供了可配置的偏移距离。不过，在某些情况下，这可能会导致自相交(self-intersection)，此外对于偏移处理而言，从步骤310对网格进行额外的清理可能很有用。

考虑到这一点，设计软件套件的一个优选实施例使用了移动立方体算法的改进版本。该版本被“改进”至少是因为其配置为通过在激光扫描无法填充到的地方填充小孔，来自动地清洁网格。这非常有用，因为在提供非常清洁的网格时，移动立方体算法是最有效的。偏移是用距离偏移而不是体积偏移来实现的，并且网格绝不会自相交。用户用移动立方体算法可配置偏移距离和其他详细信息。

用带有孔填充的改进的移动立方体算法，可以使用带符号的距离场。带符号的距离场测量距3D矩阵空间中每个点的距离，并为其分配距离。该距离是通过查找网格上距场中的每个点的最近点来确定的。显然，改进的算法确定该“最接近的点”是否位于网格的“裸边缘(naked edge)”上。如果网格的裸边缘具有小于一定数量的段(segment)或者其小于一定距离，则该算法允许在带符号的距离场中对带符号的距离值计数。如果不满足这些要求，则将其忽略，并且在合适的情况下，该算法将露出孔或网格的边缘。在该算法的原型中，成功填充了网格中的孔，并且该算法暴露了“非水密的”网格周围的边缘。

图3的步骤/功能350涉及限定输入3D模型/资产或偏移网格的区域，以利于包括生成切片/子部分的后续处理步骤。图4示出了已经被处理来限定一组区域402、404、406，408和410的岩石结构400的3D模型(或者，在某些情况下是从步骤330输出的偏移和清洁网格)，这些区域将整体结构400划分为局部网格。当在步骤/功能370中执行切片(或切片限定)时，区域402、404、406，408和410比整个结构400更易于在处理中进行管理。在一些实施例中，区域可以由用户手动限定，诸如用以实现创意意图(相似的纹理、颜色或观察者并发视图)和/或适合构造目的。在其他实施例中，区域402-410是通过区域限定算法自动限定的。

图3的步骤/功能370涉及为步骤350中创建的每个区域生成或限定切片或子部分。图5示出了已经(或正被)分成多个切片/子部分560-576的偏移网格(3D模型/资产的外表面)的区域550，这些切片/子部分的每个都限定了该区域的3D表面的一部分，其中一组钢筋件/金属杆或钢筋件/金属杆的装配将用于该切片/子部分的制造。在一些实施例中，切片限定模块(或其底层算法)被设计为使得水平高度是可配置的或用户可定义的。此外，对于用户来说，能够限定切片的规格或尺寸(例如，限定切片的长度和宽度)通常会很有用，其中默认值有时从6英尺乘以6英尺(最大值)开始，因为大于此值的大小对于工人在装配所有切片/子部分时，在钢筋支撑框架或保持架的制造过程中难以操作)。

切片限定模块可以包括子例程，该子例程允许用户将两个或更多个切片自动合并为单个切片，或者将切片分割为两个或更多个切片(例如，以包括合并切片功能和分割切片功能)。通常，每个区域中包含的切片越少，则越能改善支撑框架的生产效率和精度。在其他情况下，软件工具的用户还可以通过将3D表面的某些部分保持在一起或分割3D表面的某些部分，来手动合并和分割切片，以获得期望的外观和感觉(诸如通过纹理化类型、颜色涂绘、观察者一起查看的部分等)。

在某些情况下，用户将为每个切片设置最小表面积，并且软件将基于此最小设置自动合并太小的切片。在其他情况下，自动识别出相邻切片的总和不超过最大长度和宽度，然后用户/操作员可以选择合并相邻切片(例如，软件包括“自动合并”设置)。该软件/模块还可以包括自动的切片排序例程和命名，例如以从起点(例如Chip1，Chip2等)线性地遍历切片，以利于之后的标记和装配(根据设计软件包输出的装配图)。在一些实施例中，软件包还适于允许用户向上或向下改变切片水平。

图3所示的步骤/功能380涉及钢筋线限定模块，该模块处理在步骤/功能370中限定的每个切片，以为每个切片生成一组钢筋件/杆段(rod segment)。该模块可以允许用户选择相邻对的钢筋件之间的默认距离(例如，在2到8英寸的范围内等)。该模块通常还将钢筋弯曲机的约束作为其算法中的参数/变量，包括沿钢筋长度的弯曲之间的最小距离和弯曲机的最大弯曲角度。

图6示出了用于步骤370中的示例性切片的钢筋支撑框架600。可以看出，框架600包括多个竖直零件610、多个水平零件620、以及多个Z形条，并且框架600在组件610、620和630的重叠对之间限定交点640，其限定了这些组件的连接位置(例如，焊接点或其他耦合处理)，该框架在所述连接位置处获得其强度的大部分。钢筋线限定模块可以适于向用户提供可配置的比率(软件的另一个输入参数/变量)以确定是否需要Z形条/Z形件，并且该比率可以由相交点之间的距离限定。

在一些实施例中，运行钢筋冗余模块(诸如模块147)，该钢筋冗余模块可以被认为是(或包括)“智能Z(Smart Z)”算法，该算法确定Z形条在哪里是有益的以及它们将在哪里成为障碍。该确定是基于与其他相交条(例如，切片的支撑框架/保持架中的水平和垂直钢筋件)的距离计算得出的。智能Z算法可通过实际尽可能少的Z形条来帮助保持结构尽可能轻巧和坚固，同时仍保持结构完整性或期望的强度。钢筋线限定模块可适于创建夹具的外观以利于制造。此外，该模块可以包括钢筋优化例程，该例程移除被识别为冗余的任何钢筋件，从而减少了制造钢筋件的时间，降低了材料成本，并减少了装配时间。

钢筋线限定模块可以利用各种算法(单独或组合)来限定用于切片支撑框架/保持架的钢筋件或杆。可以选择或修改每种算法，以在每个钢筋件上提供离散的弯曲。例如，可以用一种或多种钢筋弯曲算法来处理切片或子部分的输入网格，这些算法包括但不限于：原始点算法、公共点算法、拉默-道格拉斯-普克(RDP)算法，或两种或多种的组合(例如，使用定制算法的钢筋线限定算法，该算法对切片的输入网格执行公共点方法，然后执行RDP方法)。

图7A示出了可以对于支撑框架的特定切片或子部分限定的网格710。图7B示出了用原始点算法处理该网格710以生成一组钢筋件720的结果。该算法通过简单的计算提供了极其精确的钢筋件的装配或集合720，并且还为所有其他方法提供了非常准确的指导。然而，在许多应用中，原始点方法可能会在钢筋件中提供过多的弯曲，这会使弯曲机的制造复杂化，并可能在提供网格时损害支撑结构的准确性。

图7C示出了用公共点算法处理该网格710以生成一组钢筋件730的结果。该算法提供了其中所有相交都匹配(与RDP点算法相反)的钢筋件730的装配或集合，并且与原始点算法相比，公共点算法减少了形成切片的支撑框架/保持架所需的弯曲数。然而，公共点算法可能会丢失公共点之间的细节，并且可能无法由用户配置。

图7D示出了用RDP点算法处理网格710生成一组钢筋件740以形成切片支撑结构/保持架的结果。与原始点方法相比，RDP点算法极大地减少了框架/保持架中所需的弯曲数，并且用户可以对其进行配置以适合特定的应用。然而，这可能会导致精度降低，并且折线之间的交点(或公共点)可能略偏离开两个钢筋件之间。

发明人认识到，可能期望提供比当单独使用时使用这三种算法中的任何一种所获得的更好的结果，并且发明人确定创建组合了这些算法中的两种的新的钢筋线限定算法可能是有用的。特别地，图7E示出了用新算法处理网格710的结果，该新算法是公共点与RDP的组合以生成一组可用于形成切片支撑结构/保持架的钢筋件850。新算法涉及公共点处理，然后对结果的小的段(segment)进行RPD处理以增加相交之间的细节。与原始点方法相比，新算法可确保所有相交点都匹配，同时减少了弯曲数。此外，使用RDP处理还可以恢复由于公共点处理而丢失的细节，并且该算法也可以由用户配置。

图3所示的步骤/功能390包括图纸生成器，其自动创建每个切片的支撑框架/保持架的布局和装配图，指示要包括的钢筋件及其ID、切片在支撑框架/保持架中内的取向、以及连接点/相交点与其他零件(以及与相邻切片的框架/保持架的边缘连接)。在某些情况下，用户可能有机会在许多视图中进行选择，诸如左上等轴测图、顶视图、右上等轴测图、左下等轴测图、前视图和右下角等轴测图。图纸生成器可以将标准格式(例如DXF)的装配图导出到文件夹结构中，以供以后使用。图纸生成器为每个区域创建全局装配文件。

尽管已经以某种程度的特定性描述和说明了本发明，但是应该理解，本公开仅是通过示例的方式进行的，并且本领域技术人员可以对这些部件的组合和布置进行多种改变，而不脱离本发明的精神和范围，如此后权利要求中所述。

例如，以上描述指出，用户可能能够配置或设置多个参数或变量值以配置支撑框架设计软件包及其结果。例如，可以允许用户设置偏移距离，即偏移网格将从表面网格偏移的距离量。用户有时可以设置偏移附加边缘切割因子，该因子是在偏移网格时将从边缘切割的距离量。如果将此值设置得太高，则偏移网格的所有边缘都会明显退回。然而，典型的经验法则是使该距离至少为偏移距离的一半，以确保偏移网格在两侧都不连续。另一个用户可选参数是偏移分辨率，其为在使用移动立方体算法时的每个体素的分辨率距离。该值越小，分辨率越高，计算时间越长。该值越大，分辨率越低。

其他可配置参数包括：切片高度(其设置期望的切片高度)；切片长度(其设置期望的切片长度，该值也可用于切片宽度)；最小切片表面积(其设置尝试执行自动合并之前切片的最小表面积)；最大附加切片长度(其设置与另一个切片自动合并时到一个切片的最大附加长度距离)；最大附加切片高度(其设置与另一个切片自动合并时与一个切片的最大附加高度距离)；以及网格绑扎位置容差(该容差是绑扎位置可以作为切片的一部分的容差，并且如果绑扎位置距离切片的距离小于此距离，则该切片将其称之为其绑扎位置之一)。

在对于切片支撑框架/保持架生成钢筋线限定时，用户可以设置以下参数：钢筋之间的长度(其为切片上同一轴的钢筋之间的长度(例如，水平条将具有6英寸间隔等))；使用智能Z检测(将对于Z形条(如果需要)运行智能节点检测或不运行)；智能Z形条距离(其为当确定Z形条是否必要时Z节点可以距另一个节点的最长距离的值(例如，钢筋件之间的长度的一半))；最小钢筋长度(其为任何钢筋可以达到的最小长度，并且生成的短于该长度的钢筋将从切片的框架/保持架中删除)；Z形条比率(其为确定切片是否需要Z形条的长度与长度之比)；弯曲之间的最大长度(其为钢筋件上任意两个弯曲之间的最大允许长度，诸如对于某些弯曲机为2英寸)；最大弯曲角度(其为弯曲在钢筋剪上可以达到的最大角度，诸如对于某些弯曲机为120度)；RDP容差(其为RDP算法中使用的极小值(epsilon)容差，其中更小的长度提供更高的分辨率)；创建原始折线设置(这将使软件创建原始折线而不是RDP折线)；钢筋的标签(tab)长度(其为“标签”的长度，该“标签”将被添加到每个用于装配的钢筋件的结尾)；以及钢筋约束检查器的最大迭代次数(其为约束检查器将尝试编辑折线以满足所有约束的最大次数)。

Claims (20)

1.一种用于人造岩石结构的支撑框架的自动化设计的系统，包括：

处理器；

存储器，存储岩石结构的外表面的三维(3D)网格；

偏移模块，包括由所述处理器执行以处理3D网格并生成偏移网格的软件，所述偏移网格限定所述外表面在距所述3D网格偏移距离处的3D拓扑；

切片限定模块，包括由所述处理器执行以将所述偏移网格划分为多个子部分的软件；以及

钢筋线限定模块，包括由所述处理器执行以为每个子部分生成钢筋件的装配的软件，所述钢筋件的装配为每个钢筋件限定长度、在子部分内的位置、以及一组间隔开的弯曲。

2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述偏移模块的软件包括移动立方体算法，所述移动立方体算法被配置为在生成所述偏移网格时识别并填充所述3D网格中的孔。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述偏移距离基于用户输入距离值而限定。

4.根据权利要求1所述的系统，其中，每个子部分具有受最大长度和最大宽度限制的表面积，所述最大长度和最大宽度可基于用户输入进行调节。

5.根据权利要求1所述的系统，其中，所述切片限定模块包括自动合并功能，所述自动合并功能在以下情况下将相邻对的子部分合并为新的子部分：当所述子部分中的一个子部分的表面积被确定为小于预定的最小表面积时并且当新的子部分的外部尺寸小于预定的最大外部尺寸时。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，所述钢筋线限定模块使用原始点算法、公共点算法、以及拉默-道格拉斯-皮克(RDP)算法中的至少一个，来处理所述偏移网格的每个子部分，以生成所述钢筋件的装配。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，所述钢筋线限定模块首先使用公共点算法，然后对段的子集使用RDP算法以插入附加细节，来处理所述偏移网格的每个子部分。

8.根据权利要求7所述的系统，其中，所述钢筋线限定模块为每个弯曲限定弯曲角度，并且将所述弯曲中的相邻弯曲隔开至少预定的弯曲间隔。

9.根据权利要求1所述的系统，还包括由所述处理器运行以生成装配图的图纸生成器，所述装配图将所述钢筋件的位置映射到每个子部分内，并且将所述子部分的装配限定在一起以形成所述岩石结构的支撑框架。

10.根据权利要求1所述的系统，还包括由所述处理器运行的模块，所述模块从所述外表面的点云文件生成所述3D网格。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述钢筋线限定模块包括算法，所述算法处理所述钢筋件的装配，以基于相交距离来识别并删除冗余的Z形条。

12.一种用于人造岩石结构的支撑框架的自动化设计的系统，包括：

处理器；

存储器，存储限定岩石结构的外表面的数字模型；以及

一组程序指令，可由所述处理器执行以：

从所述3D模型生成偏移网格，所述偏移网格限定所述外表面在偏移距离处的3D拓扑；

将所述偏移网格划分为切片；以及

为每个切片生成多个杆，所述杆被布置为提供用于制造岩石结构的外部材料层的支撑框架的一部分，其中每个杆由长度、在所述切片中的一切片内的位置、以及一组由弯曲角度限定的间隔开的弯曲来限定。

13.根据权利要求12所述的系统，其中，所述偏移网格的生成是使用移动立方体算法执行的，所述移动立方体算法被配置为在生成所述偏移网格时识别并填充所述3D网格中的孔。

14.根据权利要求12所述的系统，其中，在将所述偏移网格划分为切片期间，每个切片具有最大长度和最大宽度，所述最大长度和最大宽度是默认值或可基于用户输入进行调节。

15.根据权利要求12所述的系统，其中，该组程序指令提供自动合并功能，所述自动合并功能在以下情况下将相邻对的切片合并为新的切片：当所述切片中的一个切片的表面积被确定为小于预定的最小表面积时并且当新的切片的外部尺寸小于预定的最大外部尺寸时。

16.根据权利要求12所述的系统，其中，使用原始点算法、公共点算法、以及拉默-道格拉斯-皮克(RDP)算法中的至少一个，来创建所述偏移网格的每个切片，以生成所述钢筋件的装配。

17.根据权利要求16所述的系统，其中，首先使用公共点算法，然后对段的子集使用RDP算法以插入附加细节，来处理每个切片。

18.根据权利要求12所述的系统，其中，该组程序指令包括算法，所述算法为每个切片处理所述多个杆，以识别并然后删除冗余的Z形条。

19.一种用于人造岩石结构的支撑框架的自动化设计的系统，包括：

处理器；

存储器，存储岩石结构的外表面的三维(3D)网格；

偏移模块，包括由所述处理器执行以处理3D网格并生成偏移网格的软件，所述偏移网格限定所述外表面在距所述3D网格偏移距离处的3D拓扑；

切片限定模块，包括由所述处理器执行以将所述偏移网格划分为多个子部分的软件；以及

钢筋线限定模块，包括由所述处理器执行以为每个子部分生成钢筋件的装配的软件，所述钢筋件的装配为每个钢筋件限定长度、在子部分内的位置、以及一组间隔开的弯曲，

其中，所述钢筋线限定模块首先使用公共点算法，然后对段的子集使用RDP算法，来处理所述偏移网格的每个子部分。

20.根据权利要求19所述的系统，其中，所述偏移模块的软件包括移动立方体算法，所述移动立方体算法被配置为在生成所述偏移网格时识别并填充所述3D网格中的孔，其中，所述钢筋线限定模块为每个弯曲限定弯曲角度，并且将所述弯曲中的相邻弯曲至少隔开至少两英寸的预定弯曲间隔，并且其中，所述钢筋线限定模块包括算法，所述算法处理所述钢筋件的装配，以基于相交距离来识别并删除冗余的Z形条。

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