CN113742835A - 一种双曲面幕墙的新型优化设计方法 - Google Patents

一种双曲面幕墙的新型优化设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，它解决了曲面幕墙优化质量差问题，其包括基础曲面优化，之后对曲面划分并对各分板曲面进行优化。本发明具有优化精确高、适用性好等优点。

Description

一种双曲面幕墙的新型优化设计方法
技术领域
本发明属于建筑幕墙设计技术领域，具体涉及一种双曲面幕墙的新型优化设计方法。
背景技术
随着建造技术和设计建模技术的发展和革新，曲面凭借在空间塑造上有别于折线的特殊效果：连续、流畅、柔美、更具冲击力，而越来越多地被运用于建筑立面幕墙造型。但是在当前主流建造技术的约束和地产方的成本控制下，双曲面幕墙的落地设计面临挑战，比如幕墙分割要合理美观，分割过多会增加龙骨数量，增加了施工难度；分割太少会使立面折边过多，形态结构分裂，钢管的扭曲角度和异型板块的加工量增加，导致报废率高，增加了造价施工成本。满足合理的造价和应用普及的施工工艺的双曲面铝板幕墙，才具有普及的现实意义，随着计算机技术的快速进步，双曲面的有理化和加工建造方式可以用参数化工具进行研究模拟，全面、理性、高效地以数据比较的方式筛选出最优方案。因此，研究双曲面幕墙立面的参数化优化方法是顺应时代科技发展和追求高效、高质量行业要求下的必要举措。但曲面幕墙现有的优化方式精细度不足，优化质量较差。
为了解决现有技术存在的不足，人们进行了长期的探索，提出了各式各样的解决方案。例如，中国专利文献公开了一种双曲面幕墙的优化设计方法[201911230348.9]，其包括以下步骤：获取待优化的双曲面建筑表皮的三维模型；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；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；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。
上述方案在一定程度上解决了双曲面幕墙造价成本较高的问题，但是该方案依然存在着诸多不足，例如该曲面幕墙优化方法仅适用于形体曲率分布比较均匀、曲面形态相对简单的双曲面，对高斯曲率值分布不规则的复杂双曲面，优化后曲面与原始曲面的形体误差范围过大，优化精确度不够。
发明内容
本发明的目的是针对上述问题，提供一种设计合理，优化质量较好、能适用于各类复杂双曲面幕墙的新型优化设计方法。
为达到上述目的，本发明采用了下列技术方案：一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，包括基础曲面优化，之后对曲面划分并对各分板曲面进行优化。通过对概念阶段的双曲面立面造型进行优化重建，既满足曲面落地效果的流畅柔美概念，又满足标准化加工的工艺流程，起到较好的曲面幕墙优化效果。
在上述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法中，基础曲面优化的具体步骤如下：
S1：输入待优化的双曲面幕墙的三维模型；
S2：在竖向和水平方向等分曲面，得到曲面的结构线，根据高斯曲率分布变化，将结构线在特定曲率角度处分段，用相切连续的多段圆弧重新拟合原结构线，重建拟合的两条相交控制曲线将双曲面优化为曲率过渡连续的双曲面。
在上述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法中，对曲面划分和各分板曲面优化的具体步骤如下：
S3：对新的曲面进行分板和二次优化，对于单元板块进行单曲面的参数化拟合来逐个优化；
S4：输入曲面单元的三维模型，用优化算法来进行优选，选择与原有板的角点偏移值最小的生成结果。
在上述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法中，步骤S2中的结构线的拟合过程如下：
S21：曲面的长宽除以图案网格的长宽得到曲面UV结构线的阶数及点数，然后根据此UV结构线提取相应的结构线a。
在上述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法中，结构线a重新拟合过程如下：
S22：对于结构线a，有平面曲线连续一阶可导曲线
Figure BDA0003275485450000031
其切线为
Figure BDA0003275485450000032
取曲线上的n个点
Figure BDA0003275485450000033
使得相邻切线的夹角均为θ；
S23：用此n个点打断结构线a，在相邻点之间，重建以
Figure BDA0003275485450000034
为端点切向量的圆弧，得到G1相切连续(但曲率不连续)的多段曲线作为新的结构线a′；
S24：利用优化后的结构线a′，来得到新的双曲面。
在上述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法中，步骤S3中曲面分板和二次优化过程如下：
S31：建立单曲面来拟合双曲面单元板，单曲面由一条直线剖面线在两条圆弧的轨迹线上扫掠形成，直线剖面线所在的向量
Figure BDA0003275485450000035
的起点为该双曲面的形心，向量的终点为单元板的边缘上的100个等分点中的任意一点，单曲面的轨迹圆弧所在的平面与该双曲面的形心处的密切平面相平行，分别和直线剖面线的两端相交。
S32:提取原双曲面单元板的轮廓线并将其沿原双曲面形心处的法向量方向投影到单曲面上，用投影线切割下的单曲面局部来拟合双曲面单元；
S33：以单曲面的两条轨迹圆弧的半径和和单元板边缘上的等分点的序号作为输入参数，多种输入条件排列组合后生成大量备选优化曲面，以新曲面和原曲面的四个角点间偏离值的最小化作为目标，利用遗传算法对备选曲面进行优化筛选。
在上述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法中，步骤S4中优化算法过程如下：
S41：输入轨迹圆弧的半径和双曲面边缘线的100个等分点中的任意一点的序号，输出多个新的单曲单元板模型。
与现有的技术相比，本发明的优点在于：采用一种曲面结构线函数分析方法流程和一连串的参数化优化策略，通过对概念阶段的双曲面立面造型进行优化重建，提高了曲面优化质量；优化后的曲面幕墙流畅美观，同时满足标准化加工的工艺流程；可根据实际需要对曲面连续优化，进一步提高曲面质量。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明的优化前双曲面的高斯曲率分布图；
图3是本发明的整个双曲面的用相切圆弧拟合结构线生成的优化双曲面；
图4是本发明的优化后双曲面的高斯曲率分布图；
图5是本发明的单元板的单曲拟合方法示意；
图6和图7是本发明的优化遗传算法的数据分析表；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1-7所示，一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，包括基础曲面优化，之后对曲面划分并对各分板曲面进行优化。
其中，基础曲面优化的具体步骤如下：
S1：利用Rhino软件输入待优化的双曲面幕墙的三维模型；
S2：在竖向和水平方向等分曲面，得到曲面的结构线，根据高斯曲率分布变化，将结构线在特定曲率角度处分段，用相切连续的多段圆弧重新拟合原结构线，用Networksrfcommand重建拟合的两条相交控制曲线将双曲面优化为曲率过渡连续的双曲面。
具体地，对曲面划分和各分板曲面优化的具体步骤如下：
S3：对新的曲面进行分板和二次优化，对于单元板块进行单曲面的参数化拟合来逐个优化；
S4：输入曲面单元的三维模型，用优化算法来进行优选，选择与原有板的角点偏移值最小的生成结果。
深入地，步骤S2中的结构线的拟合过程如下：
S21：用divide srf component来讲，曲面的长宽除以图案网格的长宽得到曲面UV结构线的阶数及点数，然后contour component根据此UV结构线提取相应的结构线a。
进一步地，所述的结构线a重新拟合过程如下：
S22：对于结构线a，有平面曲线连续一阶可导曲线
Figure BDA0003275485450000051
其切线为
Figure BDA0003275485450000052
取曲线上的n个点
Figure BDA0003275485450000053
使得相邻切线的夹角均为θ；
S23：用此n个点打断结构线a，在相邻点之间，重建以
Figure BDA0003275485450000061
为端点切向量的圆弧，得到G1相切连续(但曲率不连续)的多段曲线作为新的结构线a′；
S24：用Networksrf command利用优化后的结构线a′，来得到新的双曲面；分析其高斯曲率，与优化前的曲面对比，优化后的曲面曲率过渡平滑，分布均匀。
更进一步地，步骤S3中曲面分板和二次优化过程如下：
S31：建立单曲面并切割其单曲面局部来拟合双曲面单元；
S32：提取原双曲面单元板的轮廓线并将其沿原双曲面形心处的法向量方向投影到单曲面上，用投影线切割下的单曲面局部来拟合双曲面单元，步骤S31中单曲面由一条直线剖面线在两条圆弧的轨迹线上扫掠形成，所述的直线剖面线所在的向量
Figure BDA0003275485450000062
的起点为该双曲面的形心，向量的终点为单元板的边缘上的100个等分点中的任意一点。该单曲面的纵轴向量
Figure BDA0003275485450000063
的起点为该双曲面的形心o，纵轴向量的终点为双曲面边缘线的100个等分点中的任意一点Px，连接o和Px形成，沿此线向形心o的两端各延长特定距离b，得到长度为2b的单曲面的直线剖面线L。
S33：以单曲面的两条轨迹圆弧的半径和和单元板边缘上的等分点的序号作为输入参数，多种输入条件排列组合后生成大量备选优化曲面；
S34：以新曲面和原曲面的四个角点间偏离值的最小化作为目标，利用遗传算法对备选曲面进行优化筛选。分别输入圆弧Arc1和Arc2的半径R1、R2，和双曲面边缘线的100个等分点中的任意一点Px的序号x，输出多个新的单曲单元板模型。用osculate surfacecomponent得到该双曲面的形心处的密切平面相切圆，将此圆所在平面Plane A沿着
Figure BDA0003275485450000071
的正向和反向移动距离b，得到通过L的两端点的Plane A1和Plane A1，并在此两个平面上建立与L的两端点相交的圆弧Arc1和Arc2。
可见地，步骤S33中单曲面的轨迹圆弧所在的平面与该双曲面的形心处的密切平面相平行，分别和直线剖面线的两端相交。S34：将直线剖面线L沿着轨迹线圆弧Arc1和Arc2扫掠，得到单曲面，然后提取原双曲面单元的边缘线并将边缘线沿原双曲面形心处的法向量方向投影到单曲面上，用投影线切割单曲面，得到拟合重建的单曲面单元板。
优选地，步骤S4中优化算法过程如下：
S41：分别输入圆弧Arc1和Arc2的半径R1、R2，和双曲面边缘线的100个等分点中的任意一点Px的序号x，输出多个新的单曲单元板模型。多种输入条件排列组合后生成大量备选优化曲面。以新曲面和原曲面的四个角点间偏离值的最小化作为优选目标，利用grasshopper中的wallacei遗传算法，对备选曲面进行高效率优化筛选。
综上所述，本实施例的原理在于：将复杂双曲面的玻璃幕墙优化为曲率过渡平滑的双曲面，根据挠率分布进行分板，然后对单元板进行单曲面拟合重建。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了结构线、单曲面等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，包括基础曲面优化，之后对曲面划分并对各分板曲面进行优化。
2.根据权利要求1所述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，基础曲面优化的具体步骤如下：
S1：输入待优化的双曲面幕墙的三维模型；
S2：在竖向和水平方向等分曲面，得到曲面的结构线，根据高斯曲率分布变化，将结构线在特定曲率角度处分段，用相切连续的多段圆弧重新拟合原结构线，重建拟合的两条相交控制曲线将双曲面优化为曲率过渡连续的双曲面。
3.根据权利要求2所述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，对曲面划分和各分板曲面优化的具体步骤如下：
S3：对新的曲面进行分板和二次优化，对于单元板块进行单曲面的参数化拟合来逐个优化；
S4：输入曲面单元的三维模型，用优化算法来进行优选，选择与原有板的角点偏移值最小的生成结果。
4.根据权利要求3所述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，步骤S2中的结构线的拟合过程如下：
S21：曲面的长宽除以图案网格的长宽得到曲面UV结构线的阶数及点数，然后根据此UV结构线提取相应的结构线a。
5.根据权利要求4所述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，所述的结构线a重新拟合过程如下：
S22:对于结构线a，有平面曲线连续一阶可导曲线
Figure FDA0003275485440000011
其切线为
Figure FDA0003275485440000012
取曲线上的n个点
Figure FDA0003275485440000013
使得相邻切线的夹角均为θ；
S23:用此n个点打断结构线a，在相邻点之间，重建以
Figure FDA0003275485440000021
为端点切向量的圆弧，得到G1相切连续(但曲率不连续)的多段曲线作为新的结构线a′；
S24：利用优化后的结构线a′，来得到新的双曲面。
6.根据权利要求3所述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，步骤S3中曲面分板和二次优化过程如下：
S31:建立单曲面来拟合双曲面单元板；
S32：提取原双曲面单元板的轮廓线并将其沿原双曲面形心处的法向量方向投影到单曲面上，用投影线切割下的单曲面局部来拟合双曲面单元；
S33：以单曲面的两条轨迹圆弧的半径和和单元板边缘上的等分点的序号作为输入参数，多种输入条件排列组合后生成大量备选优化曲面；
S34：以新曲面和原曲面的四个角点间偏离值的最小化作为目标，利用遗传算法对备选曲面进行优化筛选。
7.根据权利要求6所述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，步骤S31中单曲面由一条直线剖面线在两条圆弧的轨迹线上扫掠形成。
8.根据权利要求7所述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，所述的直线剖面线所在的向量
Figure FDA0003275485440000022
的起点为该双曲面的形心，向量的终点为单元板的边缘上的100个等分点中的任意一点。
9.根据权利要求6所述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，步骤S33中单曲面的轨迹圆弧所在的平面与该双曲面的形心处的密切平面相平行，分别和直线剖面线的两端相交。
10.根据权利要求3所述的一种双曲面幕墙的新型优化设计方法，其特征在于，步骤S4中优化算法过程如下：
S41：输入轨迹圆弧的半径和双曲面边缘线的100个等分点中的任意一点的序号，输出多个新的单曲单元板模型。
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