CN114357593A - 曲面建筑的三角表皮面板模板化方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种曲面建筑的三角表皮面板模板化方法及装置。该方法包括：获取待处理表皮单元和缝隙宽度阈值，其中，缝隙宽度阈值为目标对象设置的使用模板对待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度；确定任意两个待处理表皮单元之间的形态差异参数，并基于形态差异参数对待处理表皮单元进行聚类；为每个聚类生成对应的备选模板；在每个聚类中，利用备选模板对当前聚类的待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于缝隙宽度阈值的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。本申请解决了现有的聚类方法对建筑表皮模板化的可操作性，灵活性都有极大限制的技术问题。
Description
技术领域
本申请涉及建筑幕墙的计算机辅助设计技术领域，尤其涉及一种曲面建筑的三角表皮面板模板化方法及装置。
背景技术
随着计算机技术的发展以及施工建造水平的不断提升，拥有复杂几何造型的建筑被越来越多地设计和建造出来，而其中相当部分的建筑都以曲面造型作为设计亮点。曲面造型的主流施工方式之一是通过密铺表皮面板的方式对曲面进行拟合。由FernandoRomero设计的索玛雅博物馆，由扎哈哈迪德建筑事务所设计的梅溪湖国际文化艺术中心以及由Studio Fuksas设计的Rhike公园音乐剧场就分别采用了六边形平板、四边形双曲板以及三角形铝板以实现曲面造型。其中梅溪湖国际文化艺术中心在施工中共使用了超过1万片尺寸各异的双曲面板，造价昂贵，而大部分曲面建筑出于成本考量，会追求用较少类型的模板来批量生产表皮面板，而且装配式施工（是指把传统建造方式中的大量现场作业工作转移到工厂进行，在工厂加工制作好建筑用构件和配件（如楼板、墙板、楼梯、阳台等），运输到建筑施工现场，通过可靠的连接方式在现场装配安装而成的建筑）才是更加符合建筑工业化的潮流，还能提高生产效率，故建筑领域内引人关注的课题之一就是如何从上万块形态各异的表皮面板中归类出数量较少的模板单元进行生产安装，并保证建造效果。
目前，相关技术中，自由曲面工业化生产主要有两种主流策略，一是优化策略，对表皮面板单元进行均匀化，等边化，来使所有的表皮单元形态尽可能接近，二是分类策略，将表皮单元依据形态进行分类，同类的面板用同一模板生产。其中，优化策略因只能将所有单元的形态尽可能优化得相似，无法做到使所有单元尺寸完全相等，故仍需要分类策略进行辅助，且无法将形态尺寸差异较大的表皮面板优化成彼此近似的形态，或者优化后的表皮曲面与原设计的曲面存在较大形态差异，无法满足设计审美需求。而分类策略无论面对何种曲面均有良好的表现，可以不依赖优化策略单独使用，也可互相结合达到更好的效果，比如盖里科技对索玛雅博物馆的表皮施工提出的解决方案，该方案对表皮单元按几何形态分类后计算出每一类的模板尺寸并进行替换，通过缝隙来消除模板与原表皮单元之间的误差，最终将80%约11,500块表皮单元用50余种标准模板完成制作。然而分类策略也存在极大的局限性，盖里科技为索玛雅博物馆提出的解决方案核心流程可概括为如下：首先提取表皮面板的几何特征，以此为基础对所有表皮面板进行聚类，聚类结束后在同一类面板内计算出一个可置于所有面板内的模板单元，从而可以使用模板单元替换表皮面板原件，模板单元与原件差异对比如图1a所示，之后测量所有异形面板被相应的模板单元替换后彼此之间产生的缝隙，若缝隙过大则调整聚类数目重复以上流程，直至满足一定要求。施工完成后缝隙尺寸对表皮效果的影响如图1b所示。
该方法的核心在于使用传统的K-means聚类对表皮单元的形态特征进行分类，此方法需要预先设定聚类数目，无论分类数量是否合理都会给出相应聚类结果，中间缺乏交互判断的过程，聚类数目过少会导致表皮单元在被替换后彼此之间缝隙极大，而过多又无法达到减少成本的目的。在面对以万计的表皮单元时，建筑师无法直观给出最佳分类数目和其与缝隙之间的关联，只能不断调整分类数目进行试错，增加了大量的时间成本和计算资源消耗，相关操作只能交给专业人士，设计师难以介入，无法直观控制表皮效果，若曲面曲率变化较大，则需要按曲率变化划定范围，为曲率变化剧烈的区域设置更多的聚类数量，成倍提升计算的耗时及复杂度。在实际施工中，建筑师往往希望能够兼顾效果和成本，对缝隙尺寸进行精确的量化控制，迅速得出不同缝隙尺寸对应的分类数目及施工效果，甚至希望在不同区域设置不同的缝隙尺寸。
因此，现有的建筑表皮聚类及模板化流程无法高效地平衡建成效果与成本，其可操作性及灵活度仍有较大提升空间，目前此问题尚未有人提出有效的解决方案。
发明内容
本申请提供了一种曲面建筑的三角表皮面板模板化方法及装置，以解决现有的聚类方法对建筑表皮模板化的可操作性，灵活性都有极大限制的技术问题。
根据本申请实施例的一个方面，本申请提供了一种曲面建筑的三角表皮面板模板化方法，包括：
获取待处理表皮单元和缝隙宽度阈值，其中，待处理表皮单元为建筑幕墙的建筑表皮面板，缝隙宽度阈值为目标对象设置的使用模板对待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度；
确定任意两个待处理表皮单元之间的形态差异参数，并基于形态差异参数对待处理表皮单元进行聚类；
为每个聚类生成对应的备选模板；
在每个聚类中，利用备选模板对当前聚类的待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于缝隙宽度阈值的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
可选地，确定任意两个待处理表皮单元之间的形态差异参数包括：
确定由第一表皮单元的中心点指向第二表皮单元的中心点的平移变换；
按照平移变换移动第一表皮单元，以使第一表皮单元与第二表皮单元的中心点重合；
平移变换后，确定第一表皮单元中与主龙骨平行的第一龙骨边和第二表皮单元中与主龙骨平行的第二龙骨边；
将第一龙骨边与第二龙骨边关联为对应边的旋转变换确定为目标旋转变换，并按照目标旋转变换确定第一表皮单元与第二表皮单元之间的其他两两关联的对应边；
确定所有对应边的长度差的平方的均值，得到第一表皮单元与第二表皮单元之间的形态差异参数。
可选地，将第一龙骨边与第二龙骨边关联为对应边的旋转变换确定为目标旋转变换包括：
确定每个旋转变换中，第一龙骨边对应的向量与第二龙骨边对应的向量的向量积和数量积，其中，第一龙骨边对应的向量的方向为从第一龙骨边的第一端点指向第二端点的方向，第一端点为第一龙骨边与第一表皮单元剩余两边中的较长边相接形成的，第二端点为第一龙骨边与第一表皮单元剩余两边中的较短边相接形成的；第二龙骨边对应的向量的方向为从第二龙骨边的第三端点指向第四端点的方向，第三端点为第二龙骨边与第二表皮单元剩余两边中的较长边相接形成的，第四端点为第二龙骨边与第二表皮单元剩余两边中的较短边相接形成的；
将向量积为0且数量积大于0的旋转变换确定为目标旋转变换。
可选地，为每个聚类生成对应的备选模板包括：
为每个聚类生成对应的标准三角形；
在缝隙宽度阈值内确定第一偏移距离，并将标准三角形向内偏移第一偏移距离，得到备选模板。
可选地，为每个聚类生成对应的标准三角形包括：
确定当前聚类中每个三角形的第一边、第二边以及第三边，其中，第一边为与主龙骨平行的边，第二边和第三边为按照边长从长到短的顺序依次选取的边；
利用当前聚类中每个三角形的第一边、第二边以及第三边，生成标准三角形的第一标准边、第二标准边以及第三标准边，其中，第一标准边的长度为当前聚类中所有三角形的第一边的长度的均值，第二标准边的长度为当前聚类中所有三角形的第二边的长度的均值，第三标准边的长度为当前聚类中所有三角形的第三边的长度的均值。
可选地，利用备选模板对当前聚类的待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于所述缝隙宽度阈值的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板包括：
在缝隙宽度阈值内确定第二偏移距离，并将标准三角形向外偏移第二偏移距离，得到当前聚类对应的最大偏移三角形，其中，第一偏移距离与第二偏移距离的和为缝隙宽度阈值的二分之一；
将当前聚类中的每个三角形逐一与备选模板和最大偏移三角形进行对比；
在所有三角形均无交集地包围备选模板，且最大偏移三角形均无交集地包围所有三角形的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
可选地，所述方法还包括：
在当前聚类中的三角形与备选模板或最大偏移三角形存在交集的情况下，将当前聚类确定为错误聚类；
对错误聚类进行迭代聚类，直至任一子聚类中的所有三角形均与子聚类对应的备选模板和最大偏移三角形无交集的情况下，将每个子聚类的备选模板确定为与子聚类对应的可用模板。
根据本申请实施例的另一方面，本申请提供了一种曲面建筑的三角表皮面板模板化装置，包括：
数据获取模块，用于获取待处理表皮单元和缝隙宽度阈值，其中，待处理表皮单元为建筑幕墙的建筑表皮面板，缝隙宽度阈值为目标对象设置的使用模板对待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度；
差异量化及聚类模块，用于确定任意两个待处理表皮单元之间的形态差异参数，并基于形态差异参数对待处理表皮单元进行聚类；
生成模块，用于为每个聚类生成对应的备选模板；
优化模块，用于在每个聚类中，利用备选模板对当前聚类的待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于缝隙宽度阈值的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
根据本申请实施例的另一方面，本申请提供了一种电子设备，包括存储器、处理器、通信接口及通信总线，存储器中存储有可在处理器上运行的计算机程序，存储器、处理器通过通信总线和通信接口进行通信，处理器执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
根据本申请实施例的另一方面，本申请还提供了一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，程序代码使处理器执行上述的方法。
本申请实施例提供的上述技术方案与相关技术相比具有如下优点：
本申请技术方案为获取待处理表皮单元和缝隙宽度阈值，其中，待处理表皮单元为建筑幕墙的建筑表皮面板，缝隙宽度阈值为目标对象设置的使用模板对待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度；确定任意两个待处理表皮单元之间的形态差异参数，并基于形态差异参数对待处理表皮单元进行聚类；为每个聚类生成对应的备选模板；在每个聚类中，利用备选模板对当前聚类的待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于缝隙宽度阈值的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。本申请通过量化任意两个三角形之间的差异，并基于差异进行聚类，再通过设计师期望的成品表皮单元之间的缝隙尺寸对聚类进行优化，即可获得设计师所需效果的最少表皮单元分类数目以及相应的模板尺寸数据，同时呈现可视化后的表皮效果，而不是如现有技术中按照预先设定的聚类数目进行分类，因此本申请表皮面板的模板化更加灵活、准确，解决了现有的聚类方法对建筑表皮模板化的可操作性，灵活性都有极大限制的技术问题。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
为了更清楚地说明本申请实施例或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1a为模板单元与原件差异对比示意图；
图1b为施工完成后缝隙尺寸对表皮效果的影响示意图；
图2为根据本申请实施例提供的一种可选的曲面建筑的三角表皮面板模板化方法硬件环境示意图；
图3为根据本申请实施例提供的一种可选的曲面建筑的三角表皮面板模板化方法流程示意图；
图4为根据本申请实施例提供的一种可选的三角形表示示意图；
图5为根据本申请实施例提供的一种可选的旋转变换示意图；
图6为根据本申请实施例提供的一种可选的三角形刚性变换示意图；
图7为根据本申请实施例提供的一种可选的三角形聚类示意图；
图8为根据本申请实施例提供的一种可选的标准三角形示意图；
图9为根据本申请实施例提供的一种可选的标准三角形偏移示意图；
图10为根据本申请实施例提供的一种可选的异形建筑筒体示意图；
图11为根据本申请实施例提供的一种可选的模板分类及尺寸示意图；
图12为根据本申请实施例提供的一种可选的三角表皮面板模板化装置框图；
图13为本申请实施例提供的一种可选的电子设备结构示意图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
在后续的描述中，使用用于表示元件的诸如“模块”、“部件”或“单元”的后缀仅为了有利于本申请的说明，其本身并没有特定的意义。因此，“模块”与“部件”可以混合地使用。
首先对本申请实施例中出现的部分名词进行解释：
刚性变换(Rigid Transformation)：刚性变换为仅改变物体的位置而不改变其形状大小的变化，本文中包括对三角形表皮单元的移动和旋转操作。
K聚类(K-Means Clustering)：K聚类为机器学习中常用的特征分类算法之一。算法根据待分类样本的量化特征对样本群体进行分类，任意两个样本特征的差值(以欧式距离计算)被用以衡量他们之间的相似度，差值越高则相似度越大。
聚类中心(Cluster Centers)：在初始状态下，K聚类会随机挑选k个样本(k的具体数值由使用者决定)作为聚类重心，针对数据集中的每个样本X，系统会计算其距每个聚类中心的差值，并将其分到距离最小的聚类中心所对应的类中。全部样本均被分类后视为一次迭代结束，系统计算每一类内的所有样本特征的平均值，将其作为新的聚类中心，然后重复进行分类，此迭代在每个样本的归属类均不再变化后停止。
龙骨(Facade Beam)：一般施工中，玻璃幕墙需要悬挂于龙骨之上，将自重与风荷载传递给龙骨，再传递给结主体。
为了解决背景技术中提及的问题，根据本申请实施例的一方面，提供了一种曲面建筑的三角表皮面板模板化方法的实施例。
可选地，在本申请实施例中，上述曲面建筑的三角表皮面板模板化方法可以应用于如图2所示的由终端201和服务器203所构成的硬件环境中。如图2所示，服务器203通过网络与终端201进行连接，可用于为终端或终端上安装的客户端提供服务（如表皮面板模板化服务），可在服务器上或独立于服务器设置数据库205，用于为服务器203提供数据存储服务，上述网络包括但不限于：广域网、城域网或局域网，终端101包括但不限于PC、手机、平板电脑等。
本申请实施例中的一种曲面建筑的三角表皮面板模板化方法可以由服务器203来执行，还可以是由服务器203和终端201共同执行，如图3所示，该方法可以包括以下步骤：
步骤S302，获取待处理表皮单元和缝隙宽度阈值，其中，待处理表皮单元为建筑幕墙的建筑表皮面板，缝隙宽度阈值为目标对象设置的使用模板对待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度；
步骤S304，确定任意两个待处理表皮单元之间的形态差异参数，并基于形态差异参数对待处理表皮单元进行聚类；
步骤S306，为每个聚类生成对应的备选模板；
步骤S308，在每个聚类中，利用备选模板对当前聚类的待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于缝隙宽度阈值的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
通过步骤S302至S308，本申请通过量化任意两个三角形之间的差异，并基于差异进行聚类，再通过设计师期望的成品表皮单元之间的缝隙尺寸对聚类进行优化，即可获得设计师所需效果的最少表皮单元分类数目以及相应的模板尺寸数据，同时呈现可视化后的表皮效果，而不是如现有技术中按照预先设定的聚类数目进行分类，因此本申请表皮面板的模板化更加灵活、准确，解决了现有的聚类方法对建筑表皮模板化的可操作性，灵活性都有极大限制的技术问题。
本申请技术方案的核心是结合实际三角表皮单元的施工特点，针对k聚类需要预先设定聚类数目，对k聚类分类进行改进，并提出一套全新的针对性模板生成流程，该流程可做到在允许设计师对成品误差进行直观量化控制的前提下输出所需的最少模板数量，同时输出模板尺寸及模板与原曲面表皮单元之间的对应关系以便后续施工定位。面对不同形状的表皮单元如三角形，四边形，六边形，聚类所采用的特征值均不相同，本申请技术方案在盖里科技的思路的基础上对其加以改进，保证对三角形单元具有适应性的同时支持更多形状面板的扩展。
整个方案流程首先基于k聚类分类方式提出了两点针对三角形单元的重要改进，一是在施工条件下，量化任意两个三角面板之间的形态差异，二是如何在设计师给定缝隙误差尺寸值（即上述缝隙宽度阈值）的前提下判断一组三角形面板是否可被某个模板代替。下面进行详细说明。
在步骤S302中，待处理表皮单元即为待进行模板化的三角面板，缝隙宽度阈值为目标对象（即设计师）设置的使用模板对待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度。
在步骤S304中，先对任意两个待处理表皮单元之间的形态差异进行量化，量化差异后再将差异的量化值作为分类依据，对所有待处理表皮单元进行聚类。差异的量化过程包括：
步骤S402，确定由第一表皮单元的中心点指向第二表皮单元的中心点的平移变换；
步骤S404，按照平移变换移动第一表皮单元，以使第一表皮单元与第二表皮单元的中心点重合；
步骤S406，平移变换后，确定第一表皮单元中与主龙骨平行的第一龙骨边和第二表皮单元中与主龙骨平行的第二龙骨边；
步骤S408，将第一龙骨边与第二龙骨边关联为对应边，且的旋转变换确定为目标旋转变换，并按照目标旋转变换确定第一表皮单元与第二表皮单元之间的其他两两关联的对应边；
步骤S410，确定所有对应边的长度差的平方的均值，得到第一表皮单元与第二表皮单元之间的形态差异参数。
首先对本申请中三角形的顶点及三边的表示方式进行说明。
本申请实施例中，考虑实际施工中幕墙单元与主龙骨的连接，我们希望旋转变换R能够让与主龙骨平行的边互相对应，故对于三角形Ta、Tb，我们设与主龙骨平行的边为a1、b1，其余两边按长度从高到低依次设为a2、a3及b2、b3。以a1指向a2的方向依次将三角形Ta的三个顶点设为A1、A2以及A3，以b1指向b2的方向依次将三角形Tb的三个顶点设为B1、B2以及B3，如图4所示。
本申请实施例中，要量化两个三角表皮单元之间的差异，需要对其中一个三角表皮单元进行刚性变换。对于任意给定的两个位于待建曲面上的三角形单元，本方案提出一组基于表皮单元安装方式的刚性变化组合RT，其中，T为平移变换，R为旋转变换。若现有两个三角形单元，即第一表皮单元Ta和第二表皮单元Tb，则设第一表皮单元Ta的中心点为Acent，设第二表皮单元Tb的中心点为Bcent，上述刚性变换组合RT中的T即为从Acent指向Bcent的平移变换。按照该平移变换将第一表皮单元Ta和第二表皮单元Tb的中心点重合后，此时共有六种旋转变换R={R1,R2,……,R6}可使Ta、Tb三条边互相轮流对应，如图5所示，再从中选择出满足目标条件的目标旋转变换，据此确定第一表皮单元Ta和第二表皮单元Tb之间的对应边，最后确定所有对应边的长度差的平方的均值，得到第一表皮单元与第二表皮单元之间的形态差异参数。
可选地，将第一龙骨边与第二龙骨边关联为对应边的旋转变换确定为目标旋转变换包括：确定每个旋转变换中，第一龙骨边对应的向量与第二龙骨边对应的向量的向量积和数量积，其中，第一龙骨边对应的向量的方向为从第一龙骨边的第一端点指向第二端点的方向，第一端点为第一龙骨边与第一表皮单元剩余两边中的较长边相接形成的，第二端点为第一龙骨边与第一表皮单元剩余两边中的较短边相接形成的；第二龙骨边对应的向量的方向为从第二龙骨边的第三端点指向第四端点的方向，第三端点为第二龙骨边与第二表皮单元剩余两边中的较长边相接形成的，第四端点为第二龙骨边与第二表皮单元剩余两边中的较短边相接形成的；将向量积为0且数量积大于0的旋转变换确定为目标旋转变换。
上述多个旋转变换中，有且只有一个变换R可令
，且
，即此二向量为非零向量且方向相同。其中，
为第一表皮单元Ta中的上述第一龙骨边的两个端点、
为第二表皮单元Tb中的上述第二龙骨边的两个端点。
两个三角形之间的变换关系可表示为：
两个三角形之间的形态差异参数可表示为：
对于空间中的任意一对三角形，均可使用此方法使二者相互对应，如图6所示。获得
的计算方式后，即可以此为基础构建分类程序，
即为任意两个三角形之间的形态差异参数，也可在K聚类算法中用以表示任意两个三角形之间在聚类空间中的距离。
在步骤S306中，为每个聚类生成对应的备选模板包括：
步骤S502，为每个聚类生成对应的标准三角形；
步骤S504，在缝隙宽度阈值内确定第一偏移距离，并将标准三角形向内偏移第一偏移距离，得到备选模板。
可选地，步骤S502为每个聚类生成对应的标准三角形包括：
步骤S602，确定当前聚类中每个三角形的第一边、第二边以及第三边，其中，第一边为与主龙骨平行的边，第二边和第三边为按照边长从长到短的顺序依次选取的边；
步骤S604，利用当前聚类中每个三角形的第一边、第二边以及第三边，生成标准三角形的第一标准边、第二标准边以及第三标准边，其中，第一标准边的长度为当前聚类中所有三角形的第一边的长度的均值，第二标准边的长度为当前聚类中所有三角形的第二边的长度的均值，第三标准边的长度为当前聚类中所有三角形的第三边的长度的均值。
对于任意一组给定的三角形聚类，如图7所示，我们都可以计算出一个标准三角形
，如图8所示，k代表其所属聚类，将其三边分别记作
（即第一标准边、第二标准边以及第三标准边）。令
，同理可得
的长度，即
的每条边长度为聚类域内所有三角单元相应边长度的平均值。已知三边长后可在三维欧几里得空间中生成标准三角形
。
得到标准三角形之后，在缝隙宽度阈值内确定第一偏移距离，并将标准三角形向内偏移第一偏移距离，得到备选模板。若上述缝隙宽度阈值为d，则在d内确定第一偏移距离，如d/4，令标准三角形
向内偏移d/4，得到备选模板，如图9所示中的最内侧三角形。
在步骤S308中，利用备选模板对当前聚类的待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于所述缝隙宽度阈值的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板包括：
步骤S702，在缝隙宽度阈值内确定第二偏移距离，并将标准三角形向外偏移第二偏移距离，得到当前聚类对应的最大偏移三角形，其中，第一偏移距离与第二偏移距离的和为缝隙宽度阈值的二分之一；
步骤S704，将当前聚类中的每个三角形逐一与备选模板和最大偏移三角形进行对比；
步骤S706，在所有三角形均无交集地包围备选模板，且最大偏移三角形均无交集地包围所有三角形的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
本申请实施例中，在缝隙宽度阈值d内确定第二偏移距离，如d/4，令标准三角形
向外偏移d/4，得到最大偏移三角形，如图9所示中的最外侧三角形。
若当前聚类中的三角形表皮面板均可被当前聚类对应的备选模板替换，则替换后的表皮面板之间的缝隙宽度必然是在上述缝隙宽度d之内的，且替换前的所有三角形表皮面板均大于备选模板。因此，为了判断当前聚类中的三角形面板是否可被备选模板代替，可以将每个三角形逐一与备选模板和最大偏移三角形进行对比，在所有三角形均无交集地包围备选模板，且最大偏移三角形均无交集地包围所有三角形的情况下，说明当前聚类中的所有三角形面板均可被备选模板代替，因此可将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。若备选模板记为
，最大偏移三角形记为
，则用数量关系来表示所有三角形均无交集地包围备选模板，且最大偏移三角形均无交集地包围所有三角形，为：对当前聚类内任一三角形，其任意一边
都满足
，其中，
表示
中的边，
表示
中的边。此时易得前文表述的刚性变换RT可使
在三维坐标系内与To和Ti处于同一平面且位于二者之间，那么即使在最极端的情况下，即两块异形表皮单元在原曲面上相邻且形状接近To，他们被备选模板替换后彼此之间最大的间距也为上述缝隙宽度阈值d。
而对于不满足上述条件的聚类，则需要进行迭代聚类，直至所有聚类均满足条件时，即可得到满足设计师要求的最少表皮单元分类数目。
可选地，所述方法还包括：
步骤S802，在当前聚类中的三角形与备选模板或最大偏移三角形存在交集的情况下，将当前聚类确定为错误聚类；
步骤S804，对错误聚类进行迭代聚类，直至任一子聚类中的所有三角形均与子聚类对应的备选模板和最大偏移三角形无交集的情况下，将每个子聚类的备选模板确定为与子聚类对应的可用模板。
本申请实施例中，若当前聚类内存在任意三角形
无法满足前述条件，则该三角形被备选模板替换后存在如下可能问题：表皮单元之间产生冲突、表皮单元之间缝隙过大。即该组三角形无法在不出错的前提下全部被指定的单个模板（备选模板）替换，因此当前聚类不满足条件，需要标记为错误聚类并进行迭代聚类，以增加新的表皮面板分类，对应增加模板数量。本申请实施例中，整个聚类过程以两类为起始，每次聚类结束后程序会自动根据设计师输入的误差值（缝隙宽度阈值）为每一组三角形生成模板并标记错误聚类，对于错误聚类，下一次迭代时会从中分裂出两个聚类中心。此迭代将持续进行直至不再出现错误聚类。因为分类数目从两类开始逐渐增加，故可保证满足要求的最终分类数目最少。流程最后，每个聚类内的所有三角单元会与对应的模板三角形建立映射关系，系统会输出此映射关系，并再次利用前述的刚性变化R与T将模板复位回原始曲面，便于设计师初步观察效果，及后续施工的模板定位。
本申请技术方案最终会输出限制条件（缝隙宽度阈值）下所有模板的尺寸，以及表皮单元与模板的空间对应关系。整套流程极大简化了三角面板标准化的耗时，使其更加人性化，符合设计逻辑及实际安装要求，设计师不再需要不断调整模板数量来使误差接近设定值，而只需要将划分好的三角形单元的几何信息输入程序，并设置可以容许的误差值，程序即可自动计算出该需求下的最少模板数量并给出模板尺寸。此套流程更赋予了设计师对表皮最终效果进行细节控制的可能，建筑师可以在建筑形体的人视高度之上设置较宽的缝隙尺寸以减少模板数量平衡成本，而在城市昭示面设置较低的缝隙尺寸以获取良好的立面效果。
以图10所示的异形建筑筒体为例，设计师若想快速得知在模板替换后表皮单元之间产生的缝隙分别为10厘米，5厘米及2.5厘米的情况下，分别需要多少块模板以及表皮单元与模板的一一对应关系，可通过本申请的上述技术方案，快速计算出模板数量，并将建成效果以模型的形式在建模软件上输出。
通过本申请的上述技术方案，即使是形态变化较大的自由曲面形态也可在仅用数十种三角单元模板的前提下进行生产。如在某博物馆项目的设计深化中，项目需要将六个形态各异的异形曲面筒体的表皮使用阳极氧化铝三角版进行密铺，在希望尽最大可能减少表皮单元模板数量的同时，项目还要求保证每块三角单元的尺寸在900-1200mm之间，且表皮之间的缝隙尺寸不大于50mm。在应用了本申请的上述技术方案后，系统即可快速计算出共计30000余块表皮单元可被归类并被12种标准模板代替，同时输出了模板尺寸及替换后的预览模型，如图11所示。
本申请通过量化任意两个三角形之间的差异，并基于差异进行聚类，再通过设计师期望的成品表皮单元之间的缝隙尺寸对聚类进行优化，即可获得设计师所需效果的最少表皮单元分类数目以及相应的模板尺寸数据，同时呈现可视化后的表皮效果，而不是如现有技术中按照预先设定的聚类数目进行分类，因此本申请表皮面板的模板化更加灵活、准确，解决了现有的聚类方法对建筑表皮模板化的可操作性，灵活性都有极大限制的技术问题。
根据本申请实施例的又一方面，如图12所示，提供了一种曲面建筑的三角表皮面板模板化装置，包括：
数据获取模块1201，用于获取待处理表皮单元和缝隙宽度阈值，其中，待处理表皮单元为建筑幕墙的建筑表皮面板，缝隙宽度阈值为目标对象设置的使用模板对待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度；
差异量化及聚类模块1203，用于确定任意两个待处理表皮单元之间的形态差异参数，并基于形态差异参数对待处理表皮单元进行聚类；
生成模块1205，用于为每个聚类生成对应的备选模板；
优化模块1207，用于在每个聚类中，利用备选模板对当前聚类的待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于缝隙宽度阈值的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
需要说明的是，该实施例中的数据获取模块1201可以用于执行本申请实施例中的步骤S302，该实施例中的差异量化及聚类模块1203可以用于执行本申请实施例中的步骤S304，该实施例中的生成模块1205可以用于执行本申请实施例中的步骤S306，该实施例中的优化模块1207可以用于执行本申请实施例中的步骤S308。
此处需要说明的是，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为装置的一部分可以运行在如图2所示的硬件环境中，可以通过软件实现，也可以通过硬件实现。
可选地，该差异量化及聚类模块，具体用于：
确定由第一表皮单元的中心点指向第二表皮单元的中心点的平移变换；
按照平移变换移动第一表皮单元，以使第一表皮单元与第二表皮单元的中心点重合；
平移变换后，确定第一表皮单元中与主龙骨平行的第一龙骨边和第二表皮单元中与主龙骨平行的第二龙骨边；
将第一龙骨边与第二龙骨边关联为对应边的旋转变换确定为目标旋转变换，并按照目标旋转变换确定第一表皮单元与第二表皮单元之间的其他两两关联的对应边；
确定所有对应边的长度差的平方的均值，得到第一表皮单元与第二表皮单元之间的形态差异参数。
可选地，该差异量化及聚类模块，还用于：
确定每个旋转变换中，第一龙骨边对应的向量与第二龙骨边对应的向量的向量积和数量积，其中，第一龙骨边对应的向量的方向为从第一龙骨边的第一端点指向第二端点的方向，第一端点为第一龙骨边与第一表皮单元剩余两边中的较长边相接形成的，第二端点为第一龙骨边与第一表皮单元剩余两边中的较短边相接形成的；第二龙骨边对应的向量的方向为从第二龙骨边的第三端点指向第四端点的方向，第三端点为第二龙骨边与第二表皮单元剩余两边中的较长边相接形成的，第四端点为第二龙骨边与第二表皮单元剩余两边中的较短边相接形成的；
将向量积为0且数量积大于0的旋转变换确定为目标旋转变换。
可选地，该生成模块，具体用于：
为每个聚类生成对应的标准三角形；
在缝隙宽度阈值内确定第一偏移距离，并将标准三角形向内偏移第一偏移距离，得到备选模板。
可选地，该生成模块，还用于：
确定当前聚类中每个三角形的第一边、第二边以及第三边，其中，第一边为与主龙骨平行的边，第二边和第三边为按照边长从长到短的顺序依次选取的边；
利用当前聚类中每个三角形的第一边、第二边以及第三边，生成标准三角形的第一标准边、第二标准边以及第三标准边，其中，第一标准边的长度为当前聚类中所有三角形的第一边的长度的均值，第二标准边的长度为当前聚类中所有三角形的第二边的长度的均值，第三标准边的长度为当前聚类中所有三角形的第三边的长度的均值。
可选地，该优化模块，具体用于：
在缝隙宽度阈值内确定第二偏移距离，并将标准三角形向外偏移第二偏移距离，得到当前聚类对应的最大偏移三角形，其中，第一偏移距离与第二偏移距离的和为缝隙宽度阈值的二分之一；
将当前聚类中的每个三角形逐一与备选模板和最大偏移三角形进行对比；
在所有三角形均无交集地包围备选模板，且最大偏移三角形均无交集地包围所有三角形的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
可选地，该曲面建筑的三角表皮面板模板化装置，还包括迭代模块，用于：
在当前聚类中的三角形与备选模板或最大偏移三角形存在交集的情况下，将当前聚类确定为错误聚类；
对错误聚类进行迭代聚类，直至任一子聚类中的所有三角形均与子聚类对应的备选模板和最大偏移三角形无交集的情况下，将每个子聚类的备选模板确定为与子聚类对应的可用模板。
根据本申请实施例的另一方面，本申请提供了一种电子设备，如图13所示，包括存储器1301、处理器1303、通信接口1305及通信总线1307，存储器1301中存储有可在处理器1303上运行的计算机程序，存储器1301、处理器1303通过通信接口1305和通信总线1307进行通信，处理器1303执行计算机程序时实现上述方法的步骤。
上述电子设备中的存储器、处理器通过通信总线和通信接口进行通信。所述通信总线可以是外设部件互连标准(Peripheral Component Interconnect，简称PCI)总线或扩展工业标准结构(Extended Industry Standard Architecture，简称EISA)总线等。该通信总线可以分为地址总线、数据总线、控制总线等。
存储器可以包括随机存取存储器(Random Access Memory，简称RAM)，也可以包括非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。可选的，存储器还可以是至少一个位于远离前述处理器的存储装置。
上述的处理器可以是通用处理器，包括中央处理器(Central Processing Unit，简称CPU)、网络处理器(Network Processor，简称NP)等；还可以是数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称DSP)、专用集成电路(Application SpecificIntegrated Circuit，简称ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，简称FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。
根据本申请实施例的又一方面还提供了一种计算机程序产品或计算机程序，该计算机程序产品或计算机程序包括计算机指令，该计算机指令存储在计算机可读存储介质中。计算机设备的处理器从计算机可读存储介质读取该计算机指令，处理器执行该计算机指令，使得该计算机设备执行上述任一实施例的步骤。
可选地，在本申请实施例中，计算机可读介质被设置为存储用于所述处理器执行以下步骤的程序代码：
获取待处理表皮单元和缝隙宽度阈值，其中，待处理表皮单元为建筑幕墙的建筑表皮面板，缝隙宽度阈值为目标对象设置的使用模板对待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度；
确定任意两个待处理表皮单元之间的形态差异参数，并基于形态差异参数对待处理表皮单元进行聚类；
为每个聚类生成对应的备选模板；
在每个聚类中，利用备选模板对当前聚类的待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于缝隙宽度阈值的情况下，将备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
可选地，本实施例中的具体示例可以参考上述实施例中所描述的示例，本实施例在此不再赘述。
本申请实施例在具体实现时，可以参阅上述各个实施例，具有相应的技术效果。
可以理解的是，本文描述的这些实施例可以用硬件、软件、固件、中间件、微码或其组合来实现。对于硬件实现，处理单元可以实现在一个或多个专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuits，ASIC)、数字信号处理器(Digital Signal Processing，DSP)、数字信号处理设备(DSP Device，DSPD)、可编程逻辑设备(Programmable LogicDevice，PLD)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)、通用处理器、控制器、微控制器、微处理器、用于执行本申请所述功能的其它电子单元或其组合中。
对于软件实现，可通过执行本文所述功能的单元来实现本文所述的技术。软件代码可存储在存储器中并通过处理器执行。存储器可以在处理器中或在处理器外部实现。
本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统、装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本申请各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。
所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (10)
1.一种曲面建筑的三角表皮面板模板化方法，其特征在于，包括：
获取待处理表皮单元和缝隙宽度阈值，其中，所述待处理表皮单元为建筑幕墙的建筑表皮面板，所述缝隙宽度阈值为目标对象设置的使用模板对所述待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度；
确定任意两个所述待处理表皮单元之间的形态差异参数，并基于所述形态差异参数对所述待处理表皮单元进行聚类；
为每个聚类生成对应的备选模板；
在每个聚类中，利用所述备选模板对当前聚类的所述待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于所述缝隙宽度阈值的情况下，将所述备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定任意两个所述待处理表皮单元之间的形态差异参数包括：
确定由第一表皮单元的中心点指向第二表皮单元的中心点的平移变换；
按照所述平移变换移动所述第一表皮单元，以使所述第一表皮单元与所述第二表皮单元的中心点重合；
平移变换后，确定所述第一表皮单元中与主龙骨平行的第一龙骨边和所述第二表皮单元中与所述主龙骨平行的第二龙骨边；
将所述第一龙骨边与所述第二龙骨边关联为对应边的旋转变换确定为目标旋转变换，并按照所述目标旋转变换确定所述第一表皮单元与所述第二表皮单元之间的其他两两关联的对应边；
确定所有所述对应边的长度差的平方的均值，得到所述第一表皮单元与所述第二表皮单元之间的所述形态差异参数。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将所述第一龙骨边与所述第二龙骨边关联为对应边的旋转变换确定为目标旋转变换包括：
确定每个所述旋转变换中，所述第一龙骨边对应的向量与所述第二龙骨边对应的向量的向量积和数量积，其中，所述第一龙骨边对应的向量的方向为从所述第一龙骨边的第一端点指向第二端点的方向，所述第一端点为所述第一龙骨边与所述第一表皮单元剩余两边中的较长边相接形成的，所述第二端点为所述第一龙骨边与所述第一表皮单元剩余两边中的较短边相接形成的；所述第二龙骨边对应的向量的方向为从所述第二龙骨边的第三端点指向第四端点的方向，所述第三端点为所述第二龙骨边与所述第二表皮单元剩余两边中的较长边相接形成的，所述第四端点为所述第二龙骨边与所述第二表皮单元剩余两边中的较短边相接形成的；
将所述向量积为0且所述数量积大于0的旋转变换确定为所述目标旋转变换。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，为每个聚类生成对应的备选模板包括：
为每个聚类生成对应的标准三角形；
在所述缝隙宽度阈值内确定第一偏移距离，并将所述标准三角形向内偏移所述第一偏移距离，得到所述备选模板。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，为每个聚类生成对应的标准三角形包括：
确定所述当前聚类中每个三角形的第一边、第二边以及第三边，其中，所述第一边为与主龙骨平行的边，所述第二边和所述第三边为按照边长从长到短的顺序依次选取的边；
利用所述当前聚类中每个三角形的所述第一边、所述第二边以及所述第三边，生成所述标准三角形的第一标准边、第二标准边以及第三标准边，其中，所述第一标准边的长度为所述当前聚类中所有三角形的所述第一边的长度的均值，所述第二标准边的长度为所述当前聚类中所有三角形的所述第二边的长度的均值，所述第三标准边的长度为所述当前聚类中所有三角形的所述第三边的长度的均值。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，利用所述备选模板对当前聚类的所述待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于所述缝隙宽度阈值的情况下，将所述备选模板确定为当前聚类对应的可用模板包括：
在所述缝隙宽度阈值内确定第二偏移距离，并将所述标准三角形向外偏移所述第二偏移距离，得到所述当前聚类对应的最大偏移三角形，其中，所述第一偏移距离与所述第二偏移距离的和为所述缝隙宽度阈值的二分之一；
将所述当前聚类中的每个三角形逐一与所述备选模板和所述最大偏移三角形进行对比；
在所有三角形均无交集地包围所述备选模板，且所述最大偏移三角形均无交集地包围所有三角形的情况下，将所述备选模板确定为所述当前聚类对应的所述可用模板。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在所述当前聚类中的三角形与所述备选模板或所述最大偏移三角形存在交集的情况下，将所述当前聚类确定为错误聚类；
对所述错误聚类进行迭代聚类，直至任一子聚类中的所有三角形均与所述子聚类对应的所述备选模板和所述最大偏移三角形无交集的情况下，将每个所述子聚类的所述备选模板确定为与所述子聚类对应的所述可用模板。
8.一种曲面建筑的三角表皮面板模板化装置，其特征在于，包括：
数据获取模块，用于获取待处理表皮单元和缝隙宽度阈值，其中，所述待处理表皮单元为建筑幕墙的建筑表皮面板，所述缝隙宽度阈值为目标对象设置的使用模板对所述待处理表皮单元进行替换后，各表皮单元之间的最大缝隙宽度；
差异量化及聚类模块，用于确定任意两个所述待处理表皮单元之间的形态差异参数，并基于所述形态差异参数对所述待处理表皮单元进行聚类；
生成模块，用于为每个聚类生成对应的备选模板；
优化模块，用于在每个聚类中，利用所述备选模板对当前聚类的所述待处理表皮单元进行替换，并在替换后的表皮单元无重叠且替换后的表皮单元之间的缝隙宽度小于或等于所述缝隙宽度阈值的情况下，将所述备选模板确定为当前聚类对应的可用模板。
9.一种电子设备，包括存储器、处理器、通信接口及通信总线，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述存储器、所述处理器通过所述通信总线和所述通信接口进行通信，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至7任一项所述的方法的步骤。
10.一种具有处理器可执行的非易失的程序代码的计算机可读介质，其特征在于，所述程序代码使所述处理器执行所述权利要求1至7任一所述方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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