CN114936408B - 一种用于异型曲面的四角锥网架参数化建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于异型曲面的四角锥网架参数化建模方法，包括以下步骤：1)将所需要的网架典型单元上弦部分尺寸输入Grasshopper三维建模软件；2)生成深化过的上弦部分模型；3)生成优化后的上弦杆件模型；4)获取网架下弦部分模型的节点初步定位；5)将步骤4)中的节点使用以下方式进行优化：6)将上述生成的上弦部分模型、下弦部分模型和斜腹杆模型分别进行合理性辨别，输出合理性欠缺的杆件，并显示这些杆件的角度；7)对合理性欠缺的杆件进行针对性调整：8)输出最终空间四角锥网架模型。本发明方法以四角锥单元的长宽高为基本参数，可快速生成改进优化后的空间四角锥网架三维模型，且生成的模型可直接导入结构分析软件进行分析。

Description

一种用于异型曲面的四角锥网架参数化建模方法

技术领域

本发明涉及建筑结构辅助设计技术，尤其涉及一种用于异型曲面的四角锥网架参数化建模方法。

背景技术

随着我国综合实力的提升及建筑科学技术的不断发展，异型曲面的大跨度屋盖造型越来越受到当代建筑师的青睐，这也给结构设计的创新和发展带来了新的挑战。在众多空间结构中，网架结构相较其他结构对复杂的曲面有更好的适应性，而四角锥网架相较其他网架形式在结构整体刚度和稳定性上有更大的优势，但当曲面曲率较大时，常规结构分析软件已无法建模或建模功能不足导致网架杆件夹角及长度难以满足规范要求，这给结构分析计算带来了极大的困难。

Grasshopper是一款基于Rhino的可视化编程语言的三维建模软件，Grasshopper的最大的特点有两个：一是可以通过输入指令，使计算机根据拟定的算法自动生成结果，算法结果不限于模型，二是通过编写算法程序，机械性的重复操作及大量具有逻辑的演化过程可被计算机的循环运算取代，方案调整也可通过参数的修改直接得到修改结果。传统参数化建模可快速生成常规曲面的网架模型，但无法对杆件角度进行规范性的判别及优化，即建模导入结构计算分析软件后仍需大量的手动调整，导致参数化建模效率并不显著。

本发明采用Grasshopper编制异型曲面下空间四角锥网架参数化设计方法，不仅能快速建立符合复杂异型曲面外形的四角锥网架结构，还可以自动循环进行杆件筛选并优化已有模型，得到满足规范要求的四角锥网架模型后可直接导入结构分析软件计算，克服了传统参数化建模方法中部分杆件快速建立后不符合规范要求仍需手动反复调整的缺陷，为异型曲面的四角锥体系网架建模设计提供了一套兼具准确性和灵活性的方法，显著提高设计人员的建模准确性和分析效率。

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，提供一种用于异型曲面的四角锥网架参数化建模方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于异型曲面的四角锥网架参数化建模方法，包括以下步骤：

1)将所需要的网架典型单元上弦部分尺寸输入Grasshopper三维建模软件，根据已有的异型曲面以及曲面上一点对整个曲面进行均匀的划分，形成初步的上弦部分模型；

2)输入杆件间距阈值，在异型曲面边缘不规则处按间距原则，将初步生成的上弦部分模型中的不符合要求的杆件删除，生成深化过的上弦部分模型；

3)将上弦部分模型中杆件删除后所滞留下来的多余节点删除，并组合所有上弦杆件，生成优化后的上弦杆件模型；

4)用上弦杆件模型中的上弦曲线将异型曲面分割成若干个单体曲面，输入所需四角锥网架的高，在Grasshopper三维建模软件中按照所输入的四角锥网架的高将各个曲面沿法线方向拉伸形成一个正四角锥，自动提取四角锥的侧棱作为网架模型的斜腹杆；并将模型中的四角锥顶点提取出来，作为网架下弦部分模型的节点初步定位；

5)将步骤4)中的节点使用以下方式进行优化：

根据相对位置坐标调整横纵双向上同一批相邻四棱锥单元的下弦节点，使相邻下弦节点间连接形成的下弦杆不会产生角度偏移影响结构传力性能，调整形成的下弦节点位置，优化节点形成的杆件角度，连接节点形成优化后的下弦部分模型，并将节点与对应的上弦单元连接形成优化后的斜腹杆模型；

6)将上述生成的上弦部分模型、下弦部分模型和斜腹杆模型分别进行合理性辨别，按规范或给定的角度区间对杆件之间的角度进行判定，输出合理性欠缺的杆件，并显示这些杆件的角度；

7)根据合理性欠缺的杆件的角度值，对合理性欠缺的杆件进行针对性调整，分为杆件调整和参数调整：

7.1)杆件调整：将上下弦模型输出并单独移动调节不合理杆件，调整后重复步骤6)至合理性辨别判定输出为“空”；

7.2)参数调整：通过调节步骤1)、2)、4)中的参数，整体调节四角锥网架至合理性辨别判定输出为“空”；

其中，杆件调整为单体杆件调整，参数调整为整体杆件调整；

8)输出最终空间四角锥网架模型。

本发明产生的有益效果是：

1、本方法以四角锥单元的长宽高为基本参数，可快速生成改进优化后的空间四角锥网架三维模型，且生成的模型可直接导入结构分析软件进行分析。

2、本发明通过参数化逻辑运算，独特地提供了内置杆件筛选优化及角度检查的功能，即自动筛选出距离过近杆件后删除多余杆件，继而对剩余杆件夹角进行检查及优化，保证四角锥网架的上下弦杆及斜腹杆之间角度合乎规范或人为给定的区间要求，也利于保证杆件施工质量。

3、本发明方法为异型曲面的四角锥体系网架建模提供了一套兼具准确性、灵活性及施工便利性的方法，显著提高了建模准确性及结构分析效率。

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Grasshopper流程图；

图3是本发明实施例的异型曲面图；

图4是本发明实施例的初步上弦部分杆件模型；

图5是本发明实施例的优化后上弦部分杆件模型；

图6是本发明实施例的初步斜腹杆部分杆件模型；

图7是本发明实施例的下弦部分杆件节点优化前后对比图；

图8是本发明实施例的优化后下弦部分杆件模型；

图9是本发明实施例的优化后斜腹杆部分杆件模型；

图10是本发明实施例的初步四角锥网架模型；

图11是本发明实施例的初步组合模型不合理杆件部分示意图；

图12是本发明实施例的最终四角锥网架模型。

图中，深色杆件为弦杆、浅灰色杆件为斜腹杆。

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。

如图1所示，一种用于异型曲面的四角锥网架参数化建模方法，包括以下步骤：

1)将所需要的网架典型单元上弦部分尺寸输入Grasshopper三维建模软件，根据已有的异型曲面以及曲面上一点对整个曲面进行均匀的划分，形成初步的上弦部分模型；

2)输入杆件间距阈值，在异型曲面边缘不规则处按间距原则，将初步生成的上弦部分模型中的不符合要求的杆件删除，生成深化过的上弦部分模型；

3)将上弦部分模型中杆件删除后所滞留下来的多余节点删除，并组合所有上弦杆件，生成优化后的上弦杆件模型；

4)用上弦杆件模型中的上弦曲线将异型曲面分割成若干个单体曲面，输入所需四角锥网架的高，在Grasshopper三维建模软件中按照所输入的四角锥网架的高将各个曲面沿法线方向拉伸形成一个正四角锥，自动提取四角锥的侧棱作为网架模型的斜腹杆；并将模型中的四角锥顶点提取出来，作为网架下弦部分模型的节点初步定位；

5)将步骤4)中的节点使用以下方式进行优化：

根据相对位置坐标调整横纵双向上同一批相邻四棱锥单元的下弦节点，使相邻下弦节点间连接形成的下弦杆不会产生角度偏移影响结构传力性能，调整形成的下弦节点位置，优化节点形成的杆件角度，连接节点形成优化后的下弦部分模型，并将节点与对应的上弦单元连接形成优化后的斜腹杆模型；

6)将上述生成的上弦部分模型、下弦部分模型和斜腹杆模型分别进行合理性辨别，按规范或给定的角度区间对杆件之间的角度进行判定，输出合理性欠缺的杆件，并显示这些杆件的角度；

7)根据合理性欠缺的杆件的角度值，对合理性欠缺的杆件进行针对性调整，分为杆件调整和参数调整：

7.1)杆件调整：将上下弦模型输出并单独移动调节不合理杆件，调整后重复步骤6)至合理性辨别判定输出为“空”；

7.2)参数调整：通过调节步骤1)、2)、4)中的参数，整体调节四角锥网架至合理性辨别判定输出为“空”；

8)输出最终空间四角锥网架模型。

一个具体实施例：

图3是实施例中的异型曲面图，将所需要的网架典型单元上弦部分尺寸输入，此例长宽尺寸均定为3600mm，选取已有的异型曲面以及曲面上一点(此例定为曲面分界线中点)对整个曲面进行均匀的划分，形成初步的上弦部分模型，如图4所示；

输入杆件间距阈值，此例定为1000mm，在异型曲面边缘不规则处按间距原则，将初步生成的上弦部分模型中的部分杆件删除，生成优化过的更加合理的上弦模型。上述杆件删除后滞留下来的多余节点算法自动计算删除后，组合所有上弦杆件生成最终的上弦杆件模型，如图5所示；

用上述生成的上弦曲线分割曲面成若干个单体曲面，输入所需四角锥网架的高，此例定为2700mm，程序会按照所输入的尺寸将各个曲面沿法线方向拉伸形成一个正四角锥，提取四角锥的侧棱做为网架的斜腹杆部分初步模型,如图6所示；

将4)中的四角锥的顶点提取出来，按照一定的规则优化形成更加合理的节点，优化前后对比图如图7所示，图中黑色节点为优化前，灰色为优化后；

连接优化后的节点形成所需的网架下弦部分,如图8所示；

连接优化后的节点和上弦单元形成优化后的斜腹杆部分模型，如图9所示；

组合上述生成的上下弦部分杆件和斜腹杆，形成初步的四角锥网架模型，如图10所示。

将上述生成的上下弦部分和斜腹杆部分分别输入杆件合理性辨别模块，会将杆件之间的角度按规范要求或人为给定区间进行判定，此例按规范要求夹角不得小于30°，输出合理性欠缺的杆件，如图11所示；

通过杆件调节和参数调节至合理性辨别模块输出为空，输出最终的四角锥网架模型，如图12所示。

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 (2)

1.一种用于异型曲面的四角锥网架参数化建模方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将所需要的网架典型单元上弦部分尺寸输入Grasshopper三维建模软件，根据已有的异型曲面以及曲面上一点对整个曲面进行均匀的划分，形成初步的上弦部分模型；

2)输入杆件间距阈值，在异型曲面边缘不规则处按间距原则，将初步生成的上弦部分模型中的不符合要求的杆件删除，生成深化过的上弦部分模型；

3)将上弦部分模型中杆件删除后所滞留下来的多余节点删除，并组合所有上弦杆件，生成优化后的上弦杆件模型；

4)用上弦杆件模型中的上弦曲线将异型曲面分割成若干个单体曲面，输入所需四角锥网架的高，在Grasshopper三维建模软件中按照所输入的四角锥网架的高将各个曲面沿法线方向拉伸形成一个正四角锥，自动提取四角锥的侧棱作为网架模型的斜腹杆；并将模型中的四角锥顶点提取出来，作为网架下弦部分模型的节点初步定位；

5)将步骤4)中的节点使用以下方式进行优化：

根据相对位置坐标调整横纵双向上同一批相邻四棱锥单元的下弦节点，使相邻下弦节点间连接形成的下弦杆不会产生角度偏移影响结构传力性能，调整形成的下弦节点位置，优化节点形成的杆件角度，连接节点形成优化后的下弦部分模型，并将节点与对应的上弦单元连接形成优化后的斜腹杆模型；

6)将上述生成的上弦部分模型、下弦部分模型和斜腹杆模型分别进行合理性辨别，按规范或给定的角度区间对杆件之间的角度进行判定，输出合理性欠缺的杆件，并显示这些杆件的角度；

7)根据合理性欠缺的杆件的角度值，对合理性欠缺的杆件进行针对性调整，包括杆件调整和参数调整：

8)输出最终空间四角锥网架模型。

2.根据权利要求1所述的一种用于异型曲面的四角锥网架参数化建模方法，其特征在于，所述步骤7)中对合理性欠缺的杆件进行针对性调整，具体如下：

7.1)杆件调整：将上下弦模型输出并单独移动调节不合理杆件，调整后重复步骤6)至合理性辨别判定输出为“空”；

7.2)参数调整：通过调节步骤1)、2)、4)中的参数，整体调节四角锥网架至合理性辨别判定输出为“空”；

其中，杆件调整为单体杆件调整，参数调整为整体杆件调整。