CN115114699A - 一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其先利用参数化设计软件Grasshopper构建壳体建筑参数逆吊算法模型，然后对壳体建筑参数逆吊算法模型输入边界曲线，然后将所述边界曲线转换成mesh网格，之后从自然结构中提取所述特定结构的网格肌理中的微结构，对mesh网格进行参数调整以生成具有微结构特征的mesh网格，然后利用力学模拟工具对步骤S4中的壳体建筑参数逆吊算法模型的力学性能和加工性能进行模拟，最后利用网格实体化软件对最终的壳体建筑参数逆吊算法模型进行实体化输出。该方法可以实现构建形态复杂的壳体结构，使得壳体结构的设计空间不受限制，且在实现壳体结构形态创新的同时还可提升壳体结构力学性能与建造性能。
Description
技术领域
本申请涉及大跨建筑壳体结构形态设计的技术领域，尤其是涉及一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法及存储介质。
背景技术
大跨建筑是人类工程中挑战技术与艺术的代表性建筑类型，不仅在世界工程史中占有重要地位，还是影响范围广、技术要求高、多学科综合性强的建筑类别之一。目前的大跨建筑主要以壳体结构为主，壳体结构是一种优良的空间曲面结构，能够形成美观坚固的大跨度空间，在建筑设计和工业设计领域有着广泛的应用，由于壳体的厚度远小于壳体的其他尺寸，因此能以较小的构件厚度形成承载能力高、刚度大的承重结构，兼承重结构和围护结构的双重作用。但是，目前的壳体结构的网格几何形式较为固定，主要以正交网格、三角形网格等为主，其结构形态创新的空间有限，且目前的设计方法较难实现形态复杂的壳体结构形态，限制了设计空间。
发明内容
针对上述目前的壳体结构的网格几何形式较为固定，主要以正交网格、三角形网格等为主，其结构形态创新的空间有限，且目前的设计方法较难实现形态复杂的壳体结构形态，限制了设计空间的问题，本申请提出了一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法及存储介质。
第一方面，本申请提出了一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，包括以下步骤：
S1：利用参数化设计软件Grasshopper构建壳体建筑参数逆吊算法模型；
S2：从设计任务中提取几何边界参数，利用所述几何边界参数构建边界曲线，将所述边界曲线输入步骤S1中的壳体建筑参数逆吊算法模型中；
S3：利用Grasshopper将所述边界曲线转换成mesh网格，对所述mesh网格进行参数调节，所述参数调节包括疏密程度调节和均质程度调节，然后将参数调节后的mesh网格输入步骤S2中的壳体建筑参数逆吊算法模型中；
S4：从自然结构中提取特定结构的网格肌理，然后提取所述特定结构的网格肌理中的微结构，对步骤S3中的mesh网格进行参数调整以生成具有微结构特征的mesh网格，然后将具有微结构特征的mesh网格输入步骤S3中的壳体建筑参数逆吊算法模型中；
S5：利用Grasshopper中的力学模拟工具对步骤S4中的壳体建筑参数逆吊算法模型的力学性能和加工性能进行性能优化，获得最终的壳体建筑参数逆吊算法模型；
S6：利用Grasshopper中的网格实体化工具对最终的壳体建筑参数逆吊算法模型进行实体化输出。
通过采用上述技术方案，先利用参数化设计软件Grasshopper构建壳体建筑参数逆吊算法模型，然后对壳体建筑参数逆吊算法模型输入边界曲线，然后将所述边界曲线转换成mesh网格，之后从自然结构中提取所述特定结构的网格肌理中的微结构，对mesh网格进行参数调整以生成具有微结构特征的mesh网格，然后利用力学模拟工具对步骤S4中的壳体建筑参数逆吊算法模型的力学性能和加工性能进行模拟，最后利用网格实体化软件对最终的壳体建筑参数逆吊算法模型进行实体化输出。该方法可以实现构建形态复杂的壳体结构，使得壳体结构的设计空间不受限制，结构形态创新的空间非常大。该方法将壳体结构形态设计与仿生学相较叉，建构壳体结构逆吊生形模型，从边界、网格、微结构三个设计层级的抽象、提取与调控，生成结构性能合理且结构形态创新的大跨壳体结构。通过这种设计方法，突破大跨壳体建筑的研究与创作桎梏，激活新材料、新技术、新美学等领域交叉，为未来大跨建筑实践带来新的生命力。其将新的设计范式与壳体结构形态设计建立连接，在实现壳体结构形态创新的同时，可提升壳体结构力学性能与建造性能。
优选的，所述步骤S1具体包括：
S11：利用参数化设计软件Grasshopper的插件Kangaroo构建壳体建筑参数逆吊算法模型；
S12：将自定义的自由曲面边界线导入所述壳体建筑参数逆吊算法模型并封闭成曲面，将曲面网格化，然后对网格化后的曲面进行仿真模拟，以得到平衡稳定的自由曲面；
S13：确定壳体结构设计参变量，将所述壳体结构设计参变量输入所述平衡稳定的自由曲面并计算生成壳体建筑参数逆吊算法模型。
优选的，所述S2具体包括：
S21：从设计任务的场地条件中提取主要几何边界参数；
S22：利用几何边界参数对壳体结构设计参变量中的边界曲线进行编辑；
S23：将编辑后的边界曲线输入步骤S1中壳体建筑参数逆吊算法模型中。
优选的，所述S3具体包括：
S31：对步骤S2中的壳体建筑参数逆吊算法模型设定结构网格布置方式；
S32：利用Grasshopper并采用正交网格编辑方法或者自由均质三角形网格编辑方法对所述编辑后的边界曲线进行拟合，得到mesh网格；
S33：调节所述mesh网格的疏密程度和均质程度，以得到满足设计要求的G-grid网格的mesh网格，然后将所述满足设计要求的G-grid网格的mesh网格输入步骤S2中的壳体建筑参数逆吊算法模型。
优选的，所述S4具体包括：
S41：从自然结构中提取特定结构的网格肌理，然后提取所述特定结构的网格肌理中的微结构；
S42：利用Grasshopper中的插件Weaverbird对步骤S3中的mesh网格进行参数调整以生成具有微结构特征的mesh网格，然后将具有微结构特征的mesh网格输入步骤S3中的壳体建筑参数逆吊算法模型中。
优选的，所述S5具体包括：
S51：利用Grasshopper中的插件Karamba 3D对步骤S4中的壳体建筑参数逆吊算法模型的力学性能进行模拟；
S52：利用Karamba 3D对步骤S51中的壳体建筑参数逆吊算法模型的加工性能进行模拟；
S53：采用遗传优化搜索算法以力学性能和加工性能作为指标，对壳体建筑参数逆吊算法模型进行性能优化，以获得最终的壳体建筑参数逆吊算法模型。
优选的，所述力学性能包括利用率、偏移距离、最大弯矩、各变量最大值、各变量最小值以及各变量经济范围，所述加工性能包括结构构件与表皮构件的加工范围、构件的标准化加工情况、不同建筑材料的加工方式与加工范围。
优选的，在所述步骤S6中，所述网格实体化工具包括Grasshopper中的运算器MultiPipe和插件Kangaroo中的运算器Solver。
优选的，所述S6具体包括：
S61：利用运算器Solver对最终的壳体建筑参数逆吊算法模型运算生成三维纯受压壳体结构网格；
S62：利用运算器MultiPipe将三维纯受压壳体结构网格进行实体化。
第二方面，本申请还提出了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述程序被处理器执行时实现如第一方面所述的计算方法。
本申请提出了一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其先利用参数化设计软件Grasshopper构建壳体建筑参数逆吊算法模型，然后对壳体建筑参数逆吊算法模型输入边界曲线，然后将所述边界曲线转换成mesh网格，之后从自然结构中提取所述特定结构的网格肌理中的微结构，对mesh网格进行参数调整以生成具有微结构特征的mesh网格，然后利用力学模拟工具对步骤S4中的壳体建筑参数逆吊算法模型的力学性能和加工性能进行模拟，最后利用网格实体化软件对最终的壳体建筑参数逆吊算法模型进行实体化输出。该方法可以实现构建形态复杂的壳体结构，使得壳体结构的设计空间不受限制，结构形态创新的空间非常大。该方法将壳体结构形态设计与仿生学相较叉，建构壳体结构逆吊生形模型，从边界、网格、微结构三个设计层级的抽象、提取与调控，生成结构性能合理且结构形态创新的大跨壳体结构。通过这种设计方法，突破大跨壳体建筑的研究与创作桎梏，激活新材料、新技术、新美学等领域交叉，为未来大跨建筑实践带来新的生命力。其将新的设计范式与壳体结构形态设计建立连接，在实现壳体结构形态创新的同时，可提升壳体结构力学性能与建造性能。
附图说明
包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本申请的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。
图1是本申请一个实施例中的壳体建筑微结构仿生参数化设计方法的步骤S1的具体流程示意图。
图2是本申请一个实施例中构建建构自由曲面的示意图。
图3是本申请一个实施例中的壳体结构设计参变量的示意图。
图4是本申请一个实施例中从自然结构中提取微结构并运用在壳体建筑微结构仿生参数化设计方法的示意图。
图5是适于用来实现本申请实施例的电子设备的计算机系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
图1示出了可以应用本申请实施例的壳体建筑微结构仿生参数化设计方法的流程图，该方法具体包括以下步骤：
S1：利用参数化设计软件Grasshopper构建壳体建筑参数逆吊算法模型；
在一个具体的实施例中，步骤S1具体包括：
S11：利用参数化设计软件Grasshopper的插件Kangaroo构建壳体建筑参数逆吊算法模型；
在具体示例中，参照图2，采用参数逆吊找形法并以悬链几何原理为基础，利用在Rhinoceros平台上运行的参数化设计软件Grasshopper中的物理模拟插件Kangaroo中的运算器“Solver”，建构自由曲面。
逆吊找形法是利用了柔性结构在特定荷载作用下只受拉力的特点，确定结构形状，再通过对结构模型固化翻转，获得在重力荷载作用下的纯压结构，且受力均匀合理。从结构形态学的角度看，逆吊实验法的本质是实现零弯矩结构(仍存在弯曲次应力)，即通过简单的法向应力(压力)来改变外力的方向。悬索(suspension cable)向上翻转则形成索拱(funicular arch)。悬索只能产生拉应力，在其本身自重的作用下，呈现悬链线(catenary)的形状；索拱只产生与原悬索拉应力相同值的压应力。可知，相对于某种特定荷载条件下的拱的理想状态，就是在同一荷载下的相应的索拉力线形态。逆吊找形法正是找寻结构形与态、材料、环境完美结合的最佳途径。)
在模型的设计当中，选用由Daniel Piker及团队为Rhino及Grasshopper平台制作的物理力学模拟插件Kangaroo。Kangaroo是模拟物体的交互仿真、结构优化及找形的物理引擎，其核心是模拟粒子系统，粒子具有质量、位置及速度，能够对各种力做出反应。通过对粒子加载不同方向的荷载、设置点与点之间的引力或斥力、设定固定点等方式，模拟真实世界中的材料及物体的力学表现。虽然专业的结构力学计算软件如Ansys、Matlab等具有精确性及专业性，但计算时间长，对使用者的结构计算知识要求高，更适用于结构力学分析及结构优化计算；而Kangaroo具有快速的可控性、反馈性及可视性，对于方案初期的建筑形态构思有重大的意义，抓住最本质的技术，可确保方案是在结构合理的基础上进行发展。
S12：将自定义的自由曲面边界线导入所述壳体建筑参数逆吊算法模型并封闭成曲面，将曲面网格化，然后对网格化后的曲面进行仿真模拟，以得到平衡稳定的自由曲面；
在具体示例中，初始导入自定义的自由曲面边界线(外部边界、内部孔洞)，并封闭成曲面；将曲面网格化(网格布置)，所得出网格上每一个节点都相当于系统中的粒子，是仿真模拟的对象；将一部分粒子(网格点)设置为锚点，即为自由曲面的锚固方式，不同的锚固方式将生成完全不同的曲面形态；对除锚点外的各个粒子(网格点)施加竖向力(结构自身重力及荷载)，设置粒子间的引力与斥力(材料的属性，如弹性模量等)，这里暂不考虑水平风荷载的作用；考虑到结构表皮图案，输入网格单元的纹样，可以更为丰富曲面形态；一切就绪之后就可以进行仿真模拟，各粒子的坐标在竖向及水平方向发生改变，经过无数次迭代后得出平衡稳定的自由曲面。
S13：确定壳体结构设计参变量，将所述壳体结构设计参变量输入所述平衡稳定的自由曲面并计算生成壳体建筑参数逆吊算法模型。
在具体示例中，参照图3，壳体结构设计参变量包括B-边界、G-网格、S-锚固、L-荷载、M-材料，将上述壳体结构设计参变量输入所述平衡稳定的自由曲面并计算生成壳体建筑参数逆吊算法模型。
S2：从设计任务中提取几何边界参数，利用所述几何边界参数构建边界曲线，将所述边界曲线输入步骤S1中的壳体建筑参数逆吊算法模型中；
在一个具体的实施例中，S2具体包括：
S21：从设计任务的场地条件中提取主要几何边界参数；
在具体示例中，从设计任务中的场地条件、建筑功能(体育建筑、观演建筑、文化建筑、交通建筑等)等提取主要几何边界参数(空间跨度、空间高度、空间平面边界、空间剖面轮廓)。
S22：利用几何边界参数对壳体结构设计参变量中的边界曲线进行编辑；
在具体示例中，运用Grasshopper中的运算器Nurbs将几何边界参数编辑形成建筑设计参数B-边界中的边界曲线。
S23：将编辑后的边界曲线输入步骤S1中壳体建筑参数逆吊算法模型中；如图4的c部分所示。
S3：利用Grasshopper将所述边界曲线转换成mesh网格，对所述mesh网格进行参数调节，所述参数调节包括疏密程度调节和均质程度调节，然后将参数调节后的mesh网格输入步骤S2中的壳体建筑参数逆吊算法模型中；
在一个具体的实施例中，S3具体包括：
S31：对步骤S2中的壳体建筑参数逆吊算法模型设定结构网格布置方式；
在具体示例中，根据建筑师对力流的控制、对材料的运用及对美学的把控，设定多方案结构网格布置方式(如常见的正交细分、三角形细分、六边形细分或自由、编织等布置方式)；
S32：利用Grasshopper并采用正交网格编辑方法或者自由均质三角形网格编辑方法对所述编辑后的边界曲线进行拟合，得到mesh网格；
举例正交网格编辑方法，将Grasshopper中保存边界信息的运算器“Curve”连接运算器“Mesh brep”，同时输入运算器“Settings(Custom)”，通过网格的最小数量、最大数量、最小间距或最大间距等参数调节，可以得到拟合前面边界曲线的正交mesh网格；
举例自由均质三角形网格编辑方法，将保存边界信息的运算器“Curve”连接运算器“TriRemesh”，通过网格间距长度参数、计算迭代参数的调节，可以得到拟合前面边界曲线的自由均质三角形mesh网格；
S33：调节所述mesh网格的疏密程度和均质程度，以得到满足设计要求的G-grid网格的mesh网格，然后将所述满足设计要求的G-grid网格的mesh网格输入步骤S2中的壳体建筑参数逆吊算法模型。如图4的d部分所示。
S4：从自然结构中提取特定结构的网格肌理，然后提取所述特定结构的网格肌理中的微结构，对步骤S3中的mesh网格进行参数调整以生成具有微结构特征的mesh网格，然后将具有微结构特征的mesh网格输入步骤S3中的壳体建筑参数逆吊算法模型中；
在一个具体的实施例中，S4具体包括：
S41：从自然结构中提取特定结构的网格肌理，然后提取所述特定结构的网格肌理中的微结构；
在具体示例中，参照图4的a部分，从德国生物学家、艺术家恩斯特·海克尔(ErnstHaeckel)在《自然的艺术》(Kunstformen der Natur，1904)手绘图中，选取了一种海洋原生动物——放射虫(Radiolaria)，其由二氧化硅制成的放射虫矿物骨架复杂而精美，其由包含细胞核的内质和充满液泡的外质共同构成的细胞结构利于放射虫保持漂浮状态。根据图像观察，发现其内部为带圆形孔洞的球形结构，网格呈泰森多边形网格，在此基础上提取特定结构的网格肌理，然后提取特定结构的网格肌理中的微结构，以进行几何抽象。
S42：利用Grasshopper中的插件Weaverbird对步骤S3中的mesh网格进行参数调整以生成具有微结构特征的mesh网格，然后将具有微结构特征的mesh网格输入步骤S3中的壳体建筑参数逆吊算法模型中。
在具体示例中，利用Grasshopper中的插件Weaverbird中的运算器“Weaverbird’sSierpinski Triangles Subdivison”、运算器“Weaverbird’s Constant Quads SplitSubdivision”等对mesh网格进行编辑以生成具有微结构特征的mesh网格。
如图4的b部分所示，具有微结构特征的mesh网格可设计成方案一、方案二、方案三这三种微结构单元，然后将具有微结构特征的mesh网格输入步骤S3中的壳体建筑参数逆吊算法模型中。
S5：利用Grasshopper中的力学模拟工具对步骤S4中的壳体建筑参数逆吊算法模型的力学性能和加工性能进行性能优化，获得最终的壳体建筑参数逆吊算法模型；
在一个具体的实施例中，S5具体包括：
S51：利用Grasshopper中的插件Karamba 3D对步骤S4中的壳体建筑参数逆吊算法模型的力学性能进行模拟；
在具体示例中，利用Grasshopper中的力学模拟插件Karamba 3D对壳体结构的力学性能进行模拟，输出结构性能，所述力学性能包括利用率、偏移距离、最大弯矩、各变量最大值、各变量最小值以及各变量经济范围；
S52：利用Karamba 3D对步骤S51中的壳体建筑参数逆吊算法模型的加工性能进行模拟；
在具体示例中，利用Karamba 3D对步骤S51中的壳体建筑参数逆吊算法模型的加工性能进行模拟，输出数字建造加工表格，所述加工性能包括结构构件与表皮构件的加工范围、构件的标准化加工情况、不同建筑材料的加工方式与加工范围。
S53：采用遗传优化搜索算法以力学性能和加工性能作为指标，对壳体建筑参数逆吊算法模型进行性能优化，以获得最终的壳体建筑参数逆吊算法模型。
在具体示例中，采用遗传优化搜索算法以力学性能和加工性能作为指标，对所述壳体建筑结构形态优化目标值进行迭代计算，当迭代计算达到收敛时，迭代计算终止；迭代计算终止后，得到每一代的可行解，所述可行解对应着一个大跨建筑结构形态优化设计参量数值。
S6：利用Grasshopper中的网格实体化工具对最终的壳体建筑参数逆吊算法模型进行实体化输出。
在一个具体的实施例中，步骤S6中的网格实体化工具包括Grasshopper中的运算器MultiPipe和插件Kangaroo中的运算器Solver，并且S6具体包括：
S61：利用运算器Solver对最终的壳体建筑参数逆吊算法模型运算生成三维纯受压壳体结构网格；
在具体示例中，在BGMSLM模型中已输入各设计参数的情况下，运用Kangaroo中“Solver”运算器，生成三维纯受压壳体结构网格，如图4的e部分所示。
S62：利用运算器MultiPipe将三维纯受压壳体结构网格进行实体化。
在具体示例中，根据结构构件截面尺寸，将Grasshopper中的结构网格层级的运算器“mesh”输出网格线“Mesh Edges”，连接运算器“MultiPipe”，通过结构构件尺寸参数设置生成“Pipe SubD”，将壳体结构网格进行实体化。根据微结构仿生设计原型与性能要求，将微结构层级的运算器“mesh”输出网格线“Mesh Edges”，连接运算器“MultiPipe”，通过各参数设置生成“Pipe SubD”，进一步将壳体结构网格进行实体化。
下面参考图5，其示出了适于用来实现本申请实施例的电子设备的计算机系统100的结构示意图。图5示出的电子设备仅仅是一个示例，不应对本申请实施例的功能和使用范围带来任何限制。
如图5所示，计算机系统100包括中央处理单元(CPU)101，其可以根据存储在只读存储器(ROM)102中的程序或者从存储部分108加载到随机访问存储器(RAM)103中的程序而执行各种适当的动作和处理。在RAM 103中，还存储有系统100操作所需的各种程序和数据。CPU 101、ROM 102以及RAM 103通过总线104彼此相连。输入/输出(I/O)接口105也连接至总线104。
以下部件连接至I/O接口105：包括键盘、鼠标等的输入部分106；包括诸如液晶显示器(LCD)等以及扬声器等的输出部分107；包括硬盘等的存储部分108；以及包括诸如LAN卡、调制解调器等的网络接口卡的通信部分109。通信部分109经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器110也根据需要连接至I/O接口105。可拆卸介质111，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器110上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装入存储部分108。
特别地，根据本公开的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本公开的实施例包括一种计算机程序产品，其包括承载在计算机可读介质上的计算机程序，该计算机程序包含用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分109从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质111被安装。在该计算机程序被中央处理单元(CPU)101执行时，执行本申请的方法中限定的上述功能。
作为另一方面，本申请还提供了一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以是上述实施例中描述的电子设备中所包含的；也可以是单独存在，而未装配入该电子设备中。上述计算机可读存储介质承载有一个或者多个程序，当上述一个或者多个程序被该电子设备执行时，使得该电子设备执行时实现如图1中所示的方法。
需要说明的是，本申请所述的计算机可读存储介质可以是计算机可读信号介质或者计算机可读存储介质或者是上述两者的任意组合。计算机可读存储介质例如可以是——但不限于——电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、光纤、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。在本申请中，计算机可读存储介质可以是任何包含或存储程序的有形介质，该程序可以被指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用。而在本申请中，计算机可读的信号介质可以包括在基带中或者作为载波一部分传播的数据信号，其中承载了计算机可读的程序代码。这种传播的数据信号可以采用多种形式，包括但不限于电磁信号、光信号或上述的任意合适的组合。计算机可读的信号介质还可以是计算机可读存储介质以外的任何计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以发送、传播或者传输用于由指令执行系统、装置或者器件使用或者与其结合使用的程序。计算机可读存储介质上包含的程序代码可以用任何适当的介质传输，包括但不限于：无线、电线、光缆、RF等等，或者上述的任意合适的组合。
可以以一种或多种程序设计语言或其组合来编写用于执行本申请的操作的计算机程序代码，所述程序设计语言包括面向对象的程序设计语言—诸如Java、Smalltalk、C++，还包括常规的过程式程序设计语言—诸如“C”语言或类似的程序设计语言。程序代码可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络——包括局域网(LAN)或广域网(WAN)—连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。
附图中的流程图和框图，图示了按照本申请各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，该模块、程序段、或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地表示的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
以上描述了本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。措词‘包括’并不排除在权利要求未列出的元件或步骤的存在。元件前面的措词‘一’或‘一个’并不排除多个这样的元件的存在。在相互不同从属权利要求中记载某些措施的简单事实不表明这些措施的组合不能被用于改进。在权利要求中的任何参考符号不应当被解释为限制范围。
Claims (10)
1.一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：利用参数化设计软件Grasshopper构建壳体建筑参数逆吊算法模型；
S2：从设计任务中提取几何边界参数，利用所述几何边界参数构建边界曲线，将所述边界曲线输入步骤S1中的壳体建筑参数逆吊算法模型中；
S3：利用Grasshopper将所述边界曲线转换成mesh网格，对所述mesh网格进行参数调节，所述参数调节包括疏密程度调节和均质程度调节，然后将参数调节后的mesh网格输入步骤S2中的壳体建筑参数逆吊算法模型中；
S4：从自然结构中提取特定结构的网格肌理，然后提取所述特定结构的网格肌理中的微结构，对步骤S3中的mesh网格进行参数调整以生成具有微结构特征的mesh网格，然后将具有微结构特征的mesh网格输入步骤S3中的壳体建筑参数逆吊算法模型中；
S5：利用Grasshopper中的力学模拟工具对步骤S4中的壳体建筑参数逆吊算法模型的力学性能和加工性能进行性能优化，获得最终的壳体建筑参数逆吊算法模型；
S6：利用Grasshopper中的网格实体化工具对最终的壳体建筑参数逆吊算法模型进行实体化输出。
2.根据权利要求1所述的一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
S11：利用参数化设计软件Grasshopper的插件Kangaroo构建壳体建筑参数逆吊算法模型；
S12：将自定义的自由曲面边界线导入所述壳体建筑参数逆吊算法模型并封闭成曲面，将曲面网格化，然后对网格化后的曲面进行仿真模拟，以得到平衡稳定的自由曲面；
S13：确定壳体结构设计参变量，将所述壳体结构设计参变量输入所述平衡稳定的自由曲面并计算生成壳体建筑参数逆吊算法模型。
3.根据权利要求1所述的一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其特征在于，所述S2具体包括：
S21：从设计任务的场地条件中提取主要几何边界参数；
S22：利用几何边界参数对壳体结构设计参变量中的边界曲线进行编辑；
S23：将编辑后的边界曲线输入步骤S1中壳体建筑参数逆吊算法模型中。
4.根据权利要求1所述的一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其特征在于，所述S3具体包括：
S31：对步骤S2中的壳体建筑参数逆吊算法模型设定结构网格布置方式；
S32：利用Grasshopper并采用正交网格编辑方法或者自由均质三角形网格编辑方法对所述编辑后的边界曲线进行拟合，得到mesh网格；
S33：调节所述mesh网格的疏密程度和均质程度，以得到满足设计要求的G-grid网格的mesh网格，然后将所述满足设计要求的G-grid网格的mesh网格输入步骤S2中的壳体建筑参数逆吊算法模型。
5.根据权利要求1所述的一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其特征在于，所述S4具体包括：
S41：从自然结构中提取特定结构的网格肌理，然后提取所述特定结构的网格肌理中的微结构；
S42：利用Grasshopper中的插件Weaverbird对步骤S3中的mesh网格进行参数调整以生成具有微结构特征的mesh网格，然后将具有微结构特征的mesh网格输入步骤S3中的壳体建筑参数逆吊算法模型中。
6.根据权利要求1所述的一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其特征在于，所述S5具体包括：
S51：利用Grasshopper中的插件Karamba 3D对步骤S4中的壳体建筑参数逆吊算法模型的力学性能进行模拟；
S52：利用Karamba 3D对步骤S51中的壳体建筑参数逆吊算法模型的加工性能进行模拟；
S53：采用遗传优化搜索算法以力学性能和加工性能作为指标，对壳体建筑参数逆吊算法模型进行性能优化，以获得最终的壳体建筑参数逆吊算法模型。
7.根据权利要求6所述的一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其特征在于：所述力学性能包括利用率、偏移距离、最大弯矩、各变量最大值、各变量最小值以及各变量经济范围，所述加工性能包括结构构件与表皮构件的加工范围、构件的标准化加工情况、不同建筑材料的加工方式与加工范围。
8.根据权利要求1所述的一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其特征在于：在所述步骤S6中，所述网格实体化工具包括Grasshopper中的运算器MultiPipe和插件Kangaroo中的运算器Solver。
9.根据权利要求8所述的一种壳体建筑微结构仿生参数化设计方法，其特征在于：所述S6具体包括：
S61：利用运算器Solver对最终的壳体建筑参数逆吊算法模型运算生成三维纯受压壳体结构网格；
S62：利用运算器MultiPipe将三维纯受压壳体结构网格进行实体化。
10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述程序被处理器执行时实现如权利要求1-9中任一所述的方法。
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