CN117592173B - 一种异形分叉柱布置方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种异形分叉柱布置方法及系统，包括：根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过分叉柱模型进行异形分叉柱布置，指导工程计算和出图。本发明充分考虑各个分支受力特性，节省材料，提高了找形结果计算效率和计算精度。

Description

一种异形分叉柱布置方法及系统
技术领域
本发明涉及建筑结构设计技术领域，具体涉及一种异形分叉柱布置方法及系统。
背景技术
随着现代钢结构建筑的快速发展，越来越多造型奇异的建筑形式开始涌现。应用分叉柱结构不仅能够用较小的杆件形成宽阔的支承空间，还呈现了建筑设计中的结构之美。经济效益好，造型优美，已经广泛应用于公共建筑。
而现有技术方案中分叉柱的布置主要依赖结构工程师基于以往项目经验，根据楼面荷载分布进行对称布置。这属于强制性均分的分叉柱设计，无法适用于异形的分叉柱设计。尤其不适用对于分叉柱的各个分支跟水平的夹角不均分、各分支在水平投影上各个分支之间的不均匀的情况。这种简单粗放的布置方式没有充分考虑各个分支受力特性，分叉柱分支数量设计仅凭经验简单估计确定，难以形成材料利用率最高的竖向支撑，造成材料浪费，分叉柱找形结果计算效率和计算精度均不高。
有鉴于此，特提出本申请。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术方案中分叉柱的布置采用强制性均分的分叉柱设计，无法适用于异形的分叉柱设计，这种简单粗放的布置方式没有充分考虑各个分支受力特性，分叉柱分支数量设计仅凭经验简单估计确定，难以形成材料利用率最高的竖向支撑，造成材料浪费，分叉柱找形结果计算效率和计算精度均不高等问题。
本发明目的在于提供一种异形分叉柱布置方法及系统，首先，根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；其次，根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；然后，对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过分叉柱模型进行异形分叉柱布置，指导工程计算和出图。本发明充分考虑各个分支受力特性，能够形成材料利用率最高的竖向支撑，节省材料，提高了分叉柱找形结果计算效率和计算精度。
本发明通过下述技术方案实现：
第一方面，本发明提供了一种异形分叉柱布置方法，该方法包括：
根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；分叉柱负荷面是分叉柱主要受力的屋面范围；负荷面投影是以分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影得到；
根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；其中，拓扑优化算法包括但不限于变密度法、渐进结构优化法、均匀化方法、水平集方法等；
对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过分叉柱模型进行异形分叉柱布置，指导工程计算和出图。
进一步地，根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量，包括：
根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，以分叉柱底部支撑位置为中心点向所支撑的屋面区域投影，得到投影点；中心点与投影点之间的距离记作分叉柱支撑高度H；
以分叉柱底部支撑位置为中心作正方形，以正方形向所支撑的屋面区域作投影，得到投影正方形；投影正方形与屋面的相交区域为分叉柱主要受力的屋面范围，记为分叉柱负荷面；
以分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影，得到负荷面投影；建立分叉柱负荷面和负荷面投影之间的垂直围合封闭区域，得到分叉柱找形体量。
进一步地，正方形的边长d=k*H，其中，k为层高关联系数，平屋面取1.0，斜屋面取1.2~1.5；H为分叉柱支撑高度。这是考虑到分叉柱主要受力的屋面范围和层高关系密切，以边长为d=k*H，以分叉柱底部支撑位置为中心作正方形。
进一步地，当不预先指定生成的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置，即分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置均由分叉柱自然的受力情况确定的，且分叉柱分支屋面支撑位置是分叉柱负荷面的任意位置时，则进行全自由找形；
本发明的全自由找形是一种完全无干预的找形方式，仅依赖自然的力学行为，能够获得传力合理且仿生的形态。它是一种最为节约材料的找形方法。该方法不预先指定生成的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置，均由分叉柱自然的受力情况确定的；分叉柱分支屋面支撑位置可以是分叉柱负荷面的任意位置。
全自由找形的步骤为：
步骤11：为分叉柱底部支撑位置设置适当的第一支撑约束；
步骤12：为整个分叉柱负荷面设置全自由荷载；全自由荷载为垂直向下的均布荷载，均布荷载大小设置为f，f取值范围为1~2；
步骤13：根据常用工程造价控制指标，设置全自由找形体量的第一用钢量体积设计值v1；常用工程造价控制指标包括单位面积用钢量；
步骤14：将分叉柱找形体量、第一支撑约束、全自由荷载和第一用钢量体积设计值v1输入拓扑优化算法进行材料优化，得到全自由找形分叉柱优化体量。
进一步地，当不预先指定分叉柱分支数量，且在已确定的横纵梁位置上给出可选择的有限支撑位置时，则进行梁格找形；
本发明的梁格找形是一种轻干预的找形方式，在规定的梁格区间寻找最优的传力路径，获得传力合理且满足支撑限制的形态。它是一种较为节约材料的找形方法。该方法不预先指定分叉柱分支数量，在已确定的横纵梁位置上给出可选择的有限的支撑位置。
梁格找形的步骤为：
步骤21：为分叉柱底部支撑位置设置适当的第二支撑约束；
步骤22：在分叉柱负荷面上的横纵梁位置设置梁格荷载；梁格荷载为均匀线荷载，均匀线荷载大小为分叉柱负荷面的面积*均布荷载大小/横纵梁长度之和；
步骤23：根据常用工程造价控制指标如单位面积用钢量，设置梁格找形体量的第二用钢量体积设计值v2；常用工程造价控制指标包括单位面积用钢量；
步骤24：将分叉柱找形体量、第二支撑约束、梁格荷载和第二用钢量体积设计值v2输入拓扑优化算法进行材料优化，得到梁格找形分叉柱优化体量。
进一步地，当需预先指定一个或多个分支支撑位置，给出其他的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置时，则进行锚定找形；
本发明的锚定找形是一种强干预的找形方式，在已指定的一个或多个分支支撑位置的情况下寻找其他分支最优的传力路径，获得传力合理且满足特殊意向表达的形态。该方法需预先指定一个或多个分支支撑位置，给出其他的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置。该方法常与全自由找形或梁格找形，结合使用，适用于分叉柱某些分支有特殊支撑要求的设计情况。
锚定找形的步骤为：
步骤31：为分叉柱底部支撑位置设置适当的第三支撑约束；
步骤32：在特殊固定的支撑位置设置锚定荷载，锚定荷载为节点荷载，节点荷载大小为F=s*f，其中，s为锚定系数，根据特殊固定的支撑位置的负荷范围取3~7；其他负荷面上根据需要设置全自由荷载或设置梁格荷载；
步骤33：根据常用工程造价控制指标如单位面积用钢量，设置锚定找形体量的第三用钢量体积设计值v3；常用工程造价控制指标包括单位面积用钢量；
步骤34：将分叉柱找形体量、第三支撑约束、锚定荷载和第三用钢量体积设计值输入拓扑优化算法进行材料优化，得到锚定找形分叉柱优化体量。
进一步地，对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，包括：
步骤51，依次采用寻找分叉柱分支生成法确定各个分支的生成方向和截面尺寸，分别以生成方向建立分叉柱模型；
步骤52：以分叉柱模型建立结构计算模型，若结构计算模型通过各项指标验算，则完成找形设计，并以分叉柱模型进行施工图设计；若结构计算构件未通过各项指标验算，则需要提高找形方式的用钢量体积设计值，重新进行找形，直至结构计算模型验算满足要求；
其中，通常情况下，全自由找形、梁格找形、锚定找形的用钢量体积设计值比较结果为：第一用钢量体积设计值v1<第二用钢量体积设计值v2<第三用钢量体积设计值v3。
进一步地，寻找分叉柱分支生成法，包括：
从分叉柱底部支撑处确定该分支生成的中心点；
过中心点做任意一条直线，记为参考轴线l1；
通过嵌套循环，使得参考轴线l1分别绕x轴、y轴和z轴进行各个角度的旋转，遍历不同角度的参考轴线l1；
每生成一个角度的参考轴线l1，垂直参考轴线l1分别在分支始端和分支末端与该分支的网格相交的截平面p1和p2；
过截平面p1和p2的中心点构建对比轴线l2，求得截平面p1和p2的中心点距离参考轴线l1的距离之和为d1；
遍历完所有角度后，以d1值最小的对比轴线l2方向为生成该分支的生成方向；
确定该分支的生成方向后，根据所需要生成分支截面，构建分支包裹几何体。
进一步地，根据所需要生成分支截面，构建分支包裹几何体，包括：
1）若分支截面为圆形，以截平面p1和p2上的中心点为中心，在截平面p1和p2上分别以直径a1和a2做两个圆形，且a1≥a2；以这两个圆形扫掠生成变直径圆柱体，即为对应的分支包裹几何体；
2）若分支截面为正方形，以截平面p1和p2上的中心点为中心，在截平面p1和p2上分别以边长a1和a2做两个正方形，且a1≥a2；以这两个正方形扫掠生成变截面正方柱体，即为对应的分支包裹几何体；
3）若分支截面为矩形，以截平面p1和p2上的中心点为截面中心，在截平面p1和p2上分别以两组边长a1、b1和a2、b2做两个矩形，且a1≥a2，b1≥b2；以这两个矩形扫掠生成变截面方柱体，即为对应的分支包裹几何体。
记分支网格节点离分支包裹几何体外皮的距离为e，以适当截面尺寸范围，通过a1和a2，b1和b2嵌套循环，遍历截面尺寸，取二范数║X║2最小值，使得网格误差e最小时，即为分支截面构件尺寸；
其中，通过a1和a2，b1和b2嵌套循环包括：
当分支截面为圆形或正方形时，则通过a1和a2循环遍历；
当分支截面为矩形时，则通过a1和a2，b1和b2嵌套循环遍历。
第二方面，本发明又提供了一种异形分叉柱布置系统，该系统使用上述的一种异形分叉柱布置方法；该系统包括：
分叉柱找形体量确定单元，用于根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；分叉柱负荷面是分叉柱主要受力的屋面范围；负荷面投影是以分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影得到；
分叉柱优化体量生成单元，用于根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；其中，拓扑优化算法包括但不限于变密度法、渐进结构优化法、均匀化方法、水平集方法等；
分叉柱模型建立单元，用于对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过分叉柱模型指导工程计算和出图。
进一步地，分叉柱找形体量确定单元包括：
分叉柱支撑高度确定子单元，用于根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，以分叉柱底部支撑位置为中心点向所支撑的屋面区域投影，得到投影点；中心点与投影点之间的距离记作分叉柱支撑高度H；
分叉柱负荷面生成子单元，用于以分叉柱底部支撑位置为中心作正方形，以正方形向所支撑的屋面区域作投影，得到投影正方形；投影正方形与屋面的相交区域为分叉柱主要受力的屋面范围，记为分叉柱负荷面；
分叉柱找形体量形成子单元，用于以分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影，得到负荷面投影；建立分叉柱负荷面和负荷面投影之间的垂直围合封闭区域，得到分叉柱找形体量。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
本发明一种异形分叉柱布置方法及系统，首先，根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；其次，根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；然后，对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过分叉柱模型进行异形分叉柱布置，指导工程计算和出图。本发明充分考虑各个分支受力特性，能够形成材料利用率最高的竖向支撑，节省材料，提高了分叉柱找形结果计算效率和计算精度。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明一种异形分叉柱布置方法流程图；
图2为本发明确定分叉柱负荷面示意图；
图3为本发明分叉柱找形体量示意图；
图4为本发明全自由找形示意图；
图5为本发明全自由找形结果示意图；
图6为本发明梁格找形示意图；
图7为本发明梁格找形结果示意图；
图8为本发明锚定找形示意图；
图9为本发明锚定找形结果示意图；
图10为本发明确定分支截面大小示意图；
图11为本发明一种异形分叉柱布置系统结构框图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
现有技术方案中分叉柱的布置主要依赖结构工程师基于以往项目经验，根据楼面荷载分布进行对称布置。这属于强制性均分的分叉柱设计，无法适用于异形的分叉柱设计。尤其不适用对于分叉柱的各个分支跟水平的夹角不均分、各分支在水平投影上各个分支之间的不均匀的情况。这种简单粗放的布置方式没有充分考虑各个分支受力特性，分叉柱分支数量设计仅凭经验简单估计确定，难以形成材料利用率最高的竖向支撑，造成材料浪费，分叉柱找形结果计算效率和计算精度均不高。
为了解决以上问题，本发明一种异形分叉柱布置方法及系统，首先，根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；其次，根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；然后，对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过分叉柱模型进行异形分叉柱布置，指导工程计算和出图。本发明充分考虑各个分支受力特性，能够形成材料利用率最高的竖向支撑，节省材料，提高了分叉柱找形结果计算效率和计算精度。
实施例1
如图1所示，本发明一种异形分叉柱布置方法，该方法包括：
步骤1，根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；确定分叉柱负荷面示意图如图2所示；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；分叉柱找形体量示意图如图3所示；分叉柱负荷面是分叉柱主要受力的屋面范围；负荷面投影是以分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影得到；
步骤1具体包括：
根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，以分叉柱底部支撑位置为中心点向所支撑的屋面区域投影，得到投影点；中心点与投影点之间的距离记作分叉柱支撑高度H；
以分叉柱底部支撑位置为中心作正方形，以正方形向所支撑的屋面区域作投影，得到投影正方形；投影正方形与屋面的相交区域为分叉柱主要受力的屋面范围，记为分叉柱负荷面；
以分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影，得到负荷面投影；建立分叉柱负荷面和负荷面投影之间的垂直围合封闭区域，得到分叉柱找形体量。
作为进一步地实施，正方形的边长d=k*H，其中，k为层高关联系数，平屋面取1.0，斜屋面取1.2~1.5；H为分叉柱支撑高度。这是考虑到分叉柱主要受力的屋面范围和层高关系密切，以边长为d=k*H，以分叉柱底部支撑位置为中心作正方形。
步骤2，根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；其中，拓扑优化算法包括但不限于变密度法、渐进结构优化法、均匀化方法、水平集方法等；
本发明结合全自由找形、梁格找形或锚定找形进行找形优化，生成分叉柱优化体量；第一，本发明的全自由找形是一种完全无干预的找形方式，仅依赖自然的力学行为，能够获得传力合理且仿生的形态。它是一种最为节约材料的找形方法。该方法不预先指定生成的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置，均由分叉柱自然的受力情况确定的；分叉柱分支屋面支撑位置可以是分叉柱负荷面的任意位置。第二，本发明的梁格找形是一种轻干预的找形方式，在规定的梁格区间寻找最优的传力路径，获得传力合理且满足支撑限制的形态。它是一种较为节约材料的找形方法。该方法不预先指定分叉柱分支数量，在已确定的横纵梁位置上给出可选择的有限的支撑位置。第三，本发明的锚定找形是一种强干预的找形方式，在已指定的一个或多个分支支撑位置的情况下寻找其他分支最优的传力路径，获得传力合理且满足特殊意向表达的形态。该方法需预先指定一个或多个分支支撑位置，给出其他的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置。该方法常与全自由找形或梁格找形，结合使用，适用于分叉柱某些分支有特殊支撑要求的设计情况。
作为进一步地实施，根据实际工程需要和不同条件，进行相应的找形：
（1）当不预先指定生成的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置，即分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置均由分叉柱自然的受力情况确定的，且分叉柱分支屋面支撑位置是分叉柱负荷面的任意位置时，则进行全自由找形；全自由找形示意图如图4所示；
（2）当不预先指定分叉柱分支数量，且在已确定的横纵梁位置上给出可选择的有限支撑位置时，则进行梁格找形；梁格找形示意图如图6所示；
（3）当需预先指定一个或多个分支支撑位置，给出其他的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置时，则进行锚定找形；锚定找形示意图如图8所示；
具体地，全自由找形的步骤为：
步骤11：为分叉柱底部支撑位置设置适当的第一支撑约束；
步骤12：为整个分叉柱负荷面设置全自由荷载；全自由荷载为垂直向下的均布荷载，均布荷载大小设置为f，f取值范围为1~2；
步骤13：根据常用工程造价控制指标，设置全自由找形体量的第一用钢量体积设计值v1；常用工程造价控制指标包括单位面积用钢量；
步骤14：将分叉柱找形体量、第一支撑约束、全自由荷载和第一用钢量体积设计值v1输入拓扑优化算法进行材料优化，得到全自由找形分叉柱优化体量。全自由找形结果示意图如图5所示。
具体地，梁格找形的步骤为：
步骤21：为分叉柱底部支撑位置设置适当的第二支撑约束；
步骤22：在分叉柱负荷面上的横纵梁位置设置梁格荷载；梁格荷载为均匀线荷载，均匀线荷载大小为分叉柱负荷面的面积*均布荷载大小/横纵梁长度之和；
步骤23：根据常用工程造价控制指标如单位面积用钢量，设置梁格找形体量的第二用钢量体积设计值v2；常用工程造价控制指标包括单位面积用钢量；
步骤24：将分叉柱找形体量、第二支撑约束、梁格荷载和第二用钢量体积设计值v2输入拓扑优化算法进行材料优化，得到梁格找形分叉柱优化体量。梁格找形结果示意图如图7所示。
具体地，锚定找形的步骤为：
步骤31：为分叉柱底部支撑位置设置适当的第三支撑约束；
步骤32：在特殊固定的支撑位置设置锚定荷载，锚定荷载为节点荷载，节点荷载大小为F=s*f，其中，s为锚定系数，根据特殊固定的支撑位置的负荷范围取3~7；其他负荷面上根据需要设置全自由荷载或设置梁格荷载；
步骤33：根据常用工程造价控制指标如单位面积用钢量，设置锚定找形体量的第三用钢量体积设计值v3；常用工程造价控制指标包括单位面积用钢量；
步骤34：将分叉柱找形体量、第三支撑约束、锚定荷载和第三用钢量体积设计值输入拓扑优化算法进行材料优化，得到锚定找形分叉柱优化体量。锚定找形结果示意图如图9所示。
步骤3，对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过分叉柱模型进行异形分叉柱布置，指导工程计算和出图。
作为进一步地实施，对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，包括：
步骤51，依次采用寻找分叉柱分支生成法确定各个分支的生成方向和截面尺寸，分别以生成方向建立分叉柱模型；
步骤52：以分叉柱模型建立结构计算模型，若结构计算模型通过各项指标验算，则完成找形设计，并以分叉柱模型进行施工图设计；若结构计算构件未通过各项指标验算，则需要提高找形方式的用钢量体积设计值，重新进行找形，直至结构计算模型验算满足要求；
其中，通常情况下，全自由找形、梁格找形、锚定找形的用钢量体积设计值比较结果为：第一用钢量体积设计值v1<第二用钢量体积设计值v2<第三用钢量体积设计值v3。
作为进一步地实施，寻找分叉柱分支生成法，如下：
输入：输入单个分叉柱分支的网络区域；
输出：最优分叉柱分支的生成方向：
；
1：从分叉柱底部支撑处确定该分支生成的中心点；
2：过做任意直线l；
3：fori =1,2→360 do //i表示绕x轴旋转角度；
4： 直线l绕x轴旋转i个角度；
5： forj =1,2→360 do //j表示绕y轴旋转角度；
6： 直线l绕y轴旋转j个角度；
7： fork =1,2→360 do //k表示绕z轴旋转角度；
8： 直线l绕z轴旋转k个角度；
9： 通过中心点并且垂直直线l构建一个平面p；
10： 在平面p上，以中心点为圆心，直径取理想分叉柱分支尺寸，建立圆形；
11： 以直线l为中心轴，用圆形扫掠生成圆柱体；
12： 寻找某方向使得圆柱体包含的该网络部分最多；
13： end for
14： end for
15：end for
16：return 直线l //输出结果。
具体地，寻找分叉柱分支生成法，包括：
从分叉柱底部支撑处确定该分支生成的中心点；
过中心点做任意一条直线，记为参考轴线l1；
通过嵌套循环，使得参考轴线l1分别绕x轴、y轴和z轴进行各个角度的旋转，遍历不同角度的参考轴线l1；
每生成一个角度的参考轴线l1，垂直参考轴线l1分别在分支始端和分支末端与该分支的网格相交的截平面p1和p2；
过截平面p1和p2的中心点构建对比轴线l2，求得截平面p1和p2的中心点距离参考轴线l1的距离之和为d1；
遍历完所有角度后，以d1值最小的对比轴线l2方向为生成该分支的生成方向；
确定该分支的生成方向后，根据所需要生成分支截面，构建分支包裹几何体。
作为进一步地实施，确定分支截面大小示意图如图10所示，根据所需要生成分支截面（包括圆形、正方形、矩形），构建分支包裹几何体，包括：
1）若分支截面为圆形，以截平面p1和p2上的中心点为中心，在截平面p1和p2上分别以直径a1和a2做两个圆形，且a1≥a2；以这两个圆形扫掠生成变直径圆柱体，即为对应的分支包裹几何体；
2）若分支截面为正方形，以截平面p1和p2上的中心点为中心，在截平面p1和p2上分别以边长a1和a2做两个正方形，且a1≥a2；以这两个正方形扫掠生成变截面正方柱体，即为对应的分支包裹几何体；
3）若分支截面为矩形，以截平面p1和p2上的中心点为截面中心，在截平面p1和p2上分别以两组边长a1、b1和a2、b2做两个矩形，且a1≥a2，b1≥b2；以这两个矩形扫掠生成变截面方柱体，即为对应的分支包裹几何体。
记分支网格节点离分支包裹几何体外皮的距离为e，以适当截面尺寸范围，通过a1和a2，b1和b2嵌套循环，遍历截面尺寸，取二范数║X║2最小值，使得网格误差e最小时，即为分支截面构件尺寸；
其中，通过a1和a2，b1和b2嵌套循环包括：
当分支截面为圆形或正方形时，则通过a1和a2循环遍历；
当分支截面为矩形时，则通过a1和a2，b1和b2嵌套循环遍历。
本发明一种异形分叉柱布置方法及系统，首先，根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；其次，根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；然后，对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过分叉柱模型进行异形分叉柱布置，指导工程计算和出图。本发明充分考虑各个分支受力特性，能够形成材料利用率最高的竖向支撑，节省材料，提高了分叉柱找形结果计算效率和计算精度。
实施例2
如图11所示，本实施例与实施例1的区别在于，本实施例提供了一种异形分叉柱布置系统，该系统使用实施例1的一种异形分叉柱布置方法；该系统包括：
分叉柱找形体量确定单元，用于根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；分叉柱负荷面是分叉柱主要受力的屋面范围；负荷面投影是以分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影得到；
分叉柱优化体量生成单元，用于根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；其中，拓扑优化算法包括但不限于变密度法、渐进结构优化法、均匀化方法、水平集方法等；
分叉柱模型建立单元，用于对分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过分叉柱模型指导工程计算和出图。
作为进一步地实施，分叉柱找形体量确定单元包括：
分叉柱支撑高度确定子单元，用于根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，以分叉柱底部支撑位置为中心点向所支撑的屋面区域投影，得到投影点；中心点与投影点之间的距离记作分叉柱支撑高度H；
分叉柱负荷面生成子单元，用于以分叉柱底部支撑位置为中心作正方形，以正方形向所支撑的屋面区域作投影，得到投影正方形；投影正方形与屋面的相交区域为分叉柱主要受力的屋面范围，记为分叉柱负荷面；
分叉柱找形体量形成子单元，用于以分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影，得到负荷面投影；建立分叉柱负荷面和负荷面投影之间的垂直围合封闭区域，得到分叉柱找形体量。
其中，各个单元的执行过程按照实施例1的一种异形分叉柱布置方法流程步骤执行即可，此实施例中不再一一赘述。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种异形分叉柱布置方法，其特征在于，该方法包括：
根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据所述分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；所述分叉柱负荷面是分叉柱主要受力的屋面范围；所述负荷面投影是以所述分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影得到；
根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，生成分叉柱优化体量；
对所述分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，将网格化的几何体转换为规则的柱构件，确定各个分支的生成方向和截面尺寸，建立分叉柱模型；进而通过所述分叉柱模型进行异形分叉柱布置，指导工程计算和出图；
其中，当不预先指定生成的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置，即分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置均由分叉柱自然的受力情况确定的，且分叉柱分支屋面支撑位置是分叉柱负荷面的任意位置时，则进行全自由找形；
当不预先指定分叉柱分支数量，且在已确定的横纵梁位置上给出可选择的有限支撑位置时，则进行梁格找形；
当需预先指定一个或多个分支支撑位置，给出其他的分叉柱分支数量和分叉柱分支屋面支撑位置时，则进行锚定找形；
所述全自由找形的步骤为：
步骤11：为分叉柱底部支撑位置设置第一支撑约束；
步骤12：为整个分叉柱负荷面设置全自由荷载；所述全自由荷载为垂直向下的均布荷载，均布荷载大小设置为f，f取值范围为1~2；
步骤13：根据工程造价控制指标，设置全自由找形体量的第一用钢量体积设计值；所述工程造价控制指标包括单位面积用钢量；
步骤14：将分叉柱找形体量、第一支撑约束、全自由荷载和第一用钢量体积设计值输入拓扑优化算法进行材料优化，得到全自由找形分叉柱优化体量；
所述梁格找形的步骤为：
步骤21：为分叉柱底部支撑位置设置第二支撑约束；
步骤22：在分叉柱负荷面上的横纵梁位置设置梁格荷载；所述梁格荷载为均匀线荷载，均匀线荷载大小为分叉柱负荷面的面积*均布荷载大小/横纵梁长度之和；
步骤23：根据工程造价控制指标，设置梁格找形体量的第二用钢量体积设计值；所述工程造价控制指标包括单位面积用钢量；
步骤24：将分叉柱找形体量、第二支撑约束、梁格荷载和第二用钢量体积设计值输入拓扑优化算法进行材料优化，得到梁格找形分叉柱优化体量；
所述锚定找形的步骤为：
步骤31：为分叉柱底部支撑位置设置第三支撑约束；
步骤32：在预设指定的支撑位置设置锚定荷载，锚定荷载为节点荷载，节点荷载大小为F=s*f，其中，f为均布荷载大小，f取值范围为1~2；s为锚定系数，根据预设指定的支撑位置的负荷范围取3~7；其他负荷面上根据需要设置全自由荷载或设置梁格荷载；
步骤33：根据工程造价控制指标，设置锚定找形体量的第三用钢量体积设计值；所述工程造价控制指标包括单位面积用钢量；
步骤34：将分叉柱找形体量、第三支撑约束、锚定荷载和第三用钢量体积设计值输入拓扑优化算法进行材料优化，得到锚定找形分叉柱优化体量。
2.根据权利要求1所述的一种异形分叉柱布置方法，其特征在于，根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据所述分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量，包括：
根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，以分叉柱底部支撑位置为中心点向所支撑的屋面区域投影，得到投影点；所述中心点与所述投影点之间的距离记作分叉柱支撑高度；
以分叉柱底部支撑位置为中心作正方形，以所述正方形向所支撑的屋面区域作投影，得到投影正方形；所述投影正方形与屋面的相交区域为分叉柱主要受力的屋面范围，记为分叉柱负荷面；
以所述分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影，得到负荷面投影；建立所述分叉柱负荷面和负荷面投影之间的垂直围合封闭区域，得到分叉柱找形体量。
3.根据权利要求2所述的一种异形分叉柱布置方法，其特征在于，所述正方形的边长d=k*H，其中，k为层高关联系数，平屋面取1.0，斜屋面取1.2~1.5；H为分叉柱支撑高度。
4.根据权利要求1所述的一种异形分叉柱布置方法，其特征在于，对所述分叉柱优化体量进行柱构件形参转换，包括：
步骤51，依次采用寻找分叉柱分支生成法确定各个分支的生成方向和截面尺寸，分别以生成方向建立分叉柱模型；
步骤52：以所述分叉柱模型建立结构计算模型，若所述结构计算模型通过各项指标验算，则完成找形设计，并以所述分叉柱模型进行施工图设计；若结构计算模型未通过各项指标验算，则需要提高找形方式的用钢量体积设计值，重新进行找形，直至结构计算模型验算满足要求；
其中，全自由找形、梁格找形、锚定找形的用钢量体积设计值比较结果为：第一用钢量体积设计值<第二用钢量体积设计值<第三用钢量体积设计值。
5.根据权利要求4所述的一种异形分叉柱布置方法，其特征在于，所述寻找分叉柱分支生成法，包括：
从分叉柱底部支撑处确定该分支生成的中心点；
过所述中心点做任意一条直线，记为参考轴线l1；
通过嵌套循环，使得参考轴线l1分别绕x轴、y轴和z轴进行各个角度的旋转，遍历不同角度的参考轴线l1；
每生成一个角度的参考轴线l1，以所述参考轴线l1为法线方向，分别过分支始端和分支末端得到垂直于所述参考轴线l1得两个平面，记为截平面p1和p2；
过所述截平面p1和p2的中心点构建对比轴线l2，求得截平面p1和p2的中心点距离参考轴线l1的距离之和为d1；
遍历完所有角度后，以d1值最小的对比轴线l2方向为生成该分支的生成方向；
确定该分支的生成方向后，根据所需要生成分支截面，构建分支包裹几何体。
6.根据权利要求5所述的一种异形分叉柱布置方法，其特征在于，根据所需要生成分支截面，构建分支包裹几何体，包括：
1）若分支截面为圆形，以截平面p1和p2上的中心点为中心，在截平面p1和p2上分别以直径a1和a2做两个圆形，且a1≥a2；以这两个圆形扫掠生成变直径圆柱体，即为对应的分支包裹几何体；
2）若分支截面为正方形，以截平面p1和p2上的中心点为中心，在截平面p1和p2上分别以边长a1和a2做两个正方形，且a1≥a2；以这两个正方形扫掠生成变截面正方柱体，即为对应的分支包裹几何体；
3）若分支截面为矩形，以截平面p1和p2上的中心点为截面中心，在截平面p1和p2上分别以两组边长a1、b1和a2、b2做两个矩形，且a1≥a2，b1≥b2；以这两个矩形扫掠生成变截面方柱体，即为对应的分支包裹几何体；
记分支网格节点离分支包裹几何体外皮的距离为e，以分叉柱的截面尺寸为遍历范围，依次设置a1和a2、b1和b2为遍历范围中的任一数值进行嵌套遍历循环，直至完成所有截面尺寸组合；取二范数║X║2最小值，使得网格误差m最小时，即为分支截面构件尺寸；
其中，依次设置a1和a2、b1和b2为遍历范围中的任一数值进行嵌套遍历循环，包括：
当分支截面为圆形或正方形时，则通过a1和a2循环遍历；
当分支截面为矩形时，则通过a1和a2，b1和b2嵌套循环遍历。
7.一种异形分叉柱布置系统，其特征在于，该系统使用如权利要求1至6中任一所述的一种异形分叉柱布置方法；该系统包括：
分叉柱找形体量确定单元，用于根据已经确定的分叉柱底部支撑位置和所支撑的屋面区域，确定分叉柱负荷面；根据所述分叉柱负荷面及其负荷面投影，确定分叉柱找形体量；所述分叉柱负荷面是分叉柱主要受力的屋面范围；所述负荷面投影是以所述分叉柱负荷面向分叉柱底部支撑位置所在的平面作投影得到；
分叉柱优化体量生成单元，用于根据实际工程需要和条件，分别进行全自由找形或梁格找形或锚定找形，即将所述分叉柱找形体量、找形载荷及支撑约束输入到拓扑优化算法中进行材料优化，生成分叉柱优化体量；
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