CN116188725A - 自由曲面双层网格结构参数化建模方法、***、设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法、***、设备，方法包括构建柔性网格并设置柔性网格参数，所述柔性网格可完全覆盖目标曲面；柔性网格覆盖目标曲面与柔性网格边界优化；利用优化的网格生成双层网络结构。本发明的基于柔性网格覆盖的自由曲面双层网格结构参数化建模方法，适用于形态与边界复杂的可展或不可展自由曲面，尤其是适用于空间曲面无法展开至平面的情况，具有更高的普适性。本方法也可以考虑网格的方向，生成的网格长度差异小，在边界建模效果很好。且本方法在网格自动生成工程中，尽量保证杆件长度统一，具有很高的普适性。

Description

自由曲面双层网格结构参数化建模方法、***、设备

技术领域

本发明涉及建筑结构设计技术领域，具体涉及自由曲面双层网格结构参数化建模方法、***、设备。

背景技术

随着建筑创作的发展以及设计软件的进步，建筑造型趋向自由化与多形态化，特别是对于交通类、展览类、体育类大跨建筑，造型往往采用自由曲面模拟，方案曲面很难用简单的数学公式进行描述。另一方面，现今建筑领域主要通过三维建模软件Rhino(犀牛)进行建筑设计创作，建筑创作过程中普遍使用参数化建模方法。针对大跨建筑，可采用双层网格结构体系来满足建筑造型与功能的要求。双层网格结构不仅造型能力强，而且传力途径简洁，结构刚度好，抗震性能优越，施工安装成熟简便，且布置灵活，可适用于不同跨度。另一方面，由于建筑创作方法的更新与需求，要求结构工程师不仅要针对自由曲面对象进行网格结构的建模与设计，而且要求结构设计与建筑参数化设计联动，可以对建筑参数化的模型进行快速计算。传统的网格结构建模基于点、线、面的构成关系，主要建模方式有两种，一种根据曲面的形状采用投影方法，在平面上进行网格划分，然后再投影回原曲面，然后根据网格结构的构成关系手动建立弦杆与腹杆；另一种方式是直接在曲面上进行网格划分，然后根据网格结构的构成关系手动建立弦杆与腹杆。此外，如果建筑方案参数化调整后，结构工程师只能重复手动建模的计算过程，结构工程师不仅无法快速响应建筑方案调整，而且针对自由曲面的建模往往要尝试多种网格划分后才能得到最终的方案，造成设计效率低，设计周期长的弊端。

解决上述问题的办法是采用结构参数化建模。对于双层网格结构的参数化建模，2012年朱鸣等人首次采用GH编制了双层网格结构的建模程序，该程序主要用于具有显著UV方向的曲面，比如类矩形的曲面。2013年高鸣等人采用GH编制了正方四角锥网格的建模程序，该程序仅用于边界规则、曲面简单的建筑方案中。

以上两种建模方式无法考虑网格的方向，生成的网格长度差异较大，在边界建模效果不佳等问题。

发明内容

为了解决以上问题，本发明的目的在于提供一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，以及建模***、电子设备及计算机可读存储介质，本发明的基于柔性网格覆盖的自由曲面双层网格结构参数化建模方法，适用于形态与边界复杂的可展或不可展自由曲面，尤其是适用于空间曲面无法展开至平面的情况，具有更高的普适性。

本发明的第一个目的在于提供一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，包括：

S1：构建柔性网格并设置柔性网格参数，所述柔性网格可完全覆盖目标曲面；

S2：柔性网格覆盖目标曲面与柔性网格边界优化；

S3：利用优化的网格生成双层网络结构。

在一可选的实施例中，所述步骤S1中柔性网格的构建方法为：在目标空间曲面上方构造一个可完全覆盖目标曲面的平面，然后对所述平面进行网格划分，并赋予网格物理与力学属性，划分好的平面网格即为柔性网格。

在一可选的实施例中，所述步骤S1中设置的柔性网格参数包括网格边长尺寸L、网格与世界坐标系的夹角α、网格结构厚度h、网格形式。

在一可选的实施例中，所述步骤S2中柔性网格覆盖目标曲面的方法为：利用袋鼠插件的包括网格张力、网格下落电池组，对目标曲面上方的柔性网格进行自上往下的自由移动操作，当柔性网格完全覆盖目标曲面时停止程序。

在一可选的实施例中，所述步骤S2中柔性网格边界优化过程中，若边界网格的边长小于设定阈值β时，程序自动删除该网格，并将网格两侧节点进行合并，构成新网格；

在网格优化过程中，当前后两次迭代小于收敛条件ε时，停止网格优化；

优化后形成网格结构的第一层弦杆。

在一可选的实施例中，所述步骤S2中，网格优化参数包括所述网格边长合并阈值β、网格迭代优化收敛条件ε。

在一可选的实施例中，步骤S3中，生成双层网格结构的过程为：

S301：根据步骤S2中生成的第一层弦杆生成第一层弦杆的网格重心点；

S302：利用“寻找曲面最近点”电池，将网格重心点按照法线方向投影到第二层弦杆所在曲面；

S303：将投影点相互连接构成网格结构的第二层弦杆；

S304：利用“寻找最近点”电池，寻找第一层弦杆节点与第二层弦杆节点的对应关系，并将第一层弦杆节点与第二层弦杆节点连接，构成网格结构的腹杆。

本发明的第二个目的在于提供一种自由曲面双层网格结构参数化建模***，包括：

柔性网格构建模块，用于构建柔性网格，所述柔性网格可完全覆盖目标曲面；

柔性网格参数设置模块，用于设置柔性网格的参数；

边界优化模块，用于对柔性网格的边界网格进行优化，并得到第一层弦杆；

双层网络结构生成模块，用于根据所述第一层弦杆得到网格结构的第二层弦杆以及网格结构的腹杆。

本发明的第三个目的在于提供一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，用于执行所述计算机程序，实现如上所述的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法中的各个步骤。

本发明的第四个目的在于提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法中的各个步骤。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

本发明公开了一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法、***、设备，方法包括构建柔性网格并设置柔性网格参数，所述柔性网格可完全覆盖目标曲面；柔性网格覆盖目标曲面与柔性网格边界优化；利用优化的网格生成双层网络结构。本发明的基于柔性网格覆盖的自由曲面双层网格结构参数化建模方法，适用于形态与边界复杂的可展或不可展自由曲面，尤其是适用于空间曲面无法展开至平面的情况，具有更高的普适性。本方法也可以考虑网格的方向，生成的网格长度差异小，在边界建模效果很好。且本方法在网格自动生成工程中，尽量保证杆件长度统一，具有很高的普适性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明实施例提供的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法的流程图；

图2为在被覆盖体上方构造的柔性网格曲面图；

图3是为构造的柔性网格曲面设置几何参数形成的界面图；

图4为柔性网格自由下落覆盖目标曲面形成的界面图；

图5为进行边界网格优化并生成第一层弦杆构件界面图；

图6为生成的第一层弦杆网格重心点的界面图；

图7为生成第二层弦杆与腹杆界面图。

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。

实施例1：

如图1中所示，一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，是基于柔性网络覆盖的基自由曲面双层网格参数建模方法：

本发明实施例中的柔性网格覆盖法源于生活中一个现象：将柔性的渔网铺撒在任意形状的物体表面，渔网将均匀覆盖该表面，从而形成稳定的网格均匀的形状。渔网的网格形式可以采用六边形网格、四边形网格、三边形网格等等。最终物体表面的网格方向与一开始铺撒网格时的方向有关。借鉴上述的生活现象，采用犀牛的GH平台，进行程序编译，可实现自由曲面的双层网格的快速参数化建模。

本发明的参数化建模方法主要分为三个阶段：

第一阶段为柔性网格的构造与设置网格参数。

柔性网格指具有弹性模量，可在一定拉力或压力作用下网格长度有限伸长或缩短，并在网格长度变化过程中拓扑关系一定的网格。柔性网格可完全覆盖目标曲面。

第一阶段具体步骤为：首先在目标空间曲面(即被覆盖体)上方构造一个可完全覆盖目标曲面的平面(即图1中的初始柔性网格平面)，如图2中所示，然后对该平面进行网格划分，并赋予网格物理与力学属性，划分好的平面网格即为柔性网格。划分网格时需要设置关于网格的基本参数，如图3中所示。几何参数包含：网格边长尺寸(L)、网格与世界坐标系的夹角(α)、网格结构厚度(h)、网格形式(三角锥网格、四角锥网格)。

各参数含义如下：

1)网格边长尺寸(L)：即网格结构弦杆的边长大小

2)网格与世界坐标系的夹角(α)：即网格弦杆与世界坐标系的夹角大小。通过该参数的引入，可方便工程师根据支承柱的位置、建筑的效果、轴网在世界坐标系中的夹角等因素来认为设定网格的方向。特别适用于具有单向传力特征，需要将弦杆布置在传力短向时的情况。

3)网格结构厚度(h)：即双层网格结构厚度。程序支持两种网格厚度的实现，一种为等厚度网格，此时通过单一参数h，即可通过曲面偏移得到网格结构剩余层弦杆的曲面；另一种为变厚度网格，此时可在犀牛中任意建立厚度的弦杆所在曲面，然后拾取进入GH即可。

4)网格形式(三角锥网格、四角锥网格)：即工程师根据需要选取三边形网格或者是四边网格。

在网格几何参数中未设置腹杆夹角参数，因为当网格结构的上弦曲面、下弦曲面、上弦网格尺寸或者下弦网格尺寸确定后，腹杆的夹角是确定的，因此不再设置腹杆夹角参数。

第二阶段为柔性网格覆盖目标曲面与柔性网格边界优化。

首先使用袋鼠插件，利用网格张力、网格下落等电池组，使目标曲面上方的柔性网格进行自上往下的自由移动(即图1中的自由下落)，当网格完全覆盖目标曲面时停止程序，如图4中所示。此时曲面边界的网格由于裁剪的关系，会出现网格边长较小的情况，需对边界网格进行优化。若柔性网格没有完全覆盖目标曲面，则返回继续进行柔性网格自由下落过程。

网格优化参数包含：网格边长合并阈值β、网格迭代优化收敛条件ε。优化过程中，如果边界网格边长小于设定阈值β时，程序自动删除该网格，并将网格两侧节点进行合并，构成新网格。在边界网格优化过程中，当前后两次迭代小于收敛条件ε时，停止网格优化。优化后形成网格结构的第一层弦杆(构件)，如图5中所示。

第三阶段为网格结构其余杆件的生成。

首先生成第二阶段优化完成后的第一层弦杆网格重心点，如图6中所示。然后利用“寻找曲面最近点”(Surface Closest Point)电池，将重心点按照法线方向投影到第二层弦杆所在曲面，该曲面可用GH直接在犀牛中读取。然后将投影点相互连接构成网格结构的第二层弦杆。最后利用“寻找最近点”(Closest Points)电池，寻找第一层弦杆节点与第二层弦杆节点的对应关系，并将第一层弦杆节点与第二层弦杆节点连接，构成网格结构的腹杆，如图7中所示。至此就完成了网格结构的参数化建模。

本发明实施例提供的基于柔性网格覆盖的自由曲面双层网格结构参数化建模方法，适用于形态与边界复杂的可展或不可展自由曲面，尤其是适用于空间曲面无法展开至平面的情况，具有更高的普适性。本方法也可以考虑网格的方向，生成的网格长度差异小，在边界建模效果很好。且本方法在网格自动生成工程中，尽量保证杆件长度统一，具有很高的普适性。

实施例2：

本发明实施例还提供了一种自由曲面双层网格结构参数化建模***，下文描述的自由曲面双层网格结构参数化建模***与上文描述的自由曲面双层网格结构参数化建模方法可相互对应参照。

自由曲面双层网格结构参数化建模***包括：

柔性网格构建模块，用于构建柔性网格，所述柔性网格可完全覆盖目标曲面；

柔性网格参数设置模块，用于设置柔性网格的参数；

边界优化模块，用于对柔性网格的边界网格进行优化，并得到第一层弦杆；

双层网络结构生成模块，用于根据所述第一层弦杆得到网格结构的第二层弦杆以及网格结构的腹杆。

实施例3：

本发明实施例还提供了一种电子设备，下文描述的电子设备与上文描述的自由曲面双层网格结构参数化建模方法可相互对应参照。

电子设备包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，用于执行所述计算机程序，实现如实施例1所述的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法中的各个步骤。

实施例4：

本发明实施例还提供了一种计算机可读存储介质，下文描述的计算机可读存储介质与上文描述的自由曲面双层网格结构参数化建模方法可相互对应参照。

计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如实施例1所述一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法中的各个步骤。

本领域内的技术人员应明白，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(***)、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。

本领域普通技术人员可以理解实现上述事实和方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，涉及的程序或者所述的程序可以存储于一计算机所可读取存储介质中，该程序在执行时，包括如下步骤：此时引出相应的方法步骤，所述的存储介质可以是ROM/RAM、磁碟、光盘等等。

以上的具体实施方式，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 (10)

1.一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，其特征在于，包括：

S1：构建柔性网格并设置柔性网格参数，所述柔性网格可完全覆盖目标曲面；

S2：柔性网格覆盖目标曲面与柔性网格边界优化；

S3：利用优化的网格生成双层网络结构。

2.根据权利要求1所述的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，其特征在于，所述步骤S1中柔性网格的构建方法为：在目标空间曲面上方构造一个可完全覆盖目标曲面的平面，然后对所述平面进行网格划分，并赋予网格物理与力学属性，划分好的平面网格即为柔性网格。

3.根据权利要求1所述的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，其特征在于，所述步骤S1中设置的柔性网格参数包括网格边长尺寸L、网格与世界坐标系的夹角α、网格结构厚度h、网格形式。

4.根据权利要求1所述的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，其特征在于，所述步骤S2中柔性网格覆盖目标曲面的方法为：利用袋鼠插件的包括网格张力、网格下落电池组，对目标曲面上方的柔性网格进行自上往下的自由移动操作，当柔性网格完全覆盖目标曲面时停止程序。

5.根据权利要求1所述的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，其特征在于，所述步骤S2中柔性网格边界优化过程中，若边界网格的边长小于设定阈值β时，程序自动删除该网格，并将网格两侧节点进行合并，构成新网格；

在网格优化过程中，当前后两次迭代小于收敛条件ε时，停止网格优化；

优化后形成网格结构的第一层弦杆。

6.根据权利要求5所述的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，其特征在于，所述步骤S2中，网格优化参数包括所述网格边长合并阈值β、网格迭代优化收敛条件ε。

7.根据权利要求1所述的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法，其特征在于，步骤S3中，生成双层网格结构的过程为：

S301：根据步骤S2中生成的第一层弦杆生成第一层弦杆的网格重心点；

S302：利用“寻找曲面最近点”电池，将网格重心点按照法线方向投影到第二层弦杆所在曲面；

S303：将投影点相互连接构成网格结构的第二层弦杆；

S304：利用“寻找最近点”电池，寻找第一层弦杆节点与第二层弦杆节点的对应关系，并将第一层弦杆节点与第二层弦杆节点连接，构成网格结构的腹杆。

8.一种自由曲面双层网格结构参数化建模***，其特征在于，包括：

柔性网格构建模块，用于构建柔性网格，所述柔性网格可完全覆盖目标曲面；

柔性网格参数设置模块，用于设置柔性网格的参数；

边界优化模块，用于对柔性网格的边界网格进行优化，并得到第一层弦杆；

双层网络结构生成模块，用于根据所述第一层弦杆得到网格结构的第二层弦杆以及网格结构的腹杆。

9.一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于：

所述存储器，用于存储程序；

所述处理器，用于执行所述计算机程序，实现如权利要求1～8任一项所述的一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法中的各个步骤。

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1～8中任一项所述一种自由曲面双层网格结构参数化建模方法中的各个步骤。

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