一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法
一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，包括如下步骤：针对建筑结构模型布置协调边界点；根据该建筑结构的不同构件进行相应构件网格划分，对于框架构件，则直接生成2节点单元，对于楼板或基础筏板采用自由网格划分，对于剪力墙，则区分直墙和曲面墙，对于直墙直接判断其能否拆分并采用映射网格或自由网格划分，对于曲面墙，则先将曲面映射到参数平面，然后根据能否拆分来选用映射网格或自由网格划分，最后再将参数平面网格映射回原始空间曲面以得到曲面网格，本发明实现了建筑结构几何信息模型的网格划分，可用于任意复杂建筑结构，具有很强的通用性。
【专利说明】一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及建筑信息模型(BIM)领域，特别是涉及一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法。
【背景技术】
[0002]迄今为止，计算机技术的发展对建筑行业有过两次革命性的贡献，第一次是CAD(Computer Aided Design)技术取代传统图纸，第 二次是 BIM(Building InformationModeling)，通常翻译为“建筑信息模型”。前者是工具上的转变，而后者是思路上的转变；前者仅影响建筑结构的设计阶段，而后者将贯穿建筑结构的全生命周期(含策划、设计、施工、运维等)。因此对建筑行业来说，BIM是一次更彻底地冲击和变革。
[0003]BM包含的内容非常广，其中建筑结构的安全性分析和舒适性分析是最基本内容之一。对于这类问题，伴随计算机而发展起来的有限元方法已成为主流方法。有限元的基本思想是“先离散后集成”，因此为得到有限元解必须先对结构进行有限元离散，即网格划分。网格划分从拓扑关系上来说可分为映射网格(结构化网格)和自由网格(非结构化网格)。映射网格是指内部结点的拓扑关系一致，也就是说每个内部结点均连接相同数目的单元，该网格的生成方式很简单，网格划分速度很快，网格质量也很好，但它只适用于特殊的几何边界，在实际工程中很受限制。自由网格是指内部结点的拓扑关系可以任意，也就是说每个内部结点可连接任意数目的结点和单元，该网格的生成方式较为复杂，但理论上适用于任意复杂的几何边界，因此在通用软件中被广泛采用。
[0004]网格划分的最基本要求是“能够适应各类复杂几何边界、网格离散结果能够真实反映原始几何模型”，而为了适应有限元分析的要求，网格划分还需满足如下几个条件:
边界敏感性:因为有限元计算结果对边界网格非常敏感，网格划分时需优先保证边界网格的质量，尽可能让边界网格与边界形状保持一致以确保边界网格的均匀性和方正性；方向无关性:旋转或转换一个给定的几何区域不能改变其网格划分的结果，也就是说，网格划分的结果由区域形状决定，而跟总体坐标系的选择无关，以避免总体坐标系的选择影响有限元计算结果；
奇异节点数目较少且远离边界:对于四边形网格来说，奇异点是指与之相连的单元数目不等于4的内部节点，对于三角形网格来说，奇异点是指与之相连的单元数目不等于6的内部节点。这是网格划分中非常关键的一个问题，因为奇异点的数量和位置将直接决定优化后的最终网格质量。通常来说，自由网格划分中出现奇异点是不可避免的，但可以通过算法优化尽量减少奇异点的数目，同时尽可能避免奇异点出现在边界附近，因为边界网格对有限元结果的影响更为显著。
[0005]从有限元的角度来说，网格划分不仅是其前提和基础，同时网格质量也将直接影响有限元结果的可靠性和准确性。事实上，在有限元发展的早期阶段，网格划分曾经是制约有限元应用和推广的一个重要因素，即便到了今天，网格自动划分技术依然不够完善。正因为如此，近几十年来，全世界各大高校、公司、科研机构均投入了大量的人力物力进行相关研究，发展了各种不同的网格划分算法。但这些算法基本都是针对通用几何模型(尤其是机械模型)，没有考虑(或者说利用)建筑结构的特殊性，若直接用来进行建筑结构网格划分其效果并不十分理想，因此关于建筑结构的网格划分还需做有针对性的专门研究。
【发明内容】
[0006]为克服上述现有技术存在的不足，本发明之主要目的在于提供一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其考虑了建筑结构的特殊性，实现了建筑结构几何信息模型的网格划分，可用于任意复杂建筑结构，具有很强的通用性。
[0007]为达上述及其它目的，本发明提出一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，包括如下步骤:
步骤一，针对建筑结构模型布置协调边界点；
步骤二，根据该建筑结构的不同构件进行构件网格划分，对于框架构件，则直接生成2节点单元；对于楼板或基础筏板采用自由网格划分；对于剪力墙，则区分直墙和曲面墙，对于直墙直接判断其能否拆分并采用映射网格或自由网格划分，对于曲面墙，则先将曲面映射到参数平面，然后根据能否拆分来选用映射网格或自由网格划分，最后再将参数平面网格映射回原始空间曲面以得到曲面网格。
[0008]进一步地，于步骤二中，自由网格划分为采用铺砌法对任意平面图元进行纯四边形自由网格划分。
[0009]进一步地，该自由网格划分包括如下步骤:
步骤3.1,根据所要划分的网格的密度和大小沿任意平面图的固定边界形成初始化边界节点；
步骤3.2，将该些节点形成一条双向链表，选择四边形网格从外固定边界向里、内边界向外开始一层层铺砌，铺砌一层后，外固定边界向里更新形成移动外边界，内固定边界向外更新形成移动内边界；
步骤3.3，以形成的移动边界为外边界、内边界重复前述步骤直到填满整个区域；
步骤3.4，在移动外边界节点与移动内边界节点间距接近指定网格大小时，启动单元闭合对节点封闭环进行封闭处理；
步骤3.5，联合加权拉普拉斯抹平算法和约束拉普拉斯抹平算法对网格节点进行抹平。
[0010]进一步地，于步骤3.1中，外铺砌边界的节点按逆时针方向排列，内铺砌边界的节点按顺时针方向排列。
[0011]进一步地，于步骤3.4中，封闭处理包括节点删除、单元张开、单元闭合、单元转换、单元边删除、复合拓扑优化。
[0012]进一步地，于步骤3.5中，按常规拉普拉斯方法计算节点抹平矢量，然后判断该抹平是否能确保网格质量有所提高，如果是则执行该抹平，否者将抹平量减半，如果减半后抹平量过小则放弃抹平，否则重复上述步骤。
[0013]进一步地，于步骤二中，对于基础筏板，还需针对基础筏板的域内约束边界问题进行处理，该处理操作包括如下两部分:(I)在铺砌网格时，每生成一个新单元都会判断区域是否存在孤立的约束结点，如果有则处理该结点；(2)将初始约束边界模拟成裂纹边界，然后针对该裂纹边界生成广义闭合边界并执行网格铺砌，而对于约束边界自相交的情况，则根据相交点位置模拟成复合裂纹边界，然后执行网格铺砌。
[0014]进一步地，对于复合裂纹边界网格划分，首先沿广义内边界铺砌四边形网格单元，其次沿广义外边界铺砌四边形网格单元，再次沿移动内/外边界继续铺砌四边形网格单元，最后按自由网格划分完成所有四边形网格的铺砌。
[0015]进一步地，于步骤二中，对于曲面墙，联合参数空间法和铺砌法进行四边形网格划分，将空间曲面的网格问题转换为平面网格问题，于网格划分后通过坐标变换映射回原始
三维空间。
[0016]进一步地，于步骤二中，对于剪力墙结构的几何拆分，采用如下方法:对于无洞口的剪力墙，不存在拆分；对于有洞口的剪力墙，大多数情况下均可进行几何拆分；对于部分带洞口的坡屋顶墙或梯形墙，则根据洞口位置进一步判断拆分条件。
[0017]与现有技术相比，本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法以铺砌法为核心，联合映射网格和几何拆分法，并兼顾自由网格的通用性和映射网格的高效性，实现了建筑结构几何信息模型的网格划分，可用于任意复杂建筑结构，具有很强的通用性，同时本发明之网格划分方法将结构离散成比较均匀的协调模型，适用于有限元分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法的步骤流程图；
图2为本发明较佳实施例中铺砌法自由网格示意图；
图3为本发明较佳实施例中空间曲面网格划分(以圆台及圆柱为例)的示意图；
图4为本发明较佳实施例中约束结点处理示意图；
图5为本发明较佳实施例中约束线段处理示意图；
图6为本发明较佳实施例中一复合裂纹边界网格划分实例；
图7为本发明较佳实施例中剪力墙拆分模式示意图；
图8为本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法之较佳实施例的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0019]以下通过特定的具体实例并结合【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0020]图1为本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，包括如下步骤:
步骤101，针对建筑结构模型布置协调边界点(梁柱撑墙板协调)。
[0021]步骤102，根据建筑结构的不同构件进行相应构件网格化分，若是框架构件，则直接生成2节点单元；如果是楼板或基础筏板则采用自由网格划分；如果是剪力墙则区分直墙和曲面墙，对于直墙，则直接判断能否拆分并采用映射网格或自由网格划分，对于曲面墙，则先将曲面映射到参数平面，然后根据能否拆分来选用映射网格或自由网格，最后再将参数平面网格映射回原始空间曲面以得到曲面网格。
[0022]以下对步骤102中不同构件的网格划分做进一步说明:
1.1、采用铺砌法对任意平面图元进行纯四边形自由网格划分。其具体步骤如下:根据所要划分的网格的密度和大小沿任意平面图的固定边界(内固定边界或外固定边界)形成初始化边界节点，其中，外铺砌边界的节点按逆时针方向排列，内铺砌边界的节点按顺时针方向排列；这些节点形成一条双向链表，选择四边形网格从外固定边界向里、内边界向外开始一层层铺砌，铺砌一层后，外固定边界向里更新形成移动外边界，内固定边界向外更新形成移动内边界，在该过程中，移动边界自身以及移动边界与原固定边界之间可能会出现边界相交或折叠的情况，此时需对单元进行相应的缝合处理以确保每条边界的独立性和闭合性；以形成的移动边界(移动外边界、移动内边界)为外边界、内边界重复前述步骤直到填满整个区域；在移动外边界节点与移动内边界节点间距接近指定网格大小时，启动单元闭合对节点封闭环进行封闭处理，具体包括节点删除、单元张开、单元闭合、单元转换、单元边删除、复合拓扑优化等；联合加权拉普拉斯抹平算法和约束拉普拉斯抹平算法对网格节点进行抹平，具体思路为:按常规拉普拉斯方法计算节点抹平矢量，然后判断该抹平是否能确保网格质量有所提高，如果是则执行该抹平，否则将抹平量减半，如果减半后抹平量过小则放弃抹平，否则重复上诉步骤。
[0023]图2为本发明较佳实施例中铺砌法自由网格示意图。首先沿外固定边界铺砌四边形网格单元，然后任选一内固定边界铺砌四边形网格单元，由图2(a)可见两次铺砌形成的移动边界在A处存在交叠，此时对相关网格单元进行相应的缝合处理以确保每条边界的独立性和闭合性，处理后继续沿另一内固定边界进行四边形网格单元的铺砌，如图2(b)可见A处的交叠被消除，但是铺砌新的网格单元时又出现BI和B2处的移动边界交叠，对BI和B2处的相关网格单元进行相应的缝合处理，并继续铺砌四边形网格单元，如图2(c)所示，如此持续铺砌四边形网格单元，在出现移动边界相交或折叠时即对相关网格单元进行缝合处理，直至完成整个平面图元的网格铺砌。关于边界相交的处理，须遵守偶数节点约束(任意边界的节点总数为偶数)和网格最优化原则，大致可分为如下4种情况:(I)直接合并相交边界，如图2(a)的A、图2(b)的BI和B2处；(2)错开合并临近相交位置的边界，如图2 (c)的C处；(3)插入一个单元辅助边界相交处理，如图2 (d)的D2处；(4)删除某个单元以确保相交后的边界质量，如图2 (d)的Dl和2 (e)的E处。
[0024]1.2，针对建筑结构的可展空间曲面问题，联合参数空间法和铺砌法进行四边形网格划分，将空间曲面的网格问题转换为平面网格问题，然后通过坐标变换映射回原始三维空间。具体流程如下:首先根据曲面自身特性(比如柱面、圆台面、双曲面、抛物面等)将其展开为平面，在平面内进行自由网格划分(见1.1)，然后将平面网格映射回原始空间曲面得到曲面网格(其映射函数与曲面的具体形式有关)，以圆台和圆柱曲面为例，其网格划分如图3所示，图3 (a)与图3 (b)分别为圆台及圆柱的曲面网格划分示意图。
[0025]1.3、针对基础筏板的域内约束边界问题(定点定线问题)，其基本操作主要包括两部分:(I)在铺砌网格时，每生成一个新单元都会判断该区域是否存在孤立的约束结点(定点)，如果有则处理该结点，具体如图4所示，对建筑结构，所划分的四边形网格一般不会包含很多约束节点，若四边形单元内只有一个约束节点，则删除离该约束节点较近的网格节点，以该约束节点作为网格节点重构临近的4个四边形单元，若四边形单元内只有两个约束节点，则删除离该约束节点较近的两个网格节点，以该两个约束节点作为网格节点重构临近的6个四边形单元，当四边形单元内的两个约束节点正好有一个是网格节点时，问题退化为四边形单元内只有一个约束节点的情况，当存在3个较近的约束节点时，选择两个约束节点作四边形单元网格节点，其第三约束节点只能位于某四边形单元内，问题退化为四边形单元内只有一个约束节点的情况，当存在四个较近的约束节点时，直接以该4个约束节点作为四边形单元的网格节点，当存在5个较近的约束节点时，直接以该4个约束节点作为四边形单元的网格节点，其第5个约束节点置于该四边形单元内部，问题退化为四边形单元内只有一个约束节点的情况；(2)将初始约束边界模拟成裂纹边界，然后针对该裂纹边界生成广义闭合边界并执行网格铺砌，当约束线段与边界相交时，以原始边界为底、约束线段为腰生成面积为零的广义闭合边界，以该广义闭合边界为内固定边界按上述1.1生成四边形网格单元，当约束线段与边界独立时，以约束线段为对角线生成面积为零的广义闭合边界，以该广义闭合边界为内固定边界按上述1.1生成四边形网格单元，而对于约束边界自相交的情况，则根据相交点位置模拟成复合裂纹边界，然后执行网格铺砌，具体如图5所示，图5 (a)、(b)、(c)分别示出了与边界相连的约束线段、与边界独立的约束线段及复合约束线段。在此需说明的是:由于约束线段的自相交以及与原始内外边界相交，最后形成的广义边界无论是数量还是形状都可能与原始边界完全不同，比如图5c所示的复合裂纹边界，其广义外边界由约束线段连接原始内外边界而成，广义内边界由约束线段自相交而成，总边界数量由原始三条变为最终两条，但边界形状却复杂很多。图6所示为一复合裂纹边界网格划分实例，首先沿广义内边界铺砌四边形网格单元，如图6a所示，其次沿广义外边界铺砌四边形网格单元，如图6b所示，再次沿移动内/外边界继续铺砌四边形网格单元，如图6c所示,最后按上述1.1完成所有四边形网格的铺砌,如图6d所示。
[0026]1.4、针对剪力墙结构进行几何拆分，使之成为结构意义上的墙梁和墙柱，便于后续的内力统计和结构设计。通常来说几何拆分是比较困难的，但剪力墙结构有一定的规整性，其单片墙的形状相对比较固定，通常就是一个四边形外边界加一个四边形洞口，该洞口可能居中，也可能靠边，大多数情况下均可进行几何拆分，具体如图7所示，而对于部分带洞口的坡屋顶墙或梯形墙，则要根据洞口位置进一步判断拆分条件，特殊情况下可能不能拆分。表1针对图7的剪力墙拆分模式表:
【权利要求】
1.一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，包括如下步骤: 步骤一，针对建筑结构模型布置协调边界点； 步骤二，根据该建筑结构的不同构件进行相应构件网格划分，对于框架构件，则直接生成2节点单元；对于楼板或基础筏板采用自由网格划分；对于剪力墙，则区分直墙和曲面墙，对于直墙直接判断其能否拆分并采用映射网格或自由网格划分，对于曲面墙，则先将曲面映射到参数平面，然后根据能否拆分来选用映射网格或自由网格划分，最后再将参数平面网格映射回原始空间曲面以得到曲面网格。
2.如权利要求1所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于:于步骤二中，自由网格划分为采用铺砌法对任意平面图元进行纯四边形自由网格划分。
3.如权利要求2所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于，该自由网格划分包括如下步骤: 步骤3.1,根据所要划分的网格的密度和大小沿任意平面图的固定边界形成初始化边界节点； 步骤3.2，将该些节点形成一条双向链表，选择四边形网格从外固定边界向里、内边界向外开始一层层铺砌，铺砌一层后，外固定边界向里更新形成移动外边界，内固定边界向外更新形成移动内边界； 步骤3.3，以形成的移动边界为外边界、内边界重复前述步骤直到填满整个区域； 步骤3.4，在移动外边界节点与移动内边界节点间距接近指定网格大小时，启动单元闭合对节点封闭环进行封闭处理； 步骤3.5，联合加权拉普拉斯抹平算法和约束拉普拉斯抹平算法对网格节点进行抹平。
4.如权利要求3所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于:于步骤3.1中，外铺砌边界的节点按逆时针方向排列，内铺砌边界的节点按顺时针方向排列。
5.如权利要求3所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法,其特征在于:于步骤3.4中，封闭处理包括节点删除、单元张开、单元闭合、单元转换、单元边删除、复合拓扑优化。
6.如权利要求3所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法,其特征在于:于步骤3.5中，按常规拉普拉斯方法计算节点抹平矢量，然后判断该抹平是否能确保网格质量有所提高，如果是则执行该抹平，否者将抹平量减半，如果减半后抹平量过小则放弃抹平，否则重复上述步骤。
7.如权利要求1所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于，于步骤二中，对于基础筏板，还需针对基础筏板的域内约束边界问题进行处理，该处理操作包括如下两部分:(I)在铺砌网格时，每生成一个新单元都会判断区域是否存在孤立的约束结点，如果有则处理该结点；(2)将初始约束边界模拟成裂纹边界，然后针对该裂纹边界生成广义闭合边界并执行网格铺砌，而对于约束边界自相交的情况，则根据相交点位置模拟成复合裂纹边界，然后执行网格铺砌。
8.如权利要求7所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于:对于复合裂纹边界网格划分，首先沿广义内边界铺砌四边形网格单元，其次沿广义外边界铺砌四边形网格单元，再次沿移动内/外边界继续铺砌四边形网格单元，最后按自由网格划分完成所有四边形网格的铺砌。
9.如权利要求1所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于:于步骤二中，对于曲面墙，联合参数空间法和铺砌法进行四边形网格划分，将空间曲面的网格问题转换为平面网格问题，于网格划分后通过坐标变换映射回原始三维空间。
10.如权利要求1所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于，于步骤二中，对于剪力墙结构的几何拆分，采用如下方法:对于无洞口的剪力墙，不存在拆分；对于有洞口的剪力墙，大多数情况下均可进行几何拆分；对于部分带洞口的坡屋顶墙或梯形墙，则根据洞口位置进一步判断拆`分条件。
【文档编号】G06F17/50GK103678820SQ201310720955
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】段进, 陈晓明, 李云贵 申请人:中国建筑股份有限公司
【专利摘要】本发明公开了一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，包括如下步骤：针对建筑结构模型布置协调边界点；根据该建筑结构的不同构件进行相应构件网格划分，对于框架构件，则直接生成2节点单元，对于楼板或基础筏板采用自由网格划分，对于剪力墙，则区分直墙和曲面墙，对于直墙直接判断其能否拆分并采用映射网格或自由网格划分，对于曲面墙，则先将曲面映射到参数平面，然后根据能否拆分来选用映射网格或自由网格划分，最后再将参数平面网格映射回原始空间曲面以得到曲面网格，本发明实现了建筑结构几何信息模型的网格划分，可用于任意复杂建筑结构，具有很强的通用性。
【专利说明】一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及建筑信息模型(BIM)领域，特别是涉及一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法。
【背景技术】
[0002]迄今为止，计算机技术的发展对建筑行业有过两次革命性的贡献，第一次是CAD(Computer Aided Design)技术取代传统图纸，第 二次是 BIM(Building InformationModeling)，通常翻译为“建筑信息模型”。前者是工具上的转变，而后者是思路上的转变；前者仅影响建筑结构的设计阶段，而后者将贯穿建筑结构的全生命周期(含策划、设计、施工、运维等)。因此对建筑行业来说，BIM是一次更彻底地冲击和变革。
[0003]BM包含的内容非常广，其中建筑结构的安全性分析和舒适性分析是最基本内容之一。对于这类问题，伴随计算机而发展起来的有限元方法已成为主流方法。有限元的基本思想是“先离散后集成”，因此为得到有限元解必须先对结构进行有限元离散，即网格划分。网格划分从拓扑关系上来说可分为映射网格(结构化网格)和自由网格(非结构化网格)。映射网格是指内部结点的拓扑关系一致，也就是说每个内部结点均连接相同数目的单元，该网格的生成方式很简单，网格划分速度很快，网格质量也很好，但它只适用于特殊的几何边界，在实际工程中很受限制。自由网格是指内部结点的拓扑关系可以任意，也就是说每个内部结点可连接任意数目的结点和单元，该网格的生成方式较为复杂，但理论上适用于任意复杂的几何边界，因此在通用软件中被广泛采用。
[0004]网格划分的最基本要求是“能够适应各类复杂几何边界、网格离散结果能够真实反映原始几何模型”，而为了适应有限元分析的要求，网格划分还需满足如下几个条件:
边界敏感性:因为有限元计算结果对边界网格非常敏感，网格划分时需优先保证边界网格的质量，尽可能让边界网格与边界形状保持一致以确保边界网格的均匀性和方正性；方向无关性:旋转或转换一个给定的几何区域不能改变其网格划分的结果，也就是说，网格划分的结果由区域形状决定，而跟总体坐标系的选择无关，以避免总体坐标系的选择影响有限元计算结果；
奇异节点数目较少且远离边界:对于四边形网格来说，奇异点是指与之相连的单元数目不等于4的内部节点，对于三角形网格来说，奇异点是指与之相连的单元数目不等于6的内部节点。这是网格划分中非常关键的一个问题，因为奇异点的数量和位置将直接决定优化后的最终网格质量。通常来说，自由网格划分中出现奇异点是不可避免的，但可以通过算法优化尽量减少奇异点的数目，同时尽可能避免奇异点出现在边界附近，因为边界网格对有限元结果的影响更为显著。
[0005]从有限元的角度来说，网格划分不仅是其前提和基础，同时网格质量也将直接影响有限元结果的可靠性和准确性。事实上，在有限元发展的早期阶段，网格划分曾经是制约有限元应用和推广的一个重要因素，即便到了今天，网格自动划分技术依然不够完善。正因为如此，近几十年来，全世界各大高校、公司、科研机构均投入了大量的人力物力进行相关研究，发展了各种不同的网格划分算法。但这些算法基本都是针对通用几何模型(尤其是机械模型)，没有考虑(或者说利用)建筑结构的特殊性，若直接用来进行建筑结构网格划分其效果并不十分理想，因此关于建筑结构的网格划分还需做有针对性的专门研究。
【发明内容】
[0006]为克服上述现有技术存在的不足，本发明之主要目的在于提供一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其考虑了建筑结构的特殊性，实现了建筑结构几何信息模型的网格划分，可用于任意复杂建筑结构，具有很强的通用性。
[0007]为达上述及其它目的，本发明提出一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，包括如下步骤:
步骤一，针对建筑结构模型布置协调边界点；
步骤二，根据该建筑结构的不同构件进行构件网格划分，对于框架构件，则直接生成2节点单元；对于楼板或基础筏板采用自由网格划分；对于剪力墙，则区分直墙和曲面墙，对于直墙直接判断其能否拆分并采用映射网格或自由网格划分，对于曲面墙，则先将曲面映射到参数平面，然后根据能否拆分来选用映射网格或自由网格划分，最后再将参数平面网格映射回原始空间曲面以得到曲面网格。
[0008]进一步地，于步骤二中，自由网格划分为采用铺砌法对任意平面图元进行纯四边形自由网格划分。
[0009]进一步地，该自由网格划分包括如下步骤:
步骤3.1,根据所要划分的网格的密度和大小沿任意平面图的固定边界形成初始化边界节点；
步骤3.2，将该些节点形成一条双向链表，选择四边形网格从外固定边界向里、内边界向外开始一层层铺砌，铺砌一层后，外固定边界向里更新形成移动外边界，内固定边界向外更新形成移动内边界；
步骤3.3，以形成的移动边界为外边界、内边界重复前述步骤直到填满整个区域；
步骤3.4，在移动外边界节点与移动内边界节点间距接近指定网格大小时，启动单元闭合对节点封闭环进行封闭处理；
步骤3.5，联合加权拉普拉斯抹平算法和约束拉普拉斯抹平算法对网格节点进行抹平。
[0010]进一步地，于步骤3.1中，外铺砌边界的节点按逆时针方向排列，内铺砌边界的节点按顺时针方向排列。
[0011]进一步地，于步骤3.4中，封闭处理包括节点删除、单元张开、单元闭合、单元转换、单元边删除、复合拓扑优化。
[0012]进一步地，于步骤3.5中，按常规拉普拉斯方法计算节点抹平矢量，然后判断该抹平是否能确保网格质量有所提高，如果是则执行该抹平，否者将抹平量减半，如果减半后抹平量过小则放弃抹平，否则重复上述步骤。
[0013]进一步地，于步骤二中，对于基础筏板，还需针对基础筏板的域内约束边界问题进行处理，该处理操作包括如下两部分:(I)在铺砌网格时，每生成一个新单元都会判断区域是否存在孤立的约束结点，如果有则处理该结点；(2)将初始约束边界模拟成裂纹边界，然后针对该裂纹边界生成广义闭合边界并执行网格铺砌，而对于约束边界自相交的情况，则根据相交点位置模拟成复合裂纹边界，然后执行网格铺砌。
[0014]进一步地，对于复合裂纹边界网格划分，首先沿广义内边界铺砌四边形网格单元，其次沿广义外边界铺砌四边形网格单元，再次沿移动内/外边界继续铺砌四边形网格单元，最后按自由网格划分完成所有四边形网格的铺砌。
[0015]进一步地，于步骤二中，对于曲面墙，联合参数空间法和铺砌法进行四边形网格划分，将空间曲面的网格问题转换为平面网格问题，于网格划分后通过坐标变换映射回原始
三维空间。
[0016]进一步地，于步骤二中，对于剪力墙结构的几何拆分，采用如下方法:对于无洞口的剪力墙，不存在拆分；对于有洞口的剪力墙，大多数情况下均可进行几何拆分；对于部分带洞口的坡屋顶墙或梯形墙，则根据洞口位置进一步判断拆分条件。
[0017]与现有技术相比，本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法以铺砌法为核心，联合映射网格和几何拆分法，并兼顾自由网格的通用性和映射网格的高效性，实现了建筑结构几何信息模型的网格划分，可用于任意复杂建筑结构，具有很强的通用性，同时本发明之网格划分方法将结构离散成比较均匀的协调模型，适用于有限元分析。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法的步骤流程图；
图2为本发明较佳实施例中铺砌法自由网格示意图；
图3为本发明较佳实施例中空间曲面网格划分(以圆台及圆柱为例)的示意图；
图4为本发明较佳实施例中约束结点处理示意图；
图5为本发明较佳实施例中约束线段处理示意图；
图6为本发明较佳实施例中一复合裂纹边界网格划分实例；
图7为本发明较佳实施例中剪力墙拆分模式示意图；
图8为本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法之较佳实施例的步骤流程图。
【具体实施方式】
[0019]以下通过特定的具体实例并结合【专利附图】
【附图说明】本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
[0020]图1为本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，包括如下步骤:
步骤101，针对建筑结构模型布置协调边界点(梁柱撑墙板协调)。
[0021]步骤102，根据建筑结构的不同构件进行相应构件网格化分，若是框架构件，则直接生成2节点单元；如果是楼板或基础筏板则采用自由网格划分；如果是剪力墙则区分直墙和曲面墙，对于直墙，则直接判断能否拆分并采用映射网格或自由网格划分，对于曲面墙，则先将曲面映射到参数平面，然后根据能否拆分来选用映射网格或自由网格，最后再将参数平面网格映射回原始空间曲面以得到曲面网格。
[0022]以下对步骤102中不同构件的网格划分做进一步说明:
1.1、采用铺砌法对任意平面图元进行纯四边形自由网格划分。其具体步骤如下:根据所要划分的网格的密度和大小沿任意平面图的固定边界(内固定边界或外固定边界)形成初始化边界节点，其中，外铺砌边界的节点按逆时针方向排列，内铺砌边界的节点按顺时针方向排列；这些节点形成一条双向链表，选择四边形网格从外固定边界向里、内边界向外开始一层层铺砌，铺砌一层后，外固定边界向里更新形成移动外边界，内固定边界向外更新形成移动内边界，在该过程中，移动边界自身以及移动边界与原固定边界之间可能会出现边界相交或折叠的情况，此时需对单元进行相应的缝合处理以确保每条边界的独立性和闭合性；以形成的移动边界(移动外边界、移动内边界)为外边界、内边界重复前述步骤直到填满整个区域；在移动外边界节点与移动内边界节点间距接近指定网格大小时，启动单元闭合对节点封闭环进行封闭处理，具体包括节点删除、单元张开、单元闭合、单元转换、单元边删除、复合拓扑优化等；联合加权拉普拉斯抹平算法和约束拉普拉斯抹平算法对网格节点进行抹平，具体思路为:按常规拉普拉斯方法计算节点抹平矢量，然后判断该抹平是否能确保网格质量有所提高，如果是则执行该抹平，否则将抹平量减半，如果减半后抹平量过小则放弃抹平，否则重复上诉步骤。
[0023]图2为本发明较佳实施例中铺砌法自由网格示意图。首先沿外固定边界铺砌四边形网格单元，然后任选一内固定边界铺砌四边形网格单元，由图2(a)可见两次铺砌形成的移动边界在A处存在交叠，此时对相关网格单元进行相应的缝合处理以确保每条边界的独立性和闭合性，处理后继续沿另一内固定边界进行四边形网格单元的铺砌，如图2(b)可见A处的交叠被消除，但是铺砌新的网格单元时又出现BI和B2处的移动边界交叠，对BI和B2处的相关网格单元进行相应的缝合处理，并继续铺砌四边形网格单元，如图2(c)所示，如此持续铺砌四边形网格单元，在出现移动边界相交或折叠时即对相关网格单元进行缝合处理，直至完成整个平面图元的网格铺砌。关于边界相交的处理，须遵守偶数节点约束(任意边界的节点总数为偶数)和网格最优化原则，大致可分为如下4种情况:(I)直接合并相交边界，如图2(a)的A、图2(b)的BI和B2处；(2)错开合并临近相交位置的边界，如图2 (c)的C处；(3)插入一个单元辅助边界相交处理，如图2 (d)的D2处；(4)删除某个单元以确保相交后的边界质量，如图2 (d)的Dl和2 (e)的E处。
[0024]1.2，针对建筑结构的可展空间曲面问题，联合参数空间法和铺砌法进行四边形网格划分，将空间曲面的网格问题转换为平面网格问题，然后通过坐标变换映射回原始三维空间。具体流程如下:首先根据曲面自身特性(比如柱面、圆台面、双曲面、抛物面等)将其展开为平面，在平面内进行自由网格划分(见1.1)，然后将平面网格映射回原始空间曲面得到曲面网格(其映射函数与曲面的具体形式有关)，以圆台和圆柱曲面为例，其网格划分如图3所示，图3 (a)与图3 (b)分别为圆台及圆柱的曲面网格划分示意图。
[0025]1.3、针对基础筏板的域内约束边界问题(定点定线问题)，其基本操作主要包括两部分:(I)在铺砌网格时，每生成一个新单元都会判断该区域是否存在孤立的约束结点(定点)，如果有则处理该结点，具体如图4所示，对建筑结构，所划分的四边形网格一般不会包含很多约束节点，若四边形单元内只有一个约束节点，则删除离该约束节点较近的网格节点，以该约束节点作为网格节点重构临近的4个四边形单元，若四边形单元内只有两个约束节点，则删除离该约束节点较近的两个网格节点，以该两个约束节点作为网格节点重构临近的6个四边形单元，当四边形单元内的两个约束节点正好有一个是网格节点时，问题退化为四边形单元内只有一个约束节点的情况，当存在3个较近的约束节点时，选择两个约束节点作四边形单元网格节点，其第三约束节点只能位于某四边形单元内，问题退化为四边形单元内只有一个约束节点的情况，当存在四个较近的约束节点时，直接以该4个约束节点作为四边形单元的网格节点，当存在5个较近的约束节点时，直接以该4个约束节点作为四边形单元的网格节点，其第5个约束节点置于该四边形单元内部，问题退化为四边形单元内只有一个约束节点的情况；(2)将初始约束边界模拟成裂纹边界，然后针对该裂纹边界生成广义闭合边界并执行网格铺砌，当约束线段与边界相交时，以原始边界为底、约束线段为腰生成面积为零的广义闭合边界，以该广义闭合边界为内固定边界按上述1.1生成四边形网格单元，当约束线段与边界独立时，以约束线段为对角线生成面积为零的广义闭合边界，以该广义闭合边界为内固定边界按上述1.1生成四边形网格单元，而对于约束边界自相交的情况，则根据相交点位置模拟成复合裂纹边界，然后执行网格铺砌，具体如图5所示，图5 (a)、(b)、(c)分别示出了与边界相连的约束线段、与边界独立的约束线段及复合约束线段。在此需说明的是:由于约束线段的自相交以及与原始内外边界相交，最后形成的广义边界无论是数量还是形状都可能与原始边界完全不同，比如图5c所示的复合裂纹边界，其广义外边界由约束线段连接原始内外边界而成，广义内边界由约束线段自相交而成，总边界数量由原始三条变为最终两条，但边界形状却复杂很多。图6所示为一复合裂纹边界网格划分实例，首先沿广义内边界铺砌四边形网格单元，如图6a所示，其次沿广义外边界铺砌四边形网格单元，如图6b所示，再次沿移动内/外边界继续铺砌四边形网格单元，如图6c所示,最后按上述1.1完成所有四边形网格的铺砌,如图6d所示。
[0026]1.4、针对剪力墙结构进行几何拆分，使之成为结构意义上的墙梁和墙柱，便于后续的内力统计和结构设计。通常来说几何拆分是比较困难的，但剪力墙结构有一定的规整性，其单片墙的形状相对比较固定，通常就是一个四边形外边界加一个四边形洞口，该洞口可能居中，也可能靠边，大多数情况下均可进行几何拆分，具体如图7所示，而对于部分带洞口的坡屋顶墙或梯形墙，则要根据洞口位置进一步判断拆分条件，特殊情况下可能不能拆分。表1针对图7的剪力墙拆分模式表:
【权利要求】
1.一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，包括如下步骤: 步骤一，针对建筑结构模型布置协调边界点； 步骤二，根据该建筑结构的不同构件进行相应构件网格划分，对于框架构件，则直接生成2节点单元；对于楼板或基础筏板采用自由网格划分；对于剪力墙，则区分直墙和曲面墙，对于直墙直接判断其能否拆分并采用映射网格或自由网格划分，对于曲面墙，则先将曲面映射到参数平面，然后根据能否拆分来选用映射网格或自由网格划分，最后再将参数平面网格映射回原始空间曲面以得到曲面网格。
2.如权利要求1所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于:于步骤二中，自由网格划分为采用铺砌法对任意平面图元进行纯四边形自由网格划分。
3.如权利要求2所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于，该自由网格划分包括如下步骤: 步骤3.1,根据所要划分的网格的密度和大小沿任意平面图的固定边界形成初始化边界节点； 步骤3.2，将该些节点形成一条双向链表，选择四边形网格从外固定边界向里、内边界向外开始一层层铺砌，铺砌一层后，外固定边界向里更新形成移动外边界，内固定边界向外更新形成移动内边界； 步骤3.3，以形成的移动边界为外边界、内边界重复前述步骤直到填满整个区域； 步骤3.4，在移动外边界节点与移动内边界节点间距接近指定网格大小时，启动单元闭合对节点封闭环进行封闭处理； 步骤3.5，联合加权拉普拉斯抹平算法和约束拉普拉斯抹平算法对网格节点进行抹平。
4.如权利要求3所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于:于步骤3.1中，外铺砌边界的节点按逆时针方向排列，内铺砌边界的节点按顺时针方向排列。
5.如权利要求3所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法,其特征在于:于步骤3.4中，封闭处理包括节点删除、单元张开、单元闭合、单元转换、单元边删除、复合拓扑优化。
6.如权利要求3所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法,其特征在于:于步骤3.5中，按常规拉普拉斯方法计算节点抹平矢量，然后判断该抹平是否能确保网格质量有所提高，如果是则执行该抹平，否者将抹平量减半，如果减半后抹平量过小则放弃抹平，否则重复上述步骤。
7.如权利要求1所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于，于步骤二中，对于基础筏板，还需针对基础筏板的域内约束边界问题进行处理，该处理操作包括如下两部分:(I)在铺砌网格时，每生成一个新单元都会判断区域是否存在孤立的约束结点，如果有则处理该结点；(2)将初始约束边界模拟成裂纹边界，然后针对该裂纹边界生成广义闭合边界并执行网格铺砌，而对于约束边界自相交的情况，则根据相交点位置模拟成复合裂纹边界，然后执行网格铺砌。
8.如权利要求7所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于:对于复合裂纹边界网格划分，首先沿广义内边界铺砌四边形网格单元，其次沿广义外边界铺砌四边形网格单元，再次沿移动内/外边界继续铺砌四边形网格单元，最后按自由网格划分完成所有四边形网格的铺砌。
9.如权利要求1所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于:于步骤二中，对于曲面墙，联合参数空间法和铺砌法进行四边形网格划分，将空间曲面的网格问题转换为平面网格问题，于网格划分后通过坐标变换映射回原始三维空间。
10.如权利要求1所述的一种用于建筑结构几何信息模型网格划分的方法，其特征在于，于步骤二中，对于剪力墙结构的几何拆分，采用如下方法:对于无洞口的剪力墙，不存在拆分；对于有洞口的剪力墙，大多数情况下均可进行几何拆分；对于部分带洞口的坡屋顶墙或梯形墙，则根据洞口位置进一步判断拆`分条件。
【文档编号】G06F17/50GK103678820SQ201310720955
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月24日 优先权日:2013年12月24日
【发明者】段进, 陈晓明, 李云贵 申请人:中国建筑股份有限公司
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