基于Grasshopper的肋环型索穹顶结构参数化建模方法与流程

基于grasshopper的肋环型索穹顶结构参数化建模方法
技术领域
1.本发明属于建筑结构技术领域，更具体地，涉及一种基于grasshopper的肋环型索穹顶结构体系参数化建模方法。


背景技术：

2.随着各类体育场馆等大型公共建筑的兴起，结构工程师不断提出新型空间结构形式来满足大跨度建筑的需求，其中索穹顶结构以造型新颖、受力合理等特点得到了迅速发展与广泛应用。索穹顶作为高效且轻盈的结构，最早的体系是由美国工程师geiger提出并应用到实际工程中的，称为肋环型索穹顶结构体系。经过不断发展，其形式逐渐由传统fuller构想张拉整体类索穹顶转向了非fuller构想多撑杆类索穹顶，大致可以分为肋环型单撑杆、肋环型双撑杆和肋环型四撑杆三种类型，极大丰富了索穹顶结构形式和类型。
3.根据一般结构设计流程，设计人员通常手动在分析软件中建立节点三维模型来进行计算分析，这种建模方式效率十分低下，当节点、杆件过多时容易产生错误。并且针对肋环型体系下的多类型索穹顶结构，如果想进行设计过程中的多方案比选，更是会让工作量成倍增加，大大降低了方案比选的可行性。


技术实现要素：

4.针对现有的肋环型索穹顶结构体系设计流程中存在的建模效率低下且复杂等技术问题，本发明提出一种基于grasshopper的肋环型索穹顶结构体系参数化建模方法，能够大幅度提高工作效率。
5.为实现上述目的，本发明提供了一种基于grasshopper的肋环型索穹顶结构体系参数化建模方法，包括：
6.获取待建立肋环型索穹顶结构体系的建筑表皮三维模型；
7.确定索穹顶结构的几何与类型控制参数，利用相应的输入运算器表示各几何与类型控制参数；
8.基于输入的几何与类型控制参数，调用封装好的肋环型单撑杆节点模型生成运算器、肋环型双撑杆节点模型生成运算器或肋环型四撑杆节点模型生成运算器，生成相应节点模型；
9.基于生成的节点模型与输入的几何与类型控制参数，运用肋环型单撑杆线框模型生成运算器、肋环型双撑杆线框模型生成运算器或肋环型四撑杆线框模型生成运算器，形成对应的索穹顶结构三维模型。
10.在一些可选的实施方案中，由肋环型单撑杆节点模型生成运算器生成肋环型单撑杆节点模型的方法为：
11.根据建筑表皮曲面s，得到曲面s的最外圈轮廓线，将最外圈轮廓线投影至xy平面得到投影线c；
12.以投影线c的中心点为圆心作半径为任意值的圆，取该圆的n1个第一等分点，n1的
值为环向等分数所输入的参数，并且以该圆的圆心作为起点，向每个第一等分点的方向作一条射线；
13.利用投影线c去截取射线，得到位于投影线c范围内的线段，取每条线段的n2个第二等分点，n2的值为径向等分数所输入的参数，并且将所得的第二等分点构成的列表进行矩阵转置，得到点列表p；
14.点列表p投影至建筑表皮曲面s上，最后按照投影线c进行排序，得到有序的肋环型单撑杆上节点；
15.点列表p进行两两分组，然后将每组的两个点相连形成多根线段，通过位置参数取得每条线段上的一个点，得到一般形式的下节点定位点；
16.点列表p删除最后一列数据，得到特殊形式的下节点定位点；
17.通过布尔参数控制stream filter运算器，选择一般形式的下节点定位点或特殊形式的下节点定位点，并将相应的下节点定位点投影至建筑表皮曲面s上，然后通过结构高度这一参数来控制点向下移动的距离，最后按照投影线c进行排序，得到有序的肋环型单撑杆下节点。
18.在一些可选的实施方案中，运用肋环型单撑杆线框模型生成运算器生成肋环型单撑杆线框模型的方法为：
19.有序的肋环型单撑杆上节点进行逐点相连，得到闭合的折线，提取最内圈的折线，按照最内圈折线对应的上节点分割为多个直线段，得到上内环索模型；
20.有序的肋环型单撑杆上节点进行逐点相连，得到闭合的折线，提取最外圈的折线，按照最外圈折线对应的上节点分割为多个直线段，得到环梁模型；
21.有序的肋环型单撑杆上节点列表进行矩阵转置后，逐点相连并按照节点分割为多个直线段，得到脊索模型；
22.将有序的肋环型单撑杆上节点与肋环型单撑杆下节点列表进行数据处理，对位上下节点相连生成撑杆模型，错位上下节点相连生成斜索模型；
23.有序的肋环型单撑杆下节点进行逐点相连，并按照节点分割为多个直线段，得到下环索模型。
24.在一些可选的实施方案中，由肋环型双撑杆节点模型生成运算器生成肋环型双撑杆节点模型的方法为：
25.根据建筑表皮曲面s，得到曲面s的最外圈轮廓线，将最外圈轮廓线投影至xy平面得到投影线c；
26.以投影线c的中心点为圆心作半径为任意值的圆，取该圆的n1个第一等分点，n1的值为环向等分数所输入的参数，并且以该圆的圆心作为起点，向每个第一等分点的方向作一条射线；
27.利用投影线c去截取射线，得到位于投影线c范围内的线段，取每条线段的n2个第二等分点，n2的值为径向等分数所输入的参数，并且将所得的第二等分点构成的列表进行矩阵转置，得到点列表p；
28.点列表p投影至建筑表皮曲面s上，最后按照投影线c进行排序，得到有序的肋环型双撑杆上节点；
29.点列表p分别删除最后一列数据与第一列数据，利用weave运算器将删除后的两组
列表组合，将组合列表中的点逐个相连并打断，形成若干线段，取线段的中点形成新的点列表，将新的点列表进行转置，然后按照若干个数据一组进行重新分组，再将每一组中的两个点相连接形成若干线段，通过位置参数取得每条线段上的一个点，得到一般形式的下节点定位点；
30.点列表p删除最后一列数据，将剩余的点连成若干根曲线，求这些曲线的外接多边形，所得外接多边形的顶点为特殊形式的下节点定位点；
31.通过布尔参数控制stream filter运算器，选择一般形式的下节点定位点或特殊形式的下节点定位点，并将相应的下节点定位点投影至建筑表皮曲面s上，然后通过结构高度这一参数来控制点向下移动的距离，最后按照投影线c进行排序，得到有序的肋环型双撑杆下节点。
32.在一些可选的实施方案中，所述曲线的外接多边形的生成方法为：取原曲线n等分点，利用分析运算器求得原曲线在这些点上的切线方向，以等分点为起点，分别向切线方向与其相反方向作射线，所有线围成的多边形为曲线的外接多边形。
33.在一些可选的实施方案中，运用肋环型双撑杆线框模型生成运算器生成肋环型双撑杆线框模型的方法为：
34.有序的肋环型双撑杆上节点进行逐点相连，得到闭合的折线，提取最内圈的折线，按照最内圈折线对应的上节点分割为多个直线段，得到上内环索模型；
35.有序的肋环型双撑杆上节点进行逐点相连，得到闭合的折线，提取最外圈的折线，按照最外圈折线对应的上节点分割为多个直线段，得到环梁模型；
36.有序的肋环型双撑杆上节点列表进行矩阵转置后，逐点相连并按照节点分割为多个直线段，得到脊索模型；
37.将有序的肋环型双撑杆上节点两两成组，利用weave运算器将每组的第一列点与有序的肋环型双撑杆下节点进行组合，形成新的点列表，将新的点列表中的点逐个相连并打断，得到的若干线段为撑杆模型；
38.利用weave运算器将每组的第二列点与有序的肋环型双撑杆下节点进行组合，形成新的点列表，将新的点列表中的点逐个相连并打断，得到的若干线段为斜索模型；
39.有序的肋环型双撑杆下节点进行逐点相连，并按照节点分割为多个直线段，得到下环索模型。
40.在一些可选的实施方案中，由肋环型四撑杆节点模型生成运算器生成肋环型四撑杆节点模型的方法为：
41.根据建筑表皮曲面s，得到曲面s的最外圈轮廓线，将最外圈轮廓线投影至xy平面得到投影线c；
42.以投影线c的中心点为圆心作半径为任意值的圆，取该圆的n1个第一等分点，n1的值为环向等分数所输入的参数，并且以该圆的圆心作为起点，向每个第一等分点的方向作一条射线；
43.利用投影线c去截取射线，得到位于投影线c范围内的线段，取每条线段的n2个第二等分点，n2的值为径向等分数所输入的参数，并且将所得的第二等分点构成的列表进行矩阵转置，得到点列表p；
44.点列表p投影至建筑表皮曲面s上，最后按照投影线c进行排序，得到有序的肋环型
四撑杆上节点；
45.对点列表p进行复制添加操作得到新的点列表，将新的点列表中的点逐个相连并打断，形成若干线段，取线段的中点再次形成新的点列表，将再次得到的新的点列表进行转置，然后按照3个数据一组进行重新分组，再将每一组中的3个点相连接形成若干线段，通过位置参数取得每条线段上的一个点，得到一般形式的下节点定位点；
46.点列表p中的点逐个相连形成若干条闭合折线，利用dispatch运算器，按照false、true的规则提取相应的折线，将折线在顶点位置打断生成若干直线段，取每条直线段的中点，得到特殊形式的下节点定位点；
47.通过布尔参数控制stream filter运算器，选择一般形式的下节点定位点或特殊形式的下节点定位点，并将相应的下节点定位点投影至建筑表皮曲面s上，然后通过结构高度这一参数来控制点向下移动的距离，最后按照投影线c进行排序，得到有序的肋环型四撑杆下节点。
48.在一些可选的实施方案中，所述对点列表p进行复制添加操作得到新的点列表，包括：
49.利用tree statistics运算器获取点列表p的长度l；创建起始值为3、间隔为2、个数为l的第一目标数列，将该第一目标数列中的每个数值与l进行比较，如果小于l则将该数值提取出来并减去1，形成新的数值列表；
50.利用list item运算器，以新数值列表中的每个数值为索引编号，将点列表p中对应位置的数据提取出来；并利用insert items运算器将提取的数据按照索引编号插入点列表p，得到复制添加操作得到的新的点列表。
51.在一些可选的实施方案中，由肋环型四撑杆线框模型生成运算器生成肋环型四撑杆线框模型的方法为：
52.有序的肋环型四撑杆上节点进行逐点相连，得到闭合的折线，提取最内圈的折线，按照最内圈折线对应的上节点分割为多个直线段，得到上内环索模型；
53.有序的肋环型四撑杆上节点进行逐点相连，得到闭合的折线，提取最外圈的折线，按照最外圈折线对应的上节点分割为多个直线段，得到环梁模型；
54.有序的肋环型四撑杆上节点列表进行矩阵转置后，逐点相连并按照节点分割为多个直线段，得到脊索模型；
55.对有序的肋环型四撑杆上节点进行复制添加操作，然后按照3个数据一组进行重新分组，利用weave运算器分别将每组的第一列点和第二列点与有序的肋环型四撑杆下节点进行组合，形成新的点列表，将新的点列表中的点逐个相连并打断，得到的若干线段为撑杆模型；
56.利用weave运算器分别将每组的第三列点与有序的肋环型四撑杆下节点进行组合，形成新的点列表，将新的点列表中的点逐个相连并打断，得到的若干线段为斜索模型；
57.有序的肋环型四撑杆下节点进行逐点相连，并按照节点分割为多个直线段，得到下环索模型。
58.在一些可选的实施方案中，所述对有序的肋环型四撑杆上节点进行复制添加操作，包括：
59.利用tree statistics运算器获取有序的肋环型四撑杆上节点列表的长度m；创建
起始值为3、间隔为2、个数为m的第二目标数列，将该第二目标数列中的每个数值与m进行比较，如果小于m则将该数值提取出来并减去1，形成新的数值列表；
60.利用list item运算器，以新数值列表中的每个数值为索引编号，将有序的肋环型四撑杆上节点列表中对应位置的数据提取出来；并利用insert items运算器将提取的数据按照索引编号插入有序的肋环型四撑杆上节点列表，得到复制添加操作得到的新的点列表。
61.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
62.本发明综合了现有的肋环型索穹顶结构体系中的多种类型，将其建模过程拆分为节点建模和线框建模两部分，通过grasshopper的可视化编程功能将一系列建模操作进行编写与封装，既保留了一定的更改自由度，又极大简化了繁琐的建模过程；结合参数化建模的优势，能够通过少数的几个参数对模型的拓扑关系与几何尺寸进行修改，生成的三维线框模型也容易导入分析软件中进行结构计算，极大程度提高了索穹顶结构设计的建模效率，为结构设计初期的方案比选提供了有力的技术支持，促进了索穹顶结构的使用与发展。
附图说明
63.图1是本发明实施例提供的一种方法流程示意图；
64.图2是本发明实施例提供的一种建筑表皮的三维模型；
65.图3是本发明实施例提供的一种自主封装后的运算器调用程序图，其中，(a)为完整的程序图，(b)为节点模型生成运算器程序图，(c)为线框模型生成运算器程序图；
66.图4是本发明实施例提供的一种肋环型单撑杆索穹顶，其中，(a)为生成节点模型的完整运算器连接图，(b)为生成线框模型的完整运算器连接图，(c)为生成节点模型的立体图，(d)为生成线框模型的立体图；
67.图5是本发明实施例提供的一种肋环型双撑杆索穹顶，其中，(a)为生成节点模型的完整运算器连接图，(b)为生成线框模型的完整运算器连接图，(c)为生成节点模型的立体图，(d)为生成线框模型的立体图；
68.图6是本发明实施例提供的一种肋环型四撑杆索穹顶，其中，(a)为生成节点模型的完整运算器连接图，(b)为生成线框模型的完整运算器连接图，(c)为生成节点模型的立体图，(d)为生成线框模型的立体图；
69.图7是本发明实施例提供的一种曲线外接多边形，其中，(a)为生成曲线外接多边形的完整运算器连接图，(b)为生成曲线外接多边形的平面图。
具体实施方式
70.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
71.在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序或先后次序。
72.本发明包含了肋环型体系下的三种索穹顶结构形式，通过对具体类型的选择，加上各种参数的控制，能快速生成不同索穹顶结构的三维模型，大大提高建模效率，为肋环型体系索穹顶结构的方案比选、受力分析与设计优化提供了极大便利。本发明以基于rhino软件的grasshopper可视化编程插件为平台，采用参数化建模的思想，梳理索穹顶结构节点与构件之间的逻辑关系，通过输入和改变相应参数即可快速构建不同类型的索穹顶结构三维模型，然后将其导入分析软件中进行后续的计算分析，不仅极大程度提高了建模效率，解放劳动力与生产力，而且为方案设计阶段的结构选型提供了可靠的技术支持。如图1所示，一种基于grasshopper的肋环型索穹顶结构体系参数化建模方法，其步骤如下：
73.(1)获取待建立肋环型索穹顶结构体系的建筑表皮三维模型，如图2所示；
74.(2)确定索穹顶结构的几何与类型控制参数，利用相应的输入运算器表示各几何与类型控制参数；
75.其中，几何参数包括环向等分数、径向等分数、位置参数、结构高度；类型参数包括肋环型单撑杆、肋环型双撑杆、肋环型四撑杆；另有一参数来控制是否采用每种类型的特殊形式。所有参数及完整的程序图如图3(a)所示。
76.(3)基于输入的几何与类型控制参数，利用自主封装的节点模型生成运算器来生成索穹顶上、下节点，节点模型生成运算器内部结构如图3(b)所示；
77.其中，当类型为肋环型单撑杆时，调用自主封装的肋环型单撑杆节点模型生成运算器，其内部结构如图4(a)所示。肋环型单撑杆节点模型生成方法为：1)得到建筑外表皮的最外圈轮廓线，将其投影至xy平面，得到轮廓线的投影线；2)以轮廓线的投影线的中心点为圆心作半径为任意值的圆，取该圆的8个第一等分点，并且以该圆的圆心作为起点，向每个第一等分点的方向作一条射线；3)利用轮廓线的投影线去截取各射线，得到位于轮廓线的投影线范围内的线段，取每条线段的2个第二等分点，并且将所得的第二等分点构成的列表进行矩阵转置，得到点列表；4)点列表投影至建筑表皮曲面上，最后按照轮廓线的投影线进行排序，即得到有序的肋环型单撑杆上节点；5)点列表进行两两分组，然后将每组的两个点相连形成多根线段，通过位置参数取得每条线段上的一个点，即得到一般形式的下节点定位点；6)点列表删除最后一列数据，即得到特殊形式的下节点定位点；7)通过布尔参数控制stream filter运算器，选择一般或特殊形式，并将相应的下节点定位点投影至建筑表皮曲面上，然后通过结构高度这一参数来控制点向下移动的距离，最后按照轮廓线的投影线进行排序，即得到有序的肋环型单撑杆下节点。生成的节点模型如图4(c)所示。
78.其中，当类型为肋环型双撑杆时，调用自主封装的肋环型双撑杆节点模型生成运算器，其内部结构如图5(a)所示。除下节点定位点的生成方法外，其余步骤与肋环型单撑杆一致。下节点定位点生成方法如下：点列表分别删除最后一列数据与第一列数据，利用weave运算器将删除后的两组列表组合，将列表中的点逐个相连并打断，形成若干线段，取线段的中点形成新的点列表，将新的点列表进行转置，然后按照2个数据一组进行重新分组，再将每一组中的两个点相连接形成若干线段，通过位置参数取得每条线段上的一个点，即得到一般形式的下节点定位点；点列表删除最后一列数据，将剩余的点连成若干根曲线，求这些曲线的外接多边形，所得外接多边形的顶点即为特殊形式的下节点定位点。生成的节点模型如图5(c)所示。
79.求曲线外接多边形的方法如图7(a)所示：取原曲线的8个等分点，利用
derivatives运算器求得原曲线在这些点上的切线方向，以等分点为起点，分别向切线方向与其相反方向作射线，所有线围成的多边形即为曲线的外接多边形，如图7(b)所示。
80.当类型为肋环型四撑杆时，调用自主封装的肋环型四撑杆节点模型生成运算器，其内部结构如图6(a)所示。除下节点定位点的生成方法外，其余步骤与肋环型单撑杆一致。下节点定位点生成方法如下：对点列表进行复制添加操作得到新的点列表，将新的点列表中的点逐个相连并打断，形成若干线段，取线段的中点再次形成新的点列表，将再次得到的新的点列表进行转置，然后按照3个数据一组进行重新分组，再将每一组中的三个点相连接形成若干线段，通过位置参数取得每条线段上的一个点，即得到一般形式的下节点定位点；点列表中的点逐个相连形成若干条闭合折线，利用dispatch运算器，按照“false、true”的规则提取相应的折线，将折线在顶点位置打断生成若干直线段，取每条直线段的中点，即为特殊形式的下节点定位点。生成的节点模型如图6(c)所示。
81.其中，上述复制添加操作具体为：利用tree statistics运算器获取原数据列表的长度l；创建起始值为3、间隔为2、个数为l的数列，将该数列中的每个数值与l进行比较，如果小于l则将该数值提取出来并减去1，形成新的数值列表；用list item运算器，以新数值列表中的每个数值为索引编号，将原数据列表中对应位置的数据提取出来；并用insert items运算器将提取的数据按照索引编号插入原数据列表，即可得到复制添加操作后的新数据列表。
82.(4)基于生成的节点模型与输入的几何与类型控制参数，利用自主封装的线框模型生成运算器来生成索穹顶三维模型，线框模型生成运算器内部结构如图3(c)所示；
83.当类型为肋环型单撑杆时，调用自主封装的肋环型单撑杆线框模型生成运算器，其内部结构如图4(b)所示。肋环型单撑杆线框模型生成方法为：1)有序的上节点进行逐点相连，得到闭合的折线，提取最内圈的折线，按照最内圈折线对应的上节点分割为多个直线段，即得到上内环索模型；2)有序的上节点进行逐点相连，得到闭合的折线，提取最外圈的折线，按照最外圈折线对应的上节点分割为多个直线段，即得到环梁模型；3)有序的上节点列表进行矩阵转置后，逐点相连并按照节点分割为多个直线段，即得到脊索模型；4)将有序的上节点列表与下节点列表进行数据处理，对位上下节点相连生成撑杆模型，错位上下节点相连生成斜索模型；5)有序的下节点进行逐点相连，并按照节点分割为多个直线段，即得到下环索模型。生成的线框模型如图4(d)所示。
84.当类型为肋环型双撑杆时，调用自主封装的肋环型双撑杆线框模型生成运算器，其内部结构如图5(b)所示。除撑杆与斜索的生成方法外，其余步骤与肋环型单撑杆一致，撑杆与斜索生成方法如下：将有序的上节点两两成组，利用weave运算器将每组的第一列点与有序的下节点进行组合，形成新的点列表，将新的点列表中的点逐个相连并打断，得到的线段即为撑杆模型，用同样的方法处理第二列点，即可得到斜索模型。生成的线框模型如图5(d)所示。
85.当类型为肋环型四撑杆时，调用自主封装的肋环型四撑杆线框模型生成运算器，其内部结构如图6(b)所示。除撑杆与斜索的生成方法外，其余步骤与肋环型单撑杆一致，撑杆与斜索生成方法如下：对有序的上节点进行复制添加操作，然后按照3个数据一组进行重新分组，利用weave运算器分别将每组的第一列点和第二列点与有序的下节点进行组合，形成新的点列表，将新的点列表中的点逐个相连并打断，得到的若干线段即为撑杆模型，用同
样的方法处理第三列点，即可得到斜索模型。生成的线框模型如图6(d)所示。
86.需要指出，根据实施的需要，可将本技术中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
87.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。