一种将四边曲面嵌板批量优化成平板的方法与流程

本发明属于建筑设计，具体而言，涉及一种将四边曲面嵌板批量优化成平板的方法。

背景技术：

1、建筑幕墙指的是建筑物不承重的外墙围护，具有美观、节能、易维护的特点，随着建筑业的发展以及建筑技术水平的提高，技术含量高、造型复杂、漂亮美观的玻璃、蜂窝铝板幕墙工程越来越多。现代城市有的标志性因建筑风格现代特异而独领风骚。为体现现代标志性建筑科技创新思维，充分反映出科学内涵、时代精神，有些建筑在外观上追求现代时尚、蓄意深刻的造型，因此，会出现诸多外立面呈曲面的幕墙工程，该类工程幕墙品种较多，施工要求较高，多专业工种同时交叉施工，施工协调要求高，给整个工程的制作、安装施工带来较大的难度。

2、其中曲面嵌板是常用于建筑幕墙装饰的材料，具有造型自由度高、线条流畅、造型美观的特点，但制作工艺较为复杂，周期长，成本相对较高，安装复杂。而平板制作工艺简单，周期短，成本低廉，安装方便。所以，在允许的误差范围内，可以把曲面嵌板优化成平板以降低施工难度。但是目前比较普遍的优化方法是采用手工进行优化，需要对每一块嵌板进行重新建模，效率较低，而且精度不够高。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出一种将四边曲面嵌板批量优化成平板的方法，可以解决传统的采用手工进行曲面嵌板的优化，需要对每一块嵌板进行重新建模，效率较低，而且精度不够高的问题。

2、本发明是这样实现的：

3、本发明提供一种将四边曲面嵌板批量优化成平板的方法，其中，包括以下步骤：

4、s10：建立曲面的三维模型；

5、s20：将所述曲面的三维模型划分为多个四边曲面，作为嵌板单体；

6、s30：将所述嵌板单体输入至grasshopper工具中，批量优化成平板；

7、s40：计算所述嵌板单体批量优化成平板后与所述曲面的三维模型间的偏离值。

8、本发明提供的一种将四边曲面嵌板批量优化成平板的方法的技术效果如下：通过将建筑过程中的超大曲面形状分割后的多块曲面嵌板平面化，具有以下优势：一、便于进行计算和绘图，平面图更容易理解和处理，能够更直观地呈现建筑的形态和细节；二、能够降低施工难度，曲面造型较为复杂的建筑，在施工过程中难以直接进行安装和施工。将曲面嵌板优化成平面后，可以更容易地制作出相应的钢模板或木模板，进行方便的加工和组装；三、能够提高施工效率，施工时不需要进行复杂的调整和纠正，从而可以提高施工的效率和质量，避免由于施工误差导致的后期修补和返工；四、有助于简化构造方案，更便于进行结构分析和断面设计，从而有助于设计师制定合理的构造方案，并保证建筑的稳定性和安全性；该将四边曲面嵌板批量优化成平板的方法，结合grasshopper工具，能够快速对多个曲面嵌板进行平面化，有利于提高设计效率，同时引入了偏离值的计算，能够提高优化质量和精度，使得平面化后的嵌板单体在组配形成大曲面形状后其整体曲率仍与原曲面形状保持较好的拟合度，能够提高设计效果。

9、在上述技术方案的基础上，本发明的一种将四边曲面嵌板批量优化成平板的方法还可以做如下改进:

10、其中，所述步骤s30具体包括以下步骤：

11、第一步、将所述嵌板单体四个顶点分别命名为a点、b点、c点和d点，任意选取其中的三个顶点生成工作平面，共生成四个工作平面；

12、第二步、将每个所述工作平面对应的第四个顶点投影在所述工作平面上，形成投影点，测量所述第四个顶点与所述投影点之间的距离，得到所述a点与对应的工作平面之间的距离a、所述b点与对应的工作平面之间的距离b、所述c与对应的工作平面之间的距离c、所述d点与对应的工作平面之间的距离d；

13、第三步、比较所述距离a、所述距离b、所述距离c、所述距离d的大小，选取距离最小的所述工作平面作为优化面，将所述嵌板单体投影在所述优化面上，得到优化后的平板；再选取最小的距离，作为该嵌板单体的翘曲值。

14、进一步的，所述步骤s40具体包括以下步骤：

15、第一步、根据曲面的三维模型，构建轨迹线和断面线两条相交控制曲线；其中，所述轨迹线为引导断面线移动的平面曲线；所述断面线为控制所述曲面形状的平面曲线；

16、第二步、对划分后的多个所述四边曲面进行编号处理；

17、第三步、将所述嵌板单体按照所述编号排列放置，构成新曲面，并结合所述新曲面的曲面形态构建新的轨迹线和新的断面线；

18、第四步、计算新曲面与原曲面的偏离值，所述偏离值符合设计要求时，输出优化后的所述嵌板单体图纸。

19、采用上述改进方案的有益效果为：快速有效的对待优化的双曲面进行优化处理，提高曲面质量，并能采用单曲面或是平面板块拟合双曲面建筑表皮，解决双曲面幕墙的加工和施工难度大的问题，降低幕墙造价，具有较高的实用价值。

20、进一步的，所述偏离值的计算方法如下：

21、在所述曲面上提取x个取样点，计算x个所述取样点到所述新曲面的最近距离，然后计算x个所述距离值的平均值和标准差作为所述新曲面与所述曲面的偏离值；其中，所述平均值小于所述翘曲值的平均值，且标准差在0～2之间时，该偏离值为符合设计要求。

22、采用上述改进方案的有益效果为：通过使用平均值和标准差对取样点和曲面的距离进行偏差度的评价，能够较为直观地得出每个取样点的中心和离散程度，能够较为直观地表示出新曲面与原曲面间各个取样点距离的数据集中数据的离散程度，有助于及时发现异常的嵌板单体，保证设计曲率。

23、进一步的，所述轨迹线和所述断面线的构建方法如下：

24、第一步、提取所述曲面形状变化较大方向的一条边界线得到曲线l，在所述曲线l的中点处构建一个平面s；

25、第二步、将所述曲线l投影到所述平面s上得到曲线l'，将所述曲线l'等分为n段得到n+1个取样点作为第一控制点，然后根据所述第一控制点构建样条曲线作为所述轨迹线；

26、第三步、在所述轨迹线中点处构建一个垂直于所述平面s的平面s'，所述平面s'与所述曲面相交得到曲线l”，将所述曲线l”等分为m段得到m+1个取样点作为第二控制点，然后根据所述第二控制点构建样条曲线作为所述断面线；

27、其中，n＞2；m＞2。

28、进一步的，结合所述轨迹线和所述断面线能够重构所述曲面，具体步骤为：

29、采用参数化建模方法，将所述断面线沿所述轨迹线进行双向扫掠，即可得到所述曲面。

30、进一步的，所述将嵌板单体按照所述编号排列放置，构成新曲面的具体步骤如下：

31、第一步、采集每个所述嵌板单体的四个顶点，并将所述顶点映射在所述曲面的坐标空间；

32、第二步、在所述曲面的坐标空间对所述顶点进行德洛内三角剖分，得到德洛内三角网；

33、第三步、结合所述德洛内三角网，在所述曲面的坐标空间中构建网格；

34、第四步、结合所述网格中的网格点建立新曲面进行插值；

35、第五步、求解所述插值结果并映射回所述曲面的坐标空间中，构成所述新曲面。

36、所述多目标优化模型的表达式为：

37、

38、其中，λ为权值系数，n为所述嵌板单体的顶点个数，z1，z2，...zn为在所述嵌板单体的顶点处插值得到的高程值，zn+1为待插值点高程值，z′i为除点i之外其他所有插值点拟合成的面在点i处的值，z″i为所述嵌板单体顶点的高程值；

39、数学表达式表示插值结果的光滑程度，数学表达式表示插值结果的准确性，其中，利用权值系数λ衡量插值结果的光滑程度和准确性，当λ＞0.5时，插值效果更光滑，若λ＜0.5，插值得到的点更靠近原始种子点数据，插值效果更准确，若λ＝0.5，插值结果既光滑又准确；

40、令λ＝1-λ，将多目标优化模型表达式转化为第一表达式，所述第一表达式为：

41、采用最小二乘拟合法、参数曲面拟合法或样条函数曲面拟合法对z′i进行拟合求解，得到含有未知数z′i的第二表达式；

42、将所述第二表达式带入所述第一表达式，得到第三表达式；

43、对所述第三表达式中的所有zi求偏导并令其等于0，得到插值结果z1，z2，...zn，zn+1的值；

44、其中，采用最小二乘拟合平面法对z′i进行拟合求解，得到第二表达式

45、z′i＝∑i≠jti,jzj；

46、其中，(xi，yj)为最小二乘拟合后平面上的点；zj为在点(xi，yj)处插值得到的高程值，j≠i，

47、

48、进一步的，所述插值包括建立曲面重构的多目标优化模型，所述多目标优化模型包括粗糙度模型和约束模型；其中，粗糙度模型与约束模型对插值结果的影响权重相同。

49、采用上述改进方案的有益效果为：通过多目标优化模型，既表达了插值结果的光滑性又表达了插值结果的准确性，使插值结果同时具有较优的光滑性和准确性。

50、进一步的，所述粗糙度模型用于表示插值结果的光滑程度，数学表达式为其中，λ为权值系数，n为所述嵌板单体的顶点个数，z1，z2，...zn为在所述嵌板单体的顶点处插值得到的高程值，zn+1为待插值点高程值，z′i为除点i之外其他所有插值点拟合成的面在点i处的值。

51、进一步的，所述约束模型用于表示插值结果的准确性，数学表达式为其中，λ为权值系数，n为所述嵌板单体的顶点个数，z1，z2，...zn为在所述嵌板单体的顶点处插值得到的高程值，z″i为所述嵌板单体顶点的高程值。

52、与现有技术相比较，本发明提供的一种将四边曲面嵌板批量优化成平板的方法的有益效果是：通过将建筑过程中的超大曲面形状分割后的多块曲面嵌板平面化，具有以下优势：一、便于进行计算和绘图，平面图更容易理解和处理，能够更直观地呈现建筑的形态和细节；二、能够降低施工难度，曲面造型较为复杂的建筑，在施工过程中难以直接进行安装和施工。将曲面嵌板优化成平面后，可以更容易地制作出相应的钢模板或木模板，进行方便的加工和组装；三、能够提高施工效率，施工时不需要进行复杂的调整和纠正，从而可以提高施工的效率和质量，避免由于施工误差导致的后期修补和返工；四、有助于简化构造方案，更便于进行结构分析和断面设计，从而有助于设计师制定合理的构造方案，并保证建筑的稳定性和安全性；该将四边曲面嵌板批量优化成平板的方法，结合grasshopper工具，能够快速对多个曲面嵌板进行平面化，有利于提高设计效率，同时引入了偏离值的计算，能够提高优化质量和精度，使得平面化后的嵌板单体在组配形成大曲面形状后其整体曲率仍与原曲面形状保持较好的拟合度，能够提高设计效果。