一種基于自定義單元法的自由曲面建筑網(wǎng)格劃分方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自定義單元法的自由曲面建筑網(wǎng)格劃分方法。該方法網(wǎng)格劃分以網(wǎng)格節(jié)點為對象進行推進，其過程包括：（1）節(jié)點推進參數(shù)方向確定、（2）網(wǎng)格單元定義、選擇和組裝、（3）參數(shù)網(wǎng)格映射。其中，節(jié)點推進參數(shù)方向確定選擇曲面形狀特征變化明顯參數(shù)方向作為節(jié)點推進方向；網(wǎng)格單元定義、選擇和組裝是指在參數(shù)域進行網(wǎng)格單元形式自定義，并根據(jù)曲面特征進行單元選擇和組裝，確定節(jié)點參數(shù)坐標和拓撲信息；參數(shù)網(wǎng)格映射到自由曲面，形成空間網(wǎng)格。本發(fā)明實現(xiàn)了對任意復雜自由曲面的建筑網(wǎng)格自動化劃分，生成網(wǎng)格形式多樣，大小均勻，滿足建筑的美學要求和視覺效果，方法靈活可控，通用性強。
【專利說明】一種基于自定義單元法的自由曲面建筑網(wǎng)格劃分方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于網(wǎng)格劃分領(lǐng)域，特別是涉及一種自由曲面NURBS模型的建筑網(wǎng)格自動化劃分方法。

【背景技術(shù)】
[0002]近年來，隨著建筑設(shè)計施工水平的發(fā)展和人們審美要求的提高，規(guī)則、傳統(tǒng)的曲面形式已無法滿足人們對建筑造型的要求，構(gòu)造新穎、線條流暢的自由曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)日益受到建筑師青睞。由于該類結(jié)構(gòu)曲面自由，復雜多變，傳統(tǒng)的桿件布置方法面對該類結(jié)構(gòu)已經(jīng)捉襟見肘。因此，如何進行合理的網(wǎng)格劃分是該類結(jié)構(gòu)能否實現(xiàn)以及建筑造型是否美觀、結(jié)構(gòu)性能是否優(yōu)良的關(guān)鍵。
[0003]目前，自由曲面建筑網(wǎng)格劃分方法大致分為手動方法劃分和有限元方法劃分兩種。手動劃分方法是指工程師借助幾何造型軟件，針對特定工程，采用人工方式進行劃分，其效率低，通用性差，依賴工程人員設(shè)計經(jīng)驗，難以作為通用技術(shù)方法大規(guī)模推廣。有限元方法借助傳統(tǒng)的有限元網(wǎng)格劃分技術(shù)，對建筑曲面進行自動化的網(wǎng)格劃分，但是由于建筑網(wǎng)格和有限元網(wǎng)格劃分要求的差異性，單純運用有限元方法進行建筑網(wǎng)格劃分往往造成節(jié)點無序、網(wǎng)格不均等問題，無法滿足網(wǎng)格均勻流暢的建筑美學要求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述現(xiàn)有方法存在的不足，本發(fā)明提供一種基于自定義單元法的自由曲面建筑網(wǎng)格自動化劃分方法。
[0005]基于自定義單元法的自由曲面建筑網(wǎng)格劃分方法包括以下步驟:
1)根據(jù)自由曲面特征確定節(jié)點推進參數(shù)方向，選擇曲面特征變化明顯的參數(shù)方向作為節(jié)點推進方向，對曲面特征變化不明顯的自由曲面，節(jié)點推進方向可沿?向、K向或參數(shù)域?qū)蔷€方向的任一方向進行；
2)根據(jù)上下代節(jié)點演化規(guī)律進行參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元定義，分別定義“分生”“共生”參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元，確定參數(shù)域建筑網(wǎng)格拓撲類型，豐富參數(shù)域建筑網(wǎng)格形式；
3)確定同代節(jié)點所在參數(shù)線,根據(jù)節(jié)點推進步步數(shù)nstep,取nstep+Ι個基準點沿步驟
I)節(jié)點推進方向所在參數(shù)線布點，采用二分法循環(huán)調(diào)整基準點中間點坐標，使各相鄰基準點在黎曼度量下的曲面距離相等，確定基準點參數(shù)坐標，各基準點所在處與步驟I)節(jié)點推進方向的正交參數(shù)線為各同代節(jié)點所在參數(shù)線；
4)初始節(jié)點數(shù)量作為參數(shù)域建筑網(wǎng)格規(guī)模參數(shù)自定義，初始節(jié)點沿步驟3)確定的同代節(jié)點所在參數(shù)線布置，并采用步驟3)相同方式調(diào)節(jié)節(jié)點參數(shù)坐標，使初始節(jié)點相鄰節(jié)點間曲面距離相等；
5)參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元節(jié)點推進，形成參數(shù)域建筑網(wǎng)格；
6)映射具有拓撲不變性，步驟5)中的參數(shù)域建筑網(wǎng)格映射前后拓撲不變，將參數(shù)域建筑網(wǎng)格節(jié)點坐標代入NURBS模型，得到自由曲面建筑網(wǎng)格。
[0006]所述的步驟I)為:采用先參數(shù)域網(wǎng)格劃分后映射的方式，首先在參數(shù)域確定節(jié)點推進方向，為保證自由曲面建筑網(wǎng)格劃分的均勻性，對曲面特征變化明顯的自由曲面選擇曲面特征變化明顯的參數(shù)方向作為節(jié)點推進方向，對曲面特征變化不明顯的自由曲面，節(jié)點推進方向可沿?向、K向或參數(shù)域?qū)蔷€方向的任一方向進行；
所述的步驟5)為:節(jié)點推進沿步驟I)確定的節(jié)點推進方向進行，在各節(jié)點推進步中，根據(jù)曲面特征自動選擇步驟2)所定義的參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元形式:自由曲面“擴展”時，選擇“分生”單元，自由曲面“收縮”時，選擇“共生”單元。通過參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元的選擇，上下代節(jié)點數(shù)目得以增減，從而實現(xiàn)參數(shù)域建筑網(wǎng)格擴展和收縮。節(jié)點和桿件順序編號，采用枝一點矩陣記錄參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元拓撲信息；同代節(jié)點布置在步驟3)確定的同代節(jié)點所在參數(shù)線上，并采用與步驟4)相同方式確定同代節(jié)點坐標，各個節(jié)點推進步的參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元拓撲矩陣集成，形成參數(shù)域建筑網(wǎng)格拓撲矩陣，各代節(jié)點參數(shù)坐標確定，最終得到參數(shù)域建筑網(wǎng)格；
本發(fā)明實現(xiàn)了對任意復雜自由曲面的建筑網(wǎng)格自動化劃分,生成網(wǎng)格形式多樣,大小均勻，滿足建筑的美學要求和視覺效果，方法靈活可控，通用性強。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0007]圖1是自由曲面模型圖；
圖2是自定義單元類型示意圖；
圖3是單元枝一點矩陣示意圖；
圖4是曲面參數(shù)網(wǎng)格劃分結(jié)果圖；
圖5是曲面空間網(wǎng)格劃分結(jié)果圖。

【具體實施方式】
[0008]基于自定義單元法的自由曲面建筑網(wǎng)格劃分方法包括以下步驟:
1)根據(jù)自由曲面特征確定節(jié)點推進參數(shù)方向，選擇曲面特征變化明顯的參數(shù)方向作為節(jié)點推進方向，對曲面特征變化不明顯的自由曲面，節(jié)點推進方向可沿?向、K向或參數(shù)域?qū)蔷€方向的任一方向進行；
2)根據(jù)上下代節(jié)點演化規(guī)律進行參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元定義，分別定義“分生”“共生”參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元，確定參數(shù)域建筑網(wǎng)格拓撲類型，豐富參數(shù)域建筑網(wǎng)格形式；
3)確定同代節(jié)點所在參數(shù)線,根據(jù)節(jié)點推進步步數(shù)nstep,取nstep+Ι個基準點沿步驟I)節(jié)點推進方向所在參數(shù)線布點，采用二分法循環(huán)調(diào)整基準點中間點坐標，使各相鄰基準點在黎曼度量下的曲面距離相等，確定基準點參數(shù)坐標，各基準點所在處與步驟I)節(jié)點推進方向的正交參數(shù)線為各同代節(jié)點所在參數(shù)線；
4)初始節(jié)點數(shù)量作為參數(shù)域建筑網(wǎng)格規(guī)模參數(shù)自定義，初始節(jié)點沿步驟3)確定的同代節(jié)點所在參數(shù)線布置，并采用步驟3)相同方式調(diào)節(jié)節(jié)點參數(shù)坐標，使初始節(jié)點相鄰節(jié)點間曲面距離相等；
5)參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元節(jié)點推進，形成參數(shù)域建筑網(wǎng)格；
6)映射具有拓撲不變性，步驟5)中的參數(shù)域建筑網(wǎng)格映射前后拓撲不變，將參數(shù)域建筑網(wǎng)格節(jié)點坐標代入NURBS模型，得到自由曲面建筑網(wǎng)格。
[0009]所述的步驟I)為:采用先參數(shù)域網(wǎng)格劃分后映射的方式，首先在參數(shù)域確定節(jié)點推進方向，為保證自由曲面建筑網(wǎng)格劃分的均勻性，對曲面特征變化明顯的自由曲面選擇曲面特征變化明顯的參數(shù)方向作為節(jié)點推進方向，對曲面特征變化不明顯的自由曲面，節(jié)點推進方向可沿?向、K向或參數(shù)域?qū)蔷€方向的任一方向進行；
所述的步驟5)為:節(jié)點推進沿步驟I)確定的節(jié)點推進方向進行，在各節(jié)點推進步中，根據(jù)曲面特征自動選擇步驟2)所定義的參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元形式:自由曲面“擴展”時，選擇“分生”單元，自由曲面“收縮”時，選擇“共生”單元。通過參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元的選擇，上下代節(jié)點數(shù)目得以增減，從而實現(xiàn)參數(shù)域建筑網(wǎng)格擴展和收縮。節(jié)點和桿件順序編號，采用枝一點矩陣記錄參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元拓撲信息；同代節(jié)點布置在步驟3)確定的同代節(jié)點所在參數(shù)線上，并采用與步驟4)相同方式確定同代節(jié)點坐標，各個節(jié)點推進步的參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元拓撲矩陣集成，形成參數(shù)域建筑網(wǎng)格拓撲矩陣，各代節(jié)點參數(shù)坐標確定，最終得到參數(shù)域建筑網(wǎng)格；
實施例1
某自由曲面建筑模型，曲面如圖1所示。曲面尺寸沿參數(shù)域《方向規(guī)律變化，自定義單元類型如圖2所示。
[0010]根據(jù)曲面尺寸特征，選擇參數(shù)域U方向作為節(jié)點推進方向。
[0011]推進步數(shù)目取27步，得到各代同代節(jié)點所在參數(shù)線。初始節(jié)點數(shù)目確定為10個，沿U=O參數(shù)線布置，二分法循環(huán)調(diào)節(jié)節(jié)點參數(shù)坐標，使初始節(jié)點黎曼度量下的曲面距離相坐寸ο
[0012]根據(jù)上下代節(jié)點所處參數(shù)線位置的曲面特征選擇單元類型。曲面擴張時，自動選擇分生單元實現(xiàn)下代節(jié)點數(shù)目增加；曲面收縮時，自動選擇共生單元實現(xiàn)下代節(jié)點數(shù)目縮減。各個推進步依次選擇相應單元，枝一點矩陣記錄節(jié)點拓撲信息，黎曼度量確定節(jié)點參數(shù)域幾何信息，最終得到參數(shù)網(wǎng)格圖4。
[0013]圖4參數(shù)網(wǎng)格映射到圖1自由曲面,得到空間網(wǎng)格圖5，自由曲面建筑網(wǎng)格劃分完成。
[0014]本發(fā)明以網(wǎng)格節(jié)點為對象進行節(jié)點推進，并通過對初始節(jié)點數(shù)量、節(jié)點推進步數(shù)、網(wǎng)格單元形式等參數(shù)的定義，實現(xiàn)對自由曲面建筑網(wǎng)格規(guī)模和形式的量化控制，完成對自由曲面建筑網(wǎng)格的自動化劃分。
【權(quán)利要求】
1.一種基于自定義單元法的自由曲面建筑網(wǎng)格劃分方法，其特征在于包括以下步驟: 1)根據(jù)自由曲面特征確定節(jié)點推進參數(shù)方向，選擇曲面特征變化明顯的參數(shù)方向作為節(jié)點推進方向，對曲面特征變化不明顯的自由曲面，節(jié)點推進方向可沿?向、K向或參數(shù)域?qū)蔷€方向的任一方向進行； 2)根據(jù)上下代節(jié)點演化規(guī)律進行參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元定義，分別定義“分生”“共生”參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元，確定參數(shù)域建筑網(wǎng)格拓撲類型，豐富參數(shù)域建筑網(wǎng)格形式； 3)確定同代節(jié)點所在參數(shù)線,根據(jù)節(jié)點推進步步數(shù)nstep,取nstep+Ι個基準點沿步驟I)節(jié)點推進方向所在參數(shù)線布點，采用二分法循環(huán)調(diào)整基準點中間點坐標，使各相鄰基準點在黎曼度量下的曲面距離相等，確定基準點參數(shù)坐標，各基準點所在處與步驟I)節(jié)點推進方向的正交參數(shù)線為各同代節(jié)點所在參數(shù)線； 4)初始節(jié)點數(shù)量作為參數(shù)域建筑網(wǎng)格規(guī)模參數(shù)自定義，初始節(jié)點沿步驟3)確定的同代節(jié)點所在參數(shù)線布置，并采用步驟3)相同方式調(diào)節(jié)節(jié)點參數(shù)坐標，使初始節(jié)點相鄰節(jié)點間曲面距離相等； 5)參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元節(jié)點推進，形成參數(shù)域建筑網(wǎng)格； 6)映射具有拓撲不變性，步驟5)中的參數(shù)域建筑網(wǎng)格映射前后拓撲不變，將參數(shù)域建筑網(wǎng)格節(jié)點坐標代入NURBS模型，得到自由曲面建筑網(wǎng)格。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自定義單元法的自由曲面建筑網(wǎng)格劃分方法，其特征在于，所述的步驟I)為:采用先參數(shù)域網(wǎng)格劃分后映射的方式，首先在參數(shù)域確定節(jié)點推進方向，為保證自由曲面建筑網(wǎng)格劃分的均勻性，對曲面特征變化明顯的自由曲面選擇曲面特征變化明顯的參數(shù)方向作為節(jié)點推進方向，對曲面特征變化不明顯的自由曲面，節(jié)點推進方向可沿《向、r向或參數(shù)域?qū)蔷€方向的任一方向進行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自定義單元法的自由曲面建筑網(wǎng)格劃分方法，其特征在于，所述的步驟5)為:節(jié)點推進沿步驟I)確定的節(jié)點推進方向進行，在各節(jié)點推進步中，根據(jù)曲面特征自動選擇步驟2)所定義的參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元形式:自由曲面“擴展”時，選擇“分生”單元，自由曲面“收縮”時，選擇“共生”單元，通過參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元的選擇，上下代節(jié)點數(shù)目得以增減，從而實現(xiàn)參數(shù)域建筑網(wǎng)格擴展和收縮，節(jié)點和桿件順序編號，采用枝一點矩陣記錄參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元拓撲信息；同代節(jié)點布置在步驟3)確定的同代節(jié)點所在參數(shù)線上，并采用與步驟4)相同方式確定同代節(jié)點坐標，各個節(jié)點推進步的參數(shù)域建筑網(wǎng)格單元拓撲矩陣集成，形成參數(shù)域建筑網(wǎng)格拓撲矩陣，各代節(jié)點參數(shù)坐標確定，最終得到參數(shù)域建筑網(wǎng)格。
【文檔編號】G06T17/30GK104331932SQ201410558349
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年10月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月21日
【發(fā)明者】高博青, 江存 申請人:浙江大學