一種基于bim的仿唐宋古建異形屋面瓦參數(shù)化建模方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于BIM的仿唐宋古建異形屋面瓦參數(shù)化建模方法，通過Bezier曲線公式和Bezier曲面變量公式生成曲面自適應(yīng)特征點(diǎn)曲面矢量切線，并關(guān)聯(lián)屋面筒瓦構(gòu)件形成參數(shù)化屋面筒瓦族，通過建立屋面結(jié)構(gòu)體量生成屋面結(jié)構(gòu)平面，利用UV坐標(biāo)系劃分屋面結(jié)構(gòu)平面，形成對應(yīng)每個筒瓦的空間自適應(yīng)點(diǎn)網(wǎng)格單元，載入筒瓦族關(guān)聯(lián)每個網(wǎng)格單元，形成屋面。本發(fā)明優(yōu)化古建異形屋頂?shù)膮?shù)化建模工作，從而減少古建屋頂建模的重復(fù)工作，即時顯示相應(yīng)參數(shù)設(shè)置下形制尺寸的三維效果，設(shè)計(jì)直觀，方便設(shè)計(jì)人員的快速建模。本發(fā)明設(shè)計(jì)學(xué)合理、構(gòu)思巧妙，有效提高工作效率，且建模直觀，具有廣泛推廣應(yīng)用的價(jià)值。
【專利說明】
一種基于BIΜ的仿唐宋古建異形屋面瓦參數(shù)化建模方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于建筑領(lǐng)域，尤其是一種基于ΒΙΜ的仿唐宋古建異形屋面瓦參數(shù)化建模 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] BIM(Building Information Modeling)是一種建筑信息模型，是應(yīng)用于工程設(shè)計(jì) 建造管理的數(shù)據(jù)化工具，通過參數(shù)模型整合各種項(xiàng)目的相關(guān)信息，在項(xiàng)目策劃、運(yùn)行和維護(hù) 的全生命周期過程中進(jìn)行共享和傳遞，由建筑產(chǎn)業(yè)鏈各個環(huán)節(jié)共同參與來對建筑物數(shù)據(jù)進(jìn) 行不斷地插入、完整、豐富，并為各相關(guān)方來提取使用，達(dá)到綠色低碳化設(shè)計(jì)、綠色施工、成 本管控、方便運(yùn)營維護(hù)等目的。在整個系統(tǒng)的運(yùn)行過程中，要求業(yè)主、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方、總包 方、分包方、供應(yīng)方多渠道和多方位的協(xié)調(diào)，并通過網(wǎng)上文件管理協(xié)同平臺進(jìn)行日常維護(hù)和 管理。B頂系統(tǒng)管理貫穿建筑物的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營，包含設(shè)計(jì)方、施工方、建設(shè)方等多單位的 工作。
[0003] 2014年7月住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的《住房城鄉(xiāng)建設(shè)部關(guān)于推進(jìn)建筑業(yè)發(fā)展和改 革的若干意見》中提出推進(jìn)建筑信息模型(ΒΠ 0等信息技術(shù)在工程設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)行維護(hù)全 過程的應(yīng)用，提高綜合效益。并積極探索開展白圖替代藍(lán)圖、數(shù)字化審圖等工作，建立技術(shù) 研究應(yīng)用與標(biāo)準(zhǔn)制定有效銜接科技成果轉(zhuǎn)化，加快先進(jìn)適用技術(shù)的推廣應(yīng)用。
[0004] 2015年發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)建筑信息模型應(yīng)用的指導(dǎo)意見》是落實(shí)2011和2014兩個 文件的精神，可以說是第一次明確提出了 BIM在建筑業(yè)的發(fā)展目標(biāo)，以及各參與者的具體工 作，對的發(fā)展具有重大意義。必將不斷推動我國建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型升級和健康持續(xù)發(fā)展。
[0005] 中國古建有其構(gòu)件化的搭建、模數(shù)化的尺度以及特征化的組合等特點(diǎn)，是一種基 于特定尺寸構(gòu)件基礎(chǔ)上的"參數(shù)化"的設(shè)計(jì)與搭建過程。建立參數(shù)化的古建構(gòu)件模型，設(shè)置 影響古建形制與尺度的主驅(qū)動參數(shù)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)主驅(qū)動參數(shù)對組成構(gòu)件形制、尺寸的 控制，以及構(gòu)件之間位置、距離、量的調(diào)整，即可實(shí)現(xiàn)古建的參數(shù)化建模工作。
[0006] 目前，在古建屋頂建模過程存在的問題為：
[0007] 1、操作步驟復(fù)雜、繁瑣，不能即時顯示三維效果，導(dǎo)致建模速度慢。
[0008] 2、古建屋面模型無法使用Autodesk revit系統(tǒng)屋面來進(jìn)行建模。
[0009] 3、族模型的建模能力差，工作效率低。
[0010] 4、模型部分細(xì)節(jié)不符合設(shè)計(jì)意圖，無法實(shí)際應(yīng)用。
[0011] 通過檢索，尚未發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明申請相關(guān)的公開專利文獻(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種操作簡單、建模速度快的基于 B頂?shù)姆绿扑喂沤ó愋挝菝嫱邊?shù)化建模方法。
[0013] 本發(fā)明的方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：
[0014] -種基于WM的仿唐宋古建異形屋面瓦參數(shù)化建模方法，包括如下步驟：
[0015] 步驟一、通過體量框架線構(gòu)建屋面整體曲面；
[0016] 步驟二、建立屋面瓦分隔，將整體屋面劃分成對應(yīng)每片筒瓦位置的網(wǎng)格單元，再由 創(chuàng)建的自適應(yīng)參數(shù)化屋面筒瓦族關(guān)聯(lián)替換；
[0017] 首先通過兩個公式定義出參數(shù)化屋面筒瓦族：
[0018] ⑴建立四邊特征Bezier曲面
[0019] Bezier曲線公式為：
[0020]
[0021]其中:Pi-特征多邊形頂點(diǎn)的位置矢量；
[0022] Bi，n(t)-伯恩斯坦基函數(shù)
[0023] Bezier曲面一由多邊形面上的設(shè)計(jì)點(diǎn)所構(gòu)成網(wǎng)格定義
[0024] 特征多邊形Bezier曲面--定義η次Bezier曲線的η條邊組成的多邊形，勾畫出對 應(yīng)曲線的形狀；
[0025] 通過四條相連的Bezier曲線建立對應(yīng)屋面網(wǎng)格劃分的特征Bezier曲面，即四邊特 征Bezier曲面；
[0026]⑵在四邊特征Bezier曲面邊線上建立帶動曲面變化的特征點(diǎn)，具體操作如下：
[0027] Bezier曲面變量公式如下：定義:mXn次曲面公式為
[0028]
[0029]其中一m，n決定曲面片的次數(shù)；
[0030] Bi，m(u)、Bj，n(v)是伯恩斯坦基函數(shù)；
[0031] Qi，j是控制網(wǎng)格頂點(diǎn)的(m+1) X (n+1);
[0032] 上述公式定義Bezier曲面邊線點(diǎn)變化帶動整體Bezier曲面變化；
[0033]在已建的四邊特征Bezier曲面相對邊線中點(diǎn)上分別添加一個特征點(diǎn)；
[0034]⑶通過連接特征點(diǎn)與四邊特征Bez ier曲面的交點(diǎn)形成自適應(yīng)特征點(diǎn)，再根據(jù)四邊 特征Bez i er曲面上自適應(yīng)特征點(diǎn)創(chuàng)建曲面矢量切線；
[0035] ⑷然后以曲面矢量切線為中心線建立筒瓦外形，形成屋面筒瓦自適應(yīng)參數(shù)化族， 圖中圓柱就是能自適應(yīng)各種變曲面建立的參數(shù)化屋面筒瓦族；
[0036] (5)建立屋面瓦分隔，在步驟一中創(chuàng)建的屋面整體曲面上創(chuàng)建UV映射，形成屋面分 隔；
[0037]步驟三、采用自適應(yīng)構(gòu)件參數(shù)化族添加屋面瓦，對應(yīng)每個UV紋理單元曲面填充生 成筒瓦構(gòu)件，形成屋面；
[0038] 步驟四、最后利用B頂建模的對稱性模塊生成整體古建屋面瓦模型的建立。
[0039] 而且，所述步驟二中分步驟(5)的具體操作步驟如下：
[0040] ⑴建立UV二維紋理坐標(biāo)系；
[00411⑵以UV二維紋理作為標(biāo)記點(diǎn)，控制紋理表面的對應(yīng)點(diǎn)
[0042]以UV二維紋理作為標(biāo)記點(diǎn)，用于控制紋理表面的點(diǎn)與網(wǎng)格上的點(diǎn)對應(yīng)，即通過上 述兩個公式形成空間曲面自適應(yīng)點(diǎn)，形成參數(shù)化瓦片的布置規(guī)則，用以對應(yīng)屋面分隔后的 網(wǎng)格單元。
[0043]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果是：
[0044] 1、本發(fā)明通過Bezier曲線公式和Bezier曲面變量公式生成曲面自適應(yīng)特征點(diǎn)曲 面矢量切線，并關(guān)聯(lián)屋面筒瓦構(gòu)件形成參數(shù)化屋面筒瓦族，通過建立屋面結(jié)構(gòu)體量生成屋 面結(jié)構(gòu)平面，利用UV坐標(biāo)系劃分屋面結(jié)構(gòu)平面，形成對應(yīng)每個筒瓦的空間自適應(yīng)點(diǎn)網(wǎng)格單 元，載入筒瓦族關(guān)聯(lián)每個網(wǎng)格單元，形成屋面。
[0045] 2、本發(fā)明優(yōu)化古建異形屋頂?shù)膮?shù)化建模工作，從而減少古建屋頂建模的的重復(fù) 工作，即時顯示相應(yīng)參數(shù)設(shè)置下形制尺寸的三維效果，設(shè)計(jì)直觀，方便設(shè)計(jì)人員的快速建 模。
[0046] 3、解決了古建屋面模型無法使用Autodesk revit系統(tǒng)屋面來進(jìn)行建模的問題。
[0047] 4、增強(qiáng)族模型的建模能力，建立相應(yīng)的古建屋頂參數(shù)化構(gòu)架與細(xì)部構(gòu)件模型，從 而完善古建屋頂參數(shù)化建模的族模型庫。
[0048] 4、本發(fā)明設(shè)計(jì)學(xué)合理、構(gòu)思巧妙，有效提高工作效率，且建模直觀，具有廣泛推廣 應(yīng)用的價(jià)值。
【附圖說明】
[0049]圖1是本發(fā)明的屋面多曲面體量框架圖；
[0050] 圖2是本發(fā)明中Bezier曲線曲面圖；
[0051]圖3是本發(fā)明中Bezier曲面上自適應(yīng)特征點(diǎn)矢量切線圖；
[0052] 圖4是本發(fā)明生成參數(shù)化屋面筒瓦族圖；
[0053] 圖5是本發(fā)明中屋面瓦體量UV分隔圖；
[0054]圖6是本發(fā)明生成填充筒瓦族圖；
[0055]圖7是本發(fā)明生成古建屋面瓦圖；
[0056]圖8九種拓?fù)潢P(guān)系圖。
【具體實(shí)施方式】
[0057]下面結(jié)合附圖并通過具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳述。
[0058] 一種基于WM的仿唐宋古建異形屋面瓦參數(shù)化建模方法，包括如下步驟：
[0059] 步驟一、通過體量框架線構(gòu)建屋面整體曲面，如圖1所示；
[0060] 步驟二、建立屋面瓦分隔，其目的是將整體屋面劃分成對應(yīng)每片筒瓦位置的網(wǎng)格 單元，再由創(chuàng)建的自適應(yīng)參數(shù)化屋面筒瓦族關(guān)聯(lián)替換。該步驟是本發(fā)明的核心關(guān)鍵步驟，具 體操作如下：
[0061] 在建立屋面瓦分隔之前，首先通過兩個公式定義出參數(shù)化屋面筒瓦族：
[0062] 1、首先建立四邊特征Bezier曲面
[0063] 參數(shù)曲面建模在拓?fù)渚匦蔚倪吔缇W(wǎng)格上利用混合函數(shù)在縱向和橫向兩對邊界曲 線間構(gòu)造光滑過渡的曲線構(gòu)造曲面形成Bezier曲面，如圖2所示，Bezier曲線由兩個端點(diǎn)和 若干個不在曲線上但能夠確定曲線形狀的點(diǎn)來確定。
[0064] Bezier曲線公式為：
[0065]
[0066] 其中:Pi-特征多邊形頂點(diǎn)的位置矢量；
[0067] Bi，n(t)-伯恩斯坦基函數(shù)。
[0068] Bezier曲面一由多邊形面上的設(shè)計(jì)點(diǎn)所構(gòu)成網(wǎng)格定義。
[0069] 特征多邊形Bezier曲面--定義η次Bezier曲線的η條邊組成的多邊形，大致勾畫 出對應(yīng)曲線的形狀。
[0070 ]通過四條相連的Be z i er曲線建立對應(yīng)屋面網(wǎng)格劃分的特征Be z i er曲面（四邊特征 Bezier曲面）。
[0071 ] 2、在上述步驟1已建立的四邊特征Bezier曲面邊線上建立帶動曲面變化的特征 點(diǎn)，具體操作如下：
[0072] Bezier曲面變量公式如下：定義:mXn次曲面公式為
[0073]
[0074] 其中--m, η決定曲面片的次數(shù)；
[0075] Bi，m(u)、Bj，η(ν)是伯恩斯坦基函數(shù)；
[0076] Qi，j是控制網(wǎng)格頂點(diǎn)的(m+1) X (η+1)。
[0077] 上述公式定義Bezier曲面邊線點(diǎn)變化帶動整體Bezier曲面變化。
[0078]在已建的四邊特征Bezier曲面相對邊線中點(diǎn)上分別添加一個特征點(diǎn)。
[0079] 3、通過連接特征點(diǎn)與四邊特征Bez i er曲面的交點(diǎn)形成自適應(yīng)特征點(diǎn)，再根據(jù)四邊 特征Bezier曲面上自適應(yīng)特征點(diǎn)創(chuàng)建曲面矢量切線，如圖3所示，圖3中1為特征點(diǎn)，2為特征 點(diǎn)曲面矢量切線，3為Bezier曲面邊線。
[0080] 4、然后以曲面矢量切線為中心線建立筒瓦外形，形成屋面筒瓦自適應(yīng)參數(shù)化族， 如圖5所示，圖中圓柱就是能自適應(yīng)各種變曲面建立的屋面筒瓦參數(shù)化屋面筒瓦族。
[0081] 5、建立屋面瓦分隔，在步驟一中創(chuàng)建的屋面整體曲面上創(chuàng)建UV映射，形成屋面分 隔，如圖5所示，具體操作步驟如下：
[0082] 5.1建立UV二維紋理坐標(biāo)系
[0083] UV(明確的U-VEEZ)是二維紋理坐標(biāo)，帶有多邊形和細(xì)分曲面網(wǎng)格的頂點(diǎn)組件信 息。UV存在，用于定義二維紋理坐標(biāo)系，稱為"UV紋理空間"。UV紋理空間使用字母U和V來指 示二維空間中的軸。UV紋理空間有助于將圖像紋理貼圖放置在3D曲面上。UV的重要性體現(xiàn) 在，它們提供曲面網(wǎng)格與如何將圖像紋理貼圖到曲面網(wǎng)格之間的連接。
[0084] 5.2以UV二維紋理作為標(biāo)記點(diǎn)，控制紋理表面的對應(yīng)點(diǎn)
[0085]以UV二維紋理作為標(biāo)記點(diǎn)，用于控制紋理表面的那些點(diǎn)（像素)與網(wǎng)格上的那些點(diǎn) (頂點(diǎn)）對應(yīng)。即，通過上述兩個公式形成空間曲面自適應(yīng)點(diǎn)，形成參數(shù)化瓦片的布置規(guī)則， 用以對應(yīng)屋面分隔后的網(wǎng)格單元。
[0086]步驟三、采用自適應(yīng)構(gòu)件參數(shù)化族添加屋面瓦，對應(yīng)每個UV紋理單元曲面填充生 成筒瓦構(gòu)件，如圖6所示，形成屋面。
[0087]步驟四、最后利用BIM建模的對稱性模塊生成整體古建屋面瓦模型的建立（如圖 7)，本實(shí)施例中為八角屋頂。
[0088]本發(fā)明的建模原理：
[0089]屋面瓦建模方法采用幾何信息和拓?fù)湫畔⒎从澄矬w的形狀和位置。如圖8所示，屋 面的拓?fù)浜蛶缀涡畔⑹腔ハ嚓P(guān)聯(lián)的，不同的拓?fù)潢P(guān)系需要不同的幾何信息。剛體變換不改 變屋面瓦的形狀，只改變物體的位置和方向。對于保持拓?fù)潢P(guān)系不變的幾何變換，不僅改變 物體的位置和方向，而且也改變物體的形狀，甚至變換矩陣中的元素可以不是常數(shù)，而是某 種函數(shù)關(guān)系，由此可擴(kuò)大屋面瓦覆蓋的域。屋面瓦曲面的最基本的幾何元素包括點(diǎn)、線、面。 如空間任意一點(diǎn)可以用直角坐標(biāo)系中的三個坐標(biāo)分量定義;對于一條空間直線，可以用它 的兩個端點(diǎn)的空間坐標(biāo)定義;面可以是平面或曲面，平面可以用有序邊棱線的集合定義。但 是只用幾何信息表示物體并不充分，常會出現(xiàn)物體表示上的二義性，即對同一幾何體就可 能有不同的理解。因此，對于屋面瓦曲面幾何建模系統(tǒng)來說，為了保證描述物體的完整性和 數(shù)學(xué)的嚴(yán)密性，必須同時給出幾何信息和拓?fù)湫畔?。拓?fù)湫畔⑹侵敢粋€物體的拓?fù)湓?頂 點(diǎn)、邊和表面）的數(shù)量、類型以及相互之間的鄰接關(guān)系。拓?fù)湓刂g可以采用九種拓?fù)潢P(guān) 系表不(如圖8)。
[0090]需要強(qiáng)調(diào)的是，本發(fā)明所述的實(shí)施例是說明性的，而不是限定性的，因此本發(fā)明包 括并不限于【具體實(shí)施方式】中所述的實(shí)施例，凡是由本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案 得出的其他實(shí)施方式，同樣屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于BIM的仿唐宋古建異形屋面瓦參數(shù)化建模方法，其特征在于：包括如下步 驟： 步驟一、通過體量框架線構(gòu)建屋面整體曲面； 步驟二、建立屋面瓦分隔，將整體屋面劃分成對應(yīng)每片筒瓦位置的網(wǎng)格單元，再由創(chuàng)建 的自適應(yīng)參數(shù)化屋面筒瓦族關(guān)聯(lián)替換； 首先通過兩個公式定義出參數(shù)化屋面筒瓦族： (1)建立四邊特征Bezier曲面 Bezier曲線公式為：其中:Pi-特征多邊形頂點(diǎn)的位置矢量； Bi，n(t)-伯恩斯坦基函數(shù) Bezier曲面一由多邊形面上的設(shè)計(jì)點(diǎn)所構(gòu)成網(wǎng)格定義 特征多邊形Bez i er曲面--定義η次Bez i er曲線的η條邊組成的多邊形，勾畫出對應(yīng)曲 線的形狀； 通過四條相連的Bezier曲線建立對應(yīng)屋面網(wǎng)格劃分的特征Bezier曲面，即四邊特征 Bezier 曲面； 間在四邊特征Bezier曲面邊線上建立帶動曲面變化的特征點(diǎn)，具體操作如下： Bezier曲面變量公式如下:定義:mXn次曲面公式為(0 < W、V < 1) 其中一m，η決定曲面片的次數(shù)； Bi，m(u)、Bj，η(ν)是伯恩斯坦基函數(shù)； Qi，j是控制網(wǎng)格頂點(diǎn)的(m+1) X (η+1); 上述公式定義Bezier曲面邊線點(diǎn)變化帶動整體Bezier曲面變化； 在已建的四邊特征Bezier曲面相對邊線中點(diǎn)上分別添加一個特征點(diǎn)； (3) 通過連接特征點(diǎn)與四邊特征Bezier曲面的交點(diǎn)形成自適應(yīng)特征點(diǎn)，再根據(jù)四邊特征 Bezier曲面上自適應(yīng)特征點(diǎn)創(chuàng)建曲面矢量切線； (4) 然后W曲面矢量切線為中屯、線建立筒瓦外形，形成屋面筒瓦自適應(yīng)參數(shù)化族； 間建立屋面瓦分隔，在步驟一中創(chuàng)建的屋面整體曲面上創(chuàng)建UV映射，形成屋面分隔； 步驟Ξ、采用自適應(yīng)構(gòu)件參數(shù)化族添加屋面瓦，對應(yīng)每個UV紋理單元曲面填充生成筒 瓦構(gòu)件，形成屋面； 步驟四、最后利用BIM建模的對稱性模塊生成整體古建屋面瓦模型的建立。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于BIM的仿唐宋古建異形屋面瓦參數(shù)化建模方法，其特征在 于:所述步驟二中分步驟間的具體操作步驟如下： (1)建立UV二維紋理坐標(biāo)系； 間WUV二維紋理作為標(biāo)記點(diǎn)，控制紋理表面的對應(yīng)點(diǎn) WUV二維紋理作為標(biāo)記點(diǎn)，用于控制紋理表面的點(diǎn)與網(wǎng)格上的點(diǎn)對應(yīng)，即通過上述兩 個公式形成空間曲面自適應(yīng)點(diǎn)，形成參數(shù)化瓦片的布置規(guī)則，用W對應(yīng)屋面分隔后的網(wǎng)格 單元。
【文檔編號】G06F17/50GK105975655SQ201610266975
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年4月26日
【發(fā)明人】付香才, 楊賢貴, 秦林, 張宇, 張奎, 孫靖文, 張 杰
【申請人】中鐵四局集團(tuán)第三建設(shè)有限公司