一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法

2023-09-23 20:35:45

一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法
【專利摘要】本發明公開了一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，包括如下步驟：針對建築結構模型布置協調邊界點；根據該建築結構的不同構件進行相應構件網格劃分，對於框架構件，則直接生成2節點單元，對於樓板或基礎筏板採用自由網格劃分，對於剪力牆，則區分直牆和曲面牆，對於直牆直接判斷其能否拆分並採用映射網格或自由網格劃分，對於曲面牆，則先將曲面映射到參數平面，然後根據能否拆分來選用映射網格或自由網格劃分，最後再將參數平面網格映射回原始空間曲面以得到曲面網格，本發明實現了建築結構幾何信息模型的網格劃分，可用於任意複雜建築結構，具有很強的通用性。
【專利說明】一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及建築信息模型(BIM)領域，特別是涉及一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法。
【背景技術】
[0002]迄今為止，計算機技術的發展對建築行業有過兩次革命性的貢獻，第一次是CAD(Computer Aided Design)技術取代傳統圖紙，第 二次是 BIM(Building InformationModeling)，通常翻譯為「建築信息模型」。前者是工具上的轉變，而後者是思路上的轉變；前者僅影響建築結構的設計階段，而後者將貫穿建築結構的全生命周期(含策劃、設計、施工、運維等)。因此對建築行業來說，BIM是一次更徹底地衝擊和變革。
[0003]BM包含的內容非常廣，其中建築結構的安全性分析和舒適性分析是最基本內容之一。對於這類問題，伴隨計算機而發展起來的有限元方法已成為主流方法。有限元的基本思想是「先離散後集成」，因此為得到有限元解必須先對結構進行有限元離散，即網格劃分。網格劃分從拓撲關係上來說可分為映射網格(結構化網格)和自由網格(非結構化網格)。映射網格是指內部結點的拓撲關係一致，也就是說每個內部結點均連接相同數目的單元，該網格的生成方式很簡單，網格劃分速度很快，網格質量也很好，但它只適用於特殊的幾何邊界，在實際工程中很受限制。自由網格是指內部結點的拓撲關係可以任意，也就是說每個內部結點可連接任意數目的結點和單元，該網格的生成方式較為複雜，但理論上適用於任意複雜的幾何邊界，因此在通用軟體中被廣泛採用。
[0004]網格劃分的最基本要求是「能夠適應各類複雜幾何邊界、網格離散結果能夠真實反映原始幾何模型」，而為了適應有限元分析的要求，網格劃分還需滿足如下幾個條件:
邊界敏感性:因為有限元計算結果對邊界網格非常敏感，網格劃分時需優先保證邊界網格的質量，儘可能讓邊界網格與邊界形狀保持一致以確保邊界網格的均勻性和方正性；方向無關性:旋轉或轉換一個給定的幾何區域不能改變其網格劃分的結果，也就是說，網格劃分的結果由區域形狀決定，而跟總體坐標系的選擇無關，以避免總體坐標系的選擇影響有限元計算結果；
奇異節點數目較少且遠離邊界:對於四邊形網格來說，奇異點是指與之相連的單元數目不等於4的內部節點，對於三角形網格來說，奇異點是指與之相連的單元數目不等於6的內部節點。這是網格劃分中非常關鍵的一個問題，因為奇異點的數量和位置將直接決定優化後的最終網格質量。通常來說，自由網格劃分中出現奇異點是不可避免的，但可以通過算法優化儘量減少奇異點的數目，同時儘可能避免奇異點出現在邊界附近，因為邊界網格對有限元結果的影響更為顯著。
[0005]從有限元的角度來說，網格劃分不僅是其前提和基礎，同時網格質量也將直接影響有限元結果的可靠性和準確性。事實上，在有限元發展的早期階段，網格劃分曾經是制約有限元應用和推廣的一個重要因素，即便到了今天，網格自動劃分技術依然不夠完善。正因為如此，近幾十年來，全世界各大高校、公司、科研機構均投入了大量的人力物力進行相關研究，發展了各種不同的網格劃分算法。但這些算法基本都是針對通用幾何模型(尤其是機械模型)，沒有考慮(或者說利用)建築結構的特殊性，若直接用來進行建築結構網格劃分其效果並不十分理想，因此關於建築結構的網格劃分還需做有針對性的專門研究。

【發明內容】

[0006]為克服上述現有技術存在的不足，本發明之主要目的在於提供一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，其考慮了建築結構的特殊性，實現了建築結構幾何信息模型的網格劃分，可用於任意複雜建築結構，具有很強的通用性。
[0007]為達上述及其它目的，本發明提出一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，包括如下步驟:
步驟一，針對建築結構模型布置協調邊界點；
步驟二，根據該建築結構的不同構件進行構件網格劃分，對於框架構件，則直接生成2節點單元；對於樓板或基礎筏板採用自由網格劃分；對於剪力牆，則區分直牆和曲面牆，對於直牆直接判斷其能否拆分並採用映射網格或自由網格劃分，對於曲面牆，則先將曲面映射到參數平面，然後根據能否拆分來選用映射網格或自由網格劃分，最後再將參數平面網格映射回原始空間曲面以得到曲面網格。
[0008]進一步地，於步驟二中，自由網格劃分為採用鋪砌法對任意平面圖元進行純四邊形自由網格劃分。
[0009]進一步地，該自由網格劃分包括如下步驟:
步驟3.1,根據所要劃分的網格的密度和大小沿任意平面圖的固定邊界形成初始化邊界節點；
步驟3.2，將該些節點形成一條雙向鍊表，選擇四邊形網格從外固定邊界向裡、內邊界向外開始一層層鋪砌，鋪砌一層後，外固定邊界向裡更新形成移動外邊界，內固定邊界向外更新形成移動內邊界；
步驟3.3，以形成的移動邊界為外邊界、內邊界重複前述步驟直到填滿整個區域；
步驟3.4，在移動外邊界節點與移動內邊界節點間距接近指定網格大小時，啟動單元閉合對節點封閉環進行封閉處理；
步驟3.5，聯合加權拉普拉斯抹平算法和約束拉普拉斯抹平算法對網格節點進行抹平。
[0010]進一步地，於步驟3.1中，外鋪砌邊界的節點按逆時針方向排列，內鋪砌邊界的節點按順時針方向排列。
[0011]進一步地，於步驟3.4中，封閉處理包括節點刪除、單元張開、單元閉合、單元轉換、單元邊刪除、複合拓撲優化。
[0012]進一步地，於步驟3.5中，按常規拉普拉斯方法計算節點抹平矢量，然後判斷該抹平是否能確保網格質量有所提高，如果是則執行該抹平，否者將抹平量減半，如果減半後抹平量過小則放棄抹平，否則重複上述步驟。
[0013]進一步地，於步驟二中，對於基礎筏板，還需針對基礎筏板的域內約束邊界問題進行處理，該處理操作包括如下兩部分:(I)在鋪砌網格時，每生成一個新單元都會判斷區域是否存在孤立的約束結點，如果有則處理該結點；(2)將初始約束邊界模擬成裂紋邊界，然後針對該裂紋邊界生成廣義閉合邊界並執行網格鋪砌，而對於約束邊界自相交的情況，則根據相交點位置模擬成複合裂紋邊界，然後執行網格鋪砌。
[0014]進一步地，對於複合裂紋邊界網格劃分，首先沿廣義內邊界鋪砌四邊形網格單元，其次沿廣義外邊界鋪砌四邊形網格單元，再次沿移動內/外邊界繼續鋪砌四邊形網格單元，最後按自由網格劃分完成所有四邊形網格的鋪砌。
[0015]進一步地，於步驟二中，對於曲面牆，聯合參數空間法和鋪砌法進行四邊形網格劃分，將空間曲面的網格問題轉換為平面網格問題，於網格劃分後通過坐標變換映射回原始
三維空間。
[0016]進一步地，於步驟二中，對於剪力牆結構的幾何拆分，採用如下方法:對於無洞口的剪力牆，不存在拆分；對於有洞口的剪力牆，大多數情況下均可進行幾何拆分；對於部分帶洞口的坡屋頂牆或梯形牆，則根據洞口位置進一步判斷拆分條件。
[0017]與現有技術相比，本發明一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法以鋪砌法為核心，聯合映射網格和幾何拆分法，併兼顧自由網格的通用性和映射網格的高效性，實現了建築結構幾何信息模型的網格劃分，可用於任意複雜建築結構，具有很強的通用性，同時本發明之網格劃分方法將結構離散成比較均勻的協調模型，適用於有限元分析。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發明一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法的步驟流程圖；
圖2為本發明較佳實施例中鋪砌法自由網格示意圖；
圖3為本發明較佳實施例中空間曲面網格劃分(以圓臺及圓柱為例)的示意圖；
圖4為本發明較佳實施例中約束結點處理示意圖；
圖5為本發明較佳實施例中約束線段處理示意圖；
圖6為本發明較佳實施例中一複合裂紋邊界網格劃分實例；
圖7為本發明較佳實施例中剪力牆拆分模式示意圖；
圖8為本發明一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法之較佳實施例的步驟流程圖。
【具體實施方式】
[0019]以下通過特定的具體實例並結合【專利附圖】

【附圖說明】本發明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭示的內容輕易地了解本發明的其它優點與功效。本發明亦可通過其它不同的具體實例加以施行或應用，本說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的精神下進行各種修飾與變更。
[0020]圖1為本發明一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法的步驟流程圖。如圖1所示，本發明一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，包括如下步驟:
步驟101，針對建築結構模型布置協調邊界點(梁柱撐牆板協調)。
[0021]步驟102，根據建築結構的不同構件進行相應構件網格化分，若是框架構件，則直接生成2節點單元；如果是樓板或基礎筏板則採用自由網格劃分；如果是剪力牆則區分直牆和曲面牆，對於直牆，則直接判斷能否拆分並採用映射網格或自由網格劃分，對於曲面牆，則先將曲面映射到參數平面，然後根據能否拆分來選用映射網格或自由網格，最後再將參數平面網格映射回原始空間曲面以得到曲面網格。
[0022]以下對步驟102中不同構件的網格劃分做進一步說明:
1.1、採用鋪砌法對任意平面圖元進行純四邊形自由網格劃分。其具體步驟如下:根據所要劃分的網格的密度和大小沿任意平面圖的固定邊界(內固定邊界或外固定邊界)形成初始化邊界節點，其中，外鋪砌邊界的節點按逆時針方向排列，內鋪砌邊界的節點按順時針方向排列；這些節點形成一條雙向鍊表，選擇四邊形網格從外固定邊界向裡、內邊界向外開始一層層鋪砌，鋪砌一層後，外固定邊界向裡更新形成移動外邊界，內固定邊界向外更新形成移動內邊界，在該過程中，移動邊界自身以及移動邊界與原固定邊界之間可能會出現邊界相交或摺疊的情況，此時需對單元進行相應的縫合處理以確保每條邊界的獨立性和閉合性；以形成的移動邊界(移動外邊界、移動內邊界)為外邊界、內邊界重複前述步驟直到填滿整個區域；在移動外邊界節點與移動內邊界節點間距接近指定網格大小時，啟動單元閉合對節點封閉環進行封閉處理，具體包括節點刪除、單元張開、單元閉合、單元轉換、單元邊刪除、複合拓撲優化等；聯合加權拉普拉斯抹平算法和約束拉普拉斯抹平算法對網格節點進行抹平，具體思路為:按常規拉普拉斯方法計算節點抹平矢量，然後判斷該抹平是否能確保網格質量有所提高，如果是則執行該抹平，否則將抹平量減半，如果減半後抹平量過小則放棄抹平，否則重複上訴步驟。
[0023]圖2為本發明較佳實施例中鋪砌法自由網格示意圖。首先沿外固定邊界鋪砌四邊形網格單元，然後任選一內固定邊界鋪砌四邊形網格單元，由圖2(a)可見兩次鋪砌形成的移動邊界在A處存在交疊，此時對相關網格單元進行相應的縫合處理以確保每條邊界的獨立性和閉合性，處理後繼續沿另一內固定邊界進行四邊形網格單元的鋪砌，如圖2(b)可見A處的交疊被消除，但是鋪砌新的網格單元時又出現BI和B2處的移動邊界交疊，對BI和B2處的相關網格單元進行相應的縫合處理，並繼續鋪砌四邊形網格單元，如圖2(c)所示，如此持續鋪砌四邊形網格單元，在出現移動邊界相交或摺疊時即對相關網格單元進行縫合處理，直至完成整個平面圖元的網格鋪砌。關於邊界相交的處理，須遵守偶數節點約束(任意邊界的節點總數為偶數)和網格最優化原則，大致可分為如下4種情況:(I)直接合併相交邊界，如圖2(a)的A、圖2(b)的BI和B2處；(2)錯開合併臨近相交位置的邊界，如圖2 (c)的C處；(3)插入一個單元輔助邊界相交處理，如圖2 (d)的D2處；(4)刪除某個單元以確保相交後的邊界質量，如圖2 (d)的Dl和2 (e)的E處。
[0024]1.2，針對建築結構的可展空間曲面問題，聯合參數空間法和鋪砌法進行四邊形網格劃分，將空間曲面的網格問題轉換為平面網格問題，然後通過坐標變換映射回原始三維空間。具體流程如下:首先根據曲面自身特性(比如柱面、圓臺面、雙曲面、拋物面等)將其展開為平面，在平面內進行自由網格劃分(見1.1)，然後將平面網格映射回原始空間曲面得到曲面網格(其映射函數與曲面的具體形式有關)，以圓臺和圓柱曲面為例，其網格劃分如圖3所示，圖3 (a)與圖3 (b)分別為圓臺及圓柱的曲面網格劃分示意圖。
[0025]1.3、針對基礎筏板的域內約束邊界問題(定點定線問題)，其基本操作主要包括兩部分:(I)在鋪砌網格時，每生成一個新單元都會判斷該區域是否存在孤立的約束結點(定點)，如果有則處理該結點，具體如圖4所示，對建築結構，所劃分的四邊形網格一般不會包含很多約束節點，若四邊形單元內只有一個約束節點，則刪除離該約束節點較近的網格節點，以該約束節點作為網格節點重構臨近的4個四邊形單元，若四邊形單元內只有兩個約束節點，則刪除離該約束節點較近的兩個網格節點，以該兩個約束節點作為網格節點重構臨近的6個四邊形單元，當四邊形單元內的兩個約束節點正好有一個是網格節點時，問題退化為四邊形單元內只有一個約束節點的情況，當存在3個較近的約束節點時，選擇兩個約束節點作四邊形單元網格節點，其第三約束節點只能位於某四邊形單元內，問題退化為四邊形單元內只有一個約束節點的情況，當存在四個較近的約束節點時，直接以該4個約束節點作為四邊形單元的網格節點，當存在5個較近的約束節點時，直接以該4個約束節點作為四邊形單元的網格節點，其第5個約束節點置於該四邊形單元內部，問題退化為四邊形單元內只有一個約束節點的情況；(2)將初始約束邊界模擬成裂紋邊界，然後針對該裂紋邊界生成廣義閉合邊界並執行網格鋪砌，當約束線段與邊界相交時，以原始邊界為底、約束線段為腰生成面積為零的廣義閉合邊界，以該廣義閉合邊界為內固定邊界按上述1.1生成四邊形網格單元，當約束線段與邊界獨立時，以約束線段為對角線生成面積為零的廣義閉合邊界，以該廣義閉合邊界為內固定邊界按上述1.1生成四邊形網格單元，而對於約束邊界自相交的情況，則根據相交點位置模擬成複合裂紋邊界，然後執行網格鋪砌，具體如圖5所示，圖5 (a)、(b)、(c)分別示出了與邊界相連的約束線段、與邊界獨立的約束線段及複合約束線段。在此需說明的是:由於約束線段的自相交以及與原始內外邊界相交，最後形成的廣義邊界無論是數量還是形狀都可能與原始邊界完全不同，比如圖5c所示的複合裂紋邊界，其廣義外邊界由約束線段連接原始內外邊界而成，廣義內邊界由約束線段自相交而成，總邊界數量由原始三條變為最終兩條，但邊界形狀卻複雜很多。圖6所示為一複合裂紋邊界網格劃分實例，首先沿廣義內邊界鋪砌四邊形網格單元，如圖6a所示，其次沿廣義外邊界鋪砌四邊形網格單元，如圖6b所示，再次沿移動內/外邊界繼續鋪砌四邊形網格單元，如圖6c所示,最後按上述1.1完成所有四邊形網格的鋪砌,如圖6d所示。
[0026]1.4、針對剪力牆結構進行幾何拆分，使之成為結構意義上的牆梁和牆柱，便於後續的內力統計和結構設計。通常來說幾何拆分是比較困難的，但剪力牆結構有一定的規整性，其單片牆的形狀相對比較固定，通常就是一個四邊形外邊界加一個四邊形洞口，該洞口可能居中，也可能靠邊，大多數情況下均可進行幾何拆分，具體如圖7所示，而對於部分帶洞口的坡屋頂牆或梯形牆，則要根據洞口位置進一步判斷拆分條件，特殊情況下可能不能拆分。表1針對圖7的剪力牆拆分模式表:
【權利要求】
1.一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，包括如下步驟: 步驟一，針對建築結構模型布置協調邊界點； 步驟二，根據該建築結構的不同構件進行相應構件網格劃分，對於框架構件，則直接生成2節點單元；對於樓板或基礎筏板採用自由網格劃分；對於剪力牆，則區分直牆和曲面牆，對於直牆直接判斷其能否拆分並採用映射網格或自由網格劃分，對於曲面牆，則先將曲面映射到參數平面，然後根據能否拆分來選用映射網格或自由網格劃分，最後再將參數平面網格映射回原始空間曲面以得到曲面網格。
2.如權利要求1所述的一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，其特徵在於:於步驟二中，自由網格劃分為採用鋪砌法對任意平面圖元進行純四邊形自由網格劃分。
3.如權利要求2所述的一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，其特徵在於，該自由網格劃分包括如下步驟: 步驟3.1,根據所要劃分的網格的密度和大小沿任意平面圖的固定邊界形成初始化邊界節點； 步驟3.2，將該些節點形成一條雙向鍊表，選擇四邊形網格從外固定邊界向裡、內邊界向外開始一層層鋪砌，鋪砌一層後，外固定邊界向裡更新形成移動外邊界，內固定邊界向外更新形成移動內邊界； 步驟3.3，以形成的移動邊界為外邊界、內邊界重複前述步驟直到填滿整個區域； 步驟3.4，在移動外邊界節點與移動內邊界節點間距接近指定網格大小時，啟動單元閉合對節點封閉環進行封閉處理； 步驟3.5，聯合加權拉普拉斯抹平算法和約束拉普拉斯抹平算法對網格節點進行抹平。
4.如權利要求3所述的一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，其特徵在於:於步驟3.1中，外鋪砌邊界的節點按逆時針方向排列，內鋪砌邊界的節點按順時針方向排列。
5.如權利要求3所述的一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法,其特徵在於:於步驟3.4中，封閉處理包括節點刪除、單元張開、單元閉合、單元轉換、單元邊刪除、複合拓撲優化。
6.如權利要求3所述的一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法,其特徵在於:於步驟3.5中，按常規拉普拉斯方法計算節點抹平矢量，然後判斷該抹平是否能確保網格質量有所提高，如果是則執行該抹平，否者將抹平量減半，如果減半後抹平量過小則放棄抹平，否則重複上述步驟。
7.如權利要求1所述的一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，其特徵在於，於步驟二中，對於基礎筏板，還需針對基礎筏板的域內約束邊界問題進行處理，該處理操作包括如下兩部分:(I)在鋪砌網格時，每生成一個新單元都會判斷區域是否存在孤立的約束結點，如果有則處理該結點；(2)將初始約束邊界模擬成裂紋邊界，然後針對該裂紋邊界生成廣義閉合邊界並執行網格鋪砌，而對於約束邊界自相交的情況，則根據相交點位置模擬成複合裂紋邊界，然後執行網格鋪砌。
8.如權利要求7所述的一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，其特徵在於:對於複合裂紋邊界網格劃分，首先沿廣義內邊界鋪砌四邊形網格單元，其次沿廣義外邊界鋪砌四邊形網格單元，再次沿移動內/外邊界繼續鋪砌四邊形網格單元，最後按自由網格劃分完成所有四邊形網格的鋪砌。
9.如權利要求1所述的一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，其特徵在於:於步驟二中，對於曲面牆，聯合參數空間法和鋪砌法進行四邊形網格劃分，將空間曲面的網格問題轉換為平面網格問題，於網格劃分後通過坐標變換映射回原始三維空間。
10.如權利要求1所述的一種用於建築結構幾何信息模型網格劃分的方法，其特徵在於，於步驟二中，對於剪力牆結構的幾何拆分，採用如下方法:對於無洞口的剪力牆，不存在拆分；對於有洞口的剪力牆，大多數情況下均可進行幾何拆分；對於部分帶洞口的坡屋頂牆或梯形牆，則根據洞口位置進一步判斷拆`分條件。
【文檔編號】G06F17/50GK103678820SQ201310720955
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月24日 優先權日:2013年12月24日
【發明者】段進, 陳曉明, 李雲貴 申請人:中國建築股份有限公司