基于Rhino的自由形态空间网格结构建模研究与程序开发

摘要

随着计算机辅助设计技术的发展和人们对建筑美学的不断追求，空间网格结构中诸如球面、柱面、双曲面、椭球面等常见的规则曲面造型已逐渐无法满足日益发展的建筑表现需求，自由曲面造型则因形式上自由多样、视觉上美观流畅而越来越受到建筑师的青睐，并不断出现在机场航站楼、体育场馆、商业中心等各类建筑中。但是，如何快速高效的在自由曲面上布置高质量的空间网格结构始终是一个困难且复杂的问题，本文基于这一问题开展了一些研究工作，并取得了一定的研究成果。 根据自由曲面的特点，本文介绍了三种网格划分方法——映射法、结构线等弦长划分法和投影法用于提取曲面上的离散节点，并基于Rhino+Grasshopper平台开发了几种常用类型的自由形态空间网格结构参数化建模程序，主要包括两向正交四边形网格、两向斜交四边形网格、三角锥网格、肋环型网格、施威德勒型网格、联方型网格、凯威特型网格以及凯威特和联方组合型网格。通过调用这些参数化建模程序，可快速方便地在自由曲面上建立空间网格结构模型，并可通过对程序参数的修改实时动态的生成修改后的模型。 自由形态空间网格结构设计中，常常由于曲面造型的复杂性而很难通过网格划分得到高质量的初始网格，需要对网格进行优化处理。对此，本文提出了一种网格均匀性优化方法，并借助Rhino+Grasshopper平台编制了网格优化程序。该程序以杆长标准差最小为优化目标，通过逐个调整网格节点在曲面上的位置的方式来实现网格的优化，从而得到均匀性较好的空间网格。 为了将Rhino中建立的空间网格结构模型导入结构分析软件中进行计算分析，本文以文本文件(uss文件和s2k文件)为中间数据，在Rhino平台上开发了Rhino与结构分析软件USSCAD、SAP2000的数据接口插件。借助该插件程序，成功将算例模型从Rhino中导入USSCAD和SAP2000中进行计算分析，验证了该插件程序的实用性和高效性。

目录

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摘要

第1章绪论

1．1选题背景与意义

1．2自由形态空间网格结构的研究现状

1．2．1 自由曲面形态创建

1．2．2 自由形态空间网格生成

1．3本文的主要研究工作

第2章 基于NURBS技术的自由曲面造型基础

2．1．1 NURBS曲线曲面数学定义

2．1．2 NURBS曲线曲面性质

2．1．3控制顶点、权因子和节点矢量对形状的影响

2．2 Rhino与Grasshopper软件介绍

2．3 本章小结

第3章自由形态空间网格结构参数化建模

3．1网格生成原理

3．1．1 映射法

3．1．2结构线等弦长划分法

3．1．3投影法

3．2网格参数化生成方法

3．3典型自由曲面空间网格参数化生成算例

3．3．1 四边形边界类曲面网格生成

3．3．2三角形边界类曲面网格生成

3．3．3 圆形边界类曲面网格生成

3．4小结

第4章自由形态单层网格优化与调整

4．1网格质量评价标准

4．1．1形状质量标准

4．1．2杆件长度标准

4．2分格搜索的曲面网格优化方法

4．2．1 固定节点

4．2．2边界非固定点

4．2．3 内部非固定点

4．3自由曲面网格优化算例

4．3．1算例1：平面四边形网格

4．3．2算例2：单一自由曲面网格

4．3．3 算例3：组合自由曲面网格

4．4小结

第5章Rhino与结构分析软件的数据接口开发

5．1数据接口插件开发

5．1．1 Rhino二次开发方法

5．1．2 Rhino插件程序类型

5．1．3接口插件开发及关键技术

5．2算例分析

5．2．1 算例1

5．2．2算例2

5．3小结

第6章结论和展望

6．1本文主要结论

6．2展望

参考文献

附录

致谢