一种基于BIM的仿唐宋古建异形屋面瓦参数化建模方法

摘要

本发明涉及一种基于BIM的仿唐宋古建异形屋面瓦参数化建模方法，通过Bezier曲线公式和Bezier曲面变量公式生成曲面自适应特征点曲面矢量切线，并关联屋面筒瓦构件形成参数化屋面筒瓦族，通过建立屋面结构体量生成屋面结构平面，利用UV坐标系划分屋面结构平面，形成对应每个筒瓦的空间自适应点网格单元，载入筒瓦族关联每个网格单元，形成屋面。本发明优化古建异形屋顶的参数化建模工作，从而减少古建屋顶建模的重复工作，即时显示相应参数设置下形制尺寸的三维效果，设计直观，方便设计人员的快速建模。本发明设计学合理、构思巧妙，有效提高工作效率，且建模直观，具有广泛推广应用的价值。

说明书

技术领域

本发明属于建筑领域，尤其是一种基于BIM的仿唐宋古建异形屋面瓦参数化建模方法。

背景技术

BIM(Building Information Modeling)是一种建筑信息模型，是应用于工程设计建造管理的数据化工具，通过参数模型整合各种项目的相关信息，在项目策划、运行和维护的全生命周期过程中进行共享和传递，由建筑产业链各个环节共同参与来对建筑物数据进行不断地插入、完整、丰富，并为各相关方来提取使用，达到绿色低碳化设计、绿色施工、成本管控、方便运营维护等目的。在整个系统的运行过程中，要求业主、设计方、监理方、总包方、分包方、供应方多渠道和多方位的协调，并通过网上文件管理协同平台进行日常维护和管理。BIM系统管理贯穿建筑物的设计、施工、运营，包含设计方、施工方、建设方等多单位的工作。

2014年7月住房和城乡建设部发布的《住房城乡建设部关于推进建筑业发展和改革的若干意见》中提出推进建筑信息模型(BIM)等信息技术在工程设计、施工和运行维护全过程的应用，提高综合效益。并积极探索开展白图替代蓝图、数字化审图等工作，建立技术研究应用与标准制定有效衔接科技成果转化，加快先进适用技术的推广应用。

2015年发布的《关于推进建筑信息模型应用的指导意见》是落实2011和2014两个文件的精神，可以说是第一次明确提出了BIM在建筑业的发展目标，以及各参与者的具体工作，对BIM的发展具有重大意义。必将不断推动我国建筑业的转型升级和健康持续发展。

中国古建有其构件化的搭建、模数化的尺度以及特征化的组合等特点，是一种基于特定尺寸构件基础上的“参数化”的设计与搭建过程。建立参数化的古建构件模型，设置影响古建形制与尺度的主驱动参数，在此基础上实现主驱动参数对组成构件形制、尺寸的控制，以及构件之间位置、距离、量的调整，即可实现古建的参数化建模工作。

目前，在古建屋顶建模过程存在的问题为：

1、操作步骤复杂、繁琐，不能即时显示三维效果，导致建模速度慢。

2、古建屋面模型无法使用Autodesk revit系统屋面来进行建模。

3、族模型的建模能力差，工作效率低。

4、模型部分细节不符合设计意图，无法实际应用。

通过检索，尚未发现与本发明申请相关的公开专利文献。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种操作简单、建模速度快的基于BIM的仿唐宋古建异形屋面瓦参数化建模方法。

本发明的方案是这样实现的：

一种基于BIM的仿唐宋古建异形屋面瓦参数化建模方法，包括如下步骤：

步骤一、通过体量框架线构建屋面整体曲面；

步骤二、建立屋面瓦分隔，将整体屋面划分成对应每片筒瓦位置的网格单元，再由创建的自适应参数化屋面筒瓦族关联替换；

首先通过两个公式定义出参数化屋面筒瓦族：

⑴建立四边特征Bezier曲面

Bezier曲线公式为：

$\left(\begin{array}{cc}P\left(t\right)=\underset{i=0}{\Sigma }{P}_i{B}_{i,n}\left(t\right)& 0\le t\le 1\end{array}\right)$

其中：Pi—特征多边形顶点的位置矢量；

Bi,n(t)—伯恩斯坦基函数

Bezier曲面—由多边形面上的设计点所构成网格定义

特征多边形Bezier曲面——定义n次Bezier曲线的n条边组成的多边形，勾画出对应曲线的形状；

通过四条相连的Bezier曲线建立对应屋面网格划分的特征Bezier曲面，即四边特征Bezier曲面；

⑵在四边特征Bezier曲面边线上建立带动曲面变化的特征点，具体操作如下：

Bezier曲面变量公式如下：定义：m×n次曲面公式为

$\left(\begin{array}{cc}P(u,v)=\underset{i=0}{\Sigma }\underset{j=0}{\Sigma }{B}_{i,m}\left(u\right)B_{j,n}\left(v\right)Q_{i,j}& (0\le u,v\le 1)\end{array}\right)$

其中－m,n决定曲面片的次数；

Bi,m(u)、Bj,n(v)是伯恩斯坦基函数；

Qi,j是控制网格顶点的(m+1)×(n+1)；

上述公式定义Bezier曲面边线点变化带动整体Bezier曲面变化；

在已建的四边特征Bezier曲面相对边线中点上分别添加一个特征点；

⑶通过连接特征点与四边特征Bezier曲面的交点形成自适应特征点，再根据四边特征Bezier曲面上自适应特征点创建曲面矢量切线；

⑷然后以曲面矢量切线为中心线建立筒瓦外形，形成屋面筒瓦自适应参数化族，图中圆柱就是能自适应各种变曲面建立的参数化屋面筒瓦族；

⑸建立屋面瓦分隔，在步骤一中创建的屋面整体曲面上创建UV映射，形成屋面分隔；

步骤三、采用自适应构件参数化族添加屋面瓦，对应每个UV纹理单元曲面填充生成筒瓦构件，形成屋面；

步骤四、最后利用BIM建模的对称性模块生成整体古建屋面瓦模型的建立。

而且，所述步骤二中分步骤⑸的具体操作步骤如下：

⑴建立UV二维纹理坐标系；

⑵以UV二维纹理作为标记点，控制纹理表面的对应点

以UV二维纹理作为标记点，用于控制纹理表面的点与网格上的点对应，即通过上述两个公式形成空间曲面自适应点，形成参数化瓦片的布置规则，用以对应屋面分隔后的网格单元。

本发明的优点和积极效果是：

1、本发明通过Bezier曲线公式和Bezier曲面变量公式生成曲面自适应特征点曲面矢量切线，并关联屋面筒瓦构件形成参数化屋面筒瓦族，通过建立屋面结构体量生成屋面结构平面，利用UV坐标系划分屋面结构平面，形成对应每个筒瓦的空间自适应点网格单元，载入筒瓦族关联每个网格单元，形成屋面。

2、本发明优化古建异形屋顶的参数化建模工作，从而减少古建屋顶建模的的重复工作，即时显示相应参数设置下形制尺寸的三维效果，设计直观，方便设计人员的快速建模。

3、解决了古建屋面模型无法使用Autodesk revit系统屋面来进行建模的问题。

4、增强族模型的建模能力，建立相应的古建屋顶参数化构架与细部构件模型，从而完善 古建屋顶参数化建模的族模型库。

4、本发明设计学合理、构思巧妙，有效提高工作效率，且建模直观，具有广泛推广应用的价值。

附图说明

图1是本发明的屋面多曲面体量框架图；

图2是本发明中Bezier曲线曲面图；

图3是本发明中Bezier曲面上自适应特征点矢量切线图；

图4是本发明生成参数化屋面筒瓦族图；

图5是本发明中屋面瓦体量UV分隔图；

图6是本发明生成填充筒瓦族图；

图7是本发明生成古建屋面瓦图；

图8九种拓扑关系图。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述。

一种基于BIM的仿唐宋古建异形屋面瓦参数化建模方法，包括如下步骤：

步骤一、通过体量框架线构建屋面整体曲面，如图1所示；

步骤二、建立屋面瓦分隔，其目的是将整体屋面划分成对应每片筒瓦位置的网格单元，再由创建的自适应参数化屋面筒瓦族关联替换。该步骤是本发明的核心关键步骤，具体操作如下：

在建立屋面瓦分隔之前，首先通过两个公式定义出参数化屋面筒瓦族：

1、首先建立四边特征Bezier曲面

参数曲面建模在拓扑矩形的边界网格上利用混合函数在纵向和横向两对边界曲线间构造光滑过渡的曲线构造曲面形成Bezier曲面，如图2所示，Bezier曲线由两个端点和若干个不在曲线上但能够确定曲线形状的点来确定。

Bezier曲线公式为：

$\left(\begin{array}{cc}P\left(t\right)=\underset{i=0}{\Sigma }{P}_i{B}_{i,n}\left(t\right)& 0\le t\le 1\end{array}\right)$

其中：Pi—特征多边形顶点的位置矢量；

Bi,n(t)—伯恩斯坦基函数。

Bezier曲面—由多边形面上的设计点所构成网格定义。

特征多边形Bezier曲面——定义n次Bezier曲线的n条边组成的多边形，大致勾画出对应曲线的形状。

通过四条相连的Bezier曲线建立对应屋面网格划分的特征Bezier曲面(四边特征Bezier曲面)。

2、在上述步骤1已建立的四边特征Bezier曲面边线上建立带动曲面变化的特征点，具体操作如下：

Bezier曲面变量公式如下：定义：m×n次曲面公式为

$\left(\begin{array}{cc}P(u,v)=\underset{i=0}{\Sigma }\underset{j=0}{\Sigma }{B}_{i,m}\left(u\right)B_{j,n}\left(v\right)Q_{i,j}& (0\le u,v\le 1)\end{array}\right)$

其中－－m,n决定曲面片的次数；

Bi,m(u)、Bj,n(v)是伯恩斯坦基函数；

Qi,j是控制网格顶点的(m+1)×(n+1)。

上述公式定义Bezier曲面边线点变化带动整体Bezier曲面变化。

在已建的四边特征Bezier曲面相对边线中点上分别添加一个特征点。

3、通过连接特征点与四边特征Bezier曲面的交点形成自适应特征点，再根据四边特征Bezier曲面上自适应特征点创建曲面矢量切线，如图3所示，图3中1为特征点，2为特征点曲面矢量切线，3为Bezier曲面边线。

4、然后以曲面矢量切线为中心线建立筒瓦外形，形成屋面筒瓦自适应参数化族，如图5所示，图中圆柱就是能自适应各种变曲面建立的屋面筒瓦参数化屋面筒瓦族。

5、建立屋面瓦分隔，在步骤一中创建的屋面整体曲面上创建UV映射，形成屋面分隔，如图5所示，具体操作步骤如下：

5.1建立UV二维纹理坐标系

UV(明确的U-VEEZ)是二维纹理坐标，带有多边形和细分曲面网格的顶点组件信息。UV存在，用于定义二维纹理坐标系，称为“UV纹理空间”。UV纹理空间使用字母U和V来 指示二维空间中的轴。UV纹理空间有助于将图像纹理贴图放置在3D曲面上。UV的重要性体现在，它们提供曲面网格与如何将图像纹理贴图到曲面网格之间的连接。

5.2以UV二维纹理作为标记点，控制纹理表面的对应点

以UV二维纹理作为标记点，用于控制纹理表面的那些点(像素)与网格上的那些点(顶点)对应。即，通过上述两个公式形成空间曲面自适应点，形成参数化瓦片的布置规则，用以对应屋面分隔后的网格单元。

步骤三、采用自适应构件参数化族添加屋面瓦，对应每个UV纹理单元曲面填充生成筒瓦构件，如图6所示，形成屋面。

步骤四、最后利用BIM建模的对称性模块生成整体古建屋面瓦模型的建立(如图7)，本实施例中为八角屋顶。

本发明的建模原理：

屋面瓦建模方法采用几何信息和拓扑信息反映物体的形状和位置。如图8所示，屋面的拓扑和几何信息是互相关联的，不同的拓扑关系需要不同的几何信息。刚体变换不改变屋面瓦的形状，只改变物体的位置和方向。对于保持拓扑关系不变的几何变换，不仅改变物体的位置和方向，而且也改变物体的形状，甚至变换矩阵中的元素可以不是常数，而是某种函数关系，由此可扩大屋面瓦覆盖的域。屋面瓦曲面的最基本的几何元素包括点、线、面。如空间任意一点可以用直角坐标系中的三个坐标分量定义；对于一条空间直线，可以用它的两个端点的空间坐标定义；面可以是平面或曲面，平面可以用有序边棱线的集合定义。但是只用几何信息表示物体并不充分，常会出现物体表示上的二义性，即对同一几何体就可能有不同的理解。因此，对于屋面瓦曲面几何建模系统来说，为了保证描述物体的完整性和数学的严密性，必须同时给出几何信息和拓扑信息。拓扑信息是指一个物体的拓扑元素(顶点、边和表面)的数量、类型以及相互之间的邻接关系。拓扑元素之间可以采用九种拓扑关系表示(如图8)。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。