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结构—表皮二次匹配技术.rar

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    编号:20181101170526133    类型:共享资源    大小:127.02MB    格式:RAR    上传时间:2019-04-03
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    结构 表皮 二次 匹配 技术
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    结构—表皮二次匹配技术——万科悬浮咖啡厅设计与建造钟华颖南京大学建筑与城市规划学院21869468@qq.com摘要:NURBS 曲面是一种方便的非标准形态建模工具。曲面与其控制多边形之间的偏移和变形却难于预判和控制。曲面建模过程中,这种曲面变形可能引起表皮与其支撑结构之间的不匹配。本文作者在万科悬浮咖啡厅项目设计中,提出了一种基于参数化方法的结构-表皮二次匹配技术,以使表皮与结构吻合。与传统设计过程中表皮匹配结构不同,这一技术将结构线形与表皮曲面相匹配。进一步通过调整参数控制曲面表皮与结构之间的匹配度,为进一步的钢结构和 GRG 表皮设计提供了更多选择。关键词:曲面建模;曲面变形;结构-表皮再匹配;曲线找形;参数化方法Structure-Surface Re-matchingthe design, development and fabrication of Vanke coffee barZhong HuayingSchool of Architecture and Urban Planning, Nanjing University21869468@qq.comAbstract. NURBS surface is a convenient tool in modeling of non standard forms. The deformation and deviation between surface and its control polygon are difficult to predict and control. In the course of surface modeling, surface deformation is likely to cause incompatibility between the surface and the supportive structure. The author of this paper, in the design of Vanke coffee bar, developed a technique called structure-surface re-matching based on the parametric method to match the structure with the surface. Different from the traditional design course featured by surface matching structure, this technique has acquired the structure-curve suitable for the surface. Moreover, the change of parameters adjusts compatibility between the structure and surface which serve to offer a variety of choices for the further design of following steel structure and GRG surface of precision to varying degrees.Keywords. Surface modeling;Surface deformation; Structure-Surface re-matching;curve finding process ;parametric method问题的缘起结构与表皮的关系是建筑设计中一对基本关系。应用直线、平面、圆弧面等欧几里德几何体的建筑当中,表皮与结构依据相同的控制线定位,在设计和施工当中多采用表皮匹配结构的方式。当建筑形态由欧几里德几何体转向以自由曲面为代表的非欧几里德几何体,由于几何复杂性的增加,结构与表皮两者关系更为复杂。万科悬浮咖啡厅项目,一个通过拉索悬吊于中庭上空的树枝状曲面网格包裹的咖啡厅。曲面网格采用 T-SPLINE 曲面建模工具生成连续的复杂曲面。由于曲面本身的几何特征,数字模型建模产生变形,引起结构与表皮并不吻合(图 1) 。纠正这种变形依据传统的手动调整方式难以解决。本文提出了一种通过参数化建模技术,将表皮与结构进行两次匹配使两者达到吻合的方法。( a)立面图 ( b)表皮 -结构模型局部 图 1 万科悬浮咖啡厅项目表皮与结构的偏移变形几何网格进行表皮-结构匹配操作以前,观察表皮曲面形态发现,表皮在一定情况下出现的褶皱变形,压缩结构构件空间。当这种压缩小于结构构件尺寸时,整个结构体难以成立。在表皮与结构匹配以前需要将表皮平滑度需要控制在合理范围内(图 2) 。( a)表皮 ( b) A 局部放大 ( c) B 局部放大图 2 表皮褶皱压缩结构构件空间构成曲面的网格有着不同权数的节点,即相交于一个节点的网格边线数量。权数可能由三、四直至五、六甚至更多。对比发现权数为三、四的节点光滑,当权数超过四之后可能出现褶皱(图 3) 。同时褶皱的变形程度受到边与边之间夹角的影响。分析其原因是曲面建模的内在几何机制。描述和定义 NURBS 曲面的是控制多边形,而 NURBS 曲面实质是变形的四边形面。因此当权数超过四时,描述曲面的控制多边形可能出现重叠的边,由此产生褶皱。将节点权数控制在四及以下对构造平滑曲面,为结构预留足够空间更为有利。( a)节点权数三、四 ( b)节点权数五 ( c)节点权数六图 3 网格节点权数与曲面褶皱变形的关系表皮-结构匹配选择了适当的网格形态与节点权数,下一步进行表皮与结构的匹配,将曲面以适当的形态包裹结构网格。结构在节点处占据的空间较大,扩大曲面在网格节点处的空间将有利于两者的匹配。设置节点空间调节参数,控制节点大小。扩大的节点,为后续构造设计也预留出更多空间。图 4 参数控制的表皮节点大小节点尺寸之外,另一个重要的控制参数是包裹结构的曲面最小截面尺寸。最小截面尺寸越小,整个表皮的表面积越小,降低整体重量,节约材料费用(图 5) 。截面尺寸的选择不仅考虑了构件尺寸,节点大小,还加入了钢结构加工,GRG 表皮安装空间与安装误差。设定能够包裹结构的合理曲面截面大小,使曲面尽可能完整地包裹结构构件。a)直径 D=100 b)直径 D=200 c)直径 D=300图 5 参数控制的表皮最小截面结构-表皮二次匹配控制表皮曲面节点大小及最小截面基础上,由于曲面的变形,某些部分与结构网格之间仍然出现了偏移(图 6) 。这种偏移是不均匀且难以准确预测的。调整曲面控制点或控制线,纠正一个局部的偏移可能在其它部分再次出现偏移。这是自由曲面本身的几何特性决定的。通过局部而非全局性的调整很难全面解决这一问题。解决的思路是通过调整结构线形,使其重新回到表皮曲面范围以内,进行结构- 表皮的再匹配。图 6 表皮曲面变形引起与结构之间的偏移对结构线形进行调整,选取结构线上任意点,首先需要确定的是该点调整的方向。一种可能是以该点向曲面寻找最近点,以两点连线方向进行便宜。类似的,可以选择该点在曲面上的法线方向。悬浮咖啡厅项目为方便钢结构加工,将结构线限定为平面内曲线。因此利用每条结构曲线所在平面,在平面范围内进行调整。等分结构线,做平面内的探测线 a1b1,a2b2,a3b3,……(图 7) 。图 7 搜索面与搜索线搜索探测线与邻近曲面的交点。一般情况下直线与闭合曲面有两个交点(图 8 点 A1B1,A2B2,A3B3) 。曲面数量多,或者相邻曲面有微小重叠等情况,由于计算误差直线和曲面仅搜寻到一个交点(图 8 点 B4) ,或者多于两个交点。搜寻程序需要考虑多种情况进行测试和进一步判定,排除不合理的多余点,或根据相邻点位置补充缺失的点。图 8 搜索线与曲面交点获得探测线与曲面两交点,取其中点形成点集构成新的结构线形路径。采用过控制点曲线进行拟合生成新的结构线形。点集的密度决定了结构线与表皮匹配的精度。点集越密结构线对表皮形状的变化反应越精确。实验发现当线形精度超过表皮加工精度时将失去意义,对钢结构加工放样带来不必要的负担。有必要合理的选择控制点集密度。将点集密度参数加入曲线找形过程,通过参数化方法控制线形,与钢结构加工方配合,输出最合理的线形(图 9) 。a)采样点间距 D=200 b)采样点间距 D=300 c)采样点间距 D=400图 9 参数控制的结构线形生成建造过程表皮与结构的匹配通过以上曲面-结构的两次匹配步骤,获得的三维模型为后续加工建造提供了良好基础。由于曲面形态的复杂度高,表皮与结构关系复杂,在建造之前选取典型节点进行了全尺寸试样(图 10) 。试样中表皮与结构基本吻合,但也发现 GRG(纤维加强石膏)表皮由于自身厚度,以及分缝和连接构造占据了部分空间,预留的空间比较紧张。因此通过调整相关参数,重新生成了新的结构线形。图 10 节点试样 摄影:钟华颖通过表皮-结构匹配确定了合理的三维模型尺寸,实际建造全尺寸真实地实现电脑中的数字模型。实际建造表皮需要将自身重量传递到结构系统,因此钢结构骨架先于 GRG 表皮建造。建造过程的表皮-结构匹配顺序结构优先,表皮匹配结构。当大部分表皮单元定位安装后,由于施工误差等原因,少数结构与表皮位置不吻合。以表皮为参照,切割部分钢结构节点进行微调,现场重新焊接,最终完成了这个项目建造(图 11,12) 。a)现场试样 b)钢结构分片预装 c)钢结构总装图 11 施工过程照片 摄影:钟华颖图 12 建成效果 摄影:侯博文结论建筑设计的几何工具由欧氏几何发展至非欧几何,由于数学、几何特性的变化,对建筑设计结果可能带来新的影响,需要发展相应的设计技术。本文研究的由解决曲面变形问题而提出的表皮-结构两次匹配技术是其中一种。该技术包含三个步骤。首先通过合理选择和设计基础网格,塑造光滑曲面,为曲面-结构匹配打下基础。通过参数设定控制表皮节点大小和最小截面,使曲面尽可能完整地包裹结构构件,实现表皮-结构的第一次匹配。局部由于曲面变形,两者尚未完全匹配。通过设定结构线所在平面内的一系列探测线,采用搜寻方法获得新的结构线形,进行结构-表皮的二次匹配。实际建造过程中存在类似的匹配过程,以结构为基础进行基本的表皮安装,局部不吻合的部分以表皮为参照调整结构进行二次匹配。在数字建模和实际建造两个方面证明了该项技术的可行性。验证了包含参数化方法在内的数字设计技术解决复杂建筑设计问题的能力。参考文献[美]Philip J. Schneider, David H. Eberly(著) ;周长发(译) ,计算机图形学几何工具算法详解,北京:电子工业出版社,2005.周培德, 计算几何——算法分析与设计, 北京:清华大学出版社,2000.Helmut Pottmann,, Andreas Asperl, Michael Hofer, Axel Kilian, Architectural Geometry, Bently Institute Press, U.S.A., 2007.
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