[發(fā)明專利]一種用于建筑結(jié)構(gòu)幾何信息模型網(wǎng)格劃分的方法

有效

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• 申請日: 2013-12-24
• 公開（公告）號: CN103678820A
• 公開（公告）日: 2014-03-26
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 段進;陳曉明;李云貴
• 申請（專利權(quán)）人: 中國建筑股份有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 北京中建聯(lián)合知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所 11004
• 代理人: 朱麗巖

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及建筑信息模型（BIM）領(lǐng)域，特別是涉及一種用于建筑結(jié)構(gòu)幾何信息模型網(wǎng)格劃分的方法。

背景技術(shù)

迄今為止，計算機技術(shù)的發(fā)展對建筑行業(yè)有過兩次革命性的貢獻，第一次是CAD（Computer?Aided?Design）技術(shù)取代傳統(tǒng)圖紙，第二次是BIM(Building?Information?Modeling)，通常翻譯為“建筑信息模型”。前者是工具上的轉(zhuǎn)變，而后者是思路上的轉(zhuǎn)變；前者僅影響建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計階段，而后者將貫穿建筑結(jié)構(gòu)的全生命周期（含策劃、設(shè)計、施工、運維等）。因此對建筑行業(yè)來說，BIM是一次更徹底地沖擊和變革。

BIM包含的內(nèi)容非常廣，其中建筑結(jié)構(gòu)的安全性分析和舒適性分析是最基本內(nèi)容之一。對于這類問題，伴隨計算機而發(fā)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“先離散后集成”，因此為得到有限元解必須先對結(jié)構(gòu)進行有限元離散，即網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格劃分從拓撲關(guān)系上來說可分為映射網(wǎng)格（結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）和自由網(wǎng)格（非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格）。映射網(wǎng)格是指內(nèi)部結(jié)點的拓撲關(guān)系一致，也就是說每個內(nèi)部結(jié)點均連接相同數(shù)目的單元，該網(wǎng)格的生成方式很簡單，網(wǎng)格劃分速度很快，網(wǎng)格質(zhì)量也很好，但它只適用于特殊的幾何邊界，在實際工程中很受限制。自由網(wǎng)格是指內(nèi)部結(jié)點的拓撲關(guān)系可以任意，也就是說每個內(nèi)部結(jié)點可連接任意數(shù)目的結(jié)點和單元，該網(wǎng)格的生成方式較為復(fù)雜，但理論上適用于任意復(fù)雜的幾何邊界，因此在通用軟件中被廣泛采用。

網(wǎng)格劃分的最基本要求是“能夠適應(yīng)各類復(fù)雜幾何邊界、網(wǎng)格離散結(jié)果能夠真實反映原始幾何模型”，而為了適應(yīng)有限元分析的要求，網(wǎng)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(jié)果對邊界網(wǎng)格非常敏感，網(wǎng)格劃分時需優(yōu)先保證邊界網(wǎng)格的質(zhì)量，盡可能讓邊界網(wǎng)格與邊界形狀保持一致以確保邊界網(wǎng)格的均勻性和方正性；

方向無關(guān)性：旋轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)換一個給定的幾何區(qū)域不能改變其網(wǎng)格劃分的結(jié)果，也就是說，網(wǎng)格劃分的結(jié)果由區(qū)域形狀決定，而跟總體坐標(biāo)系的選擇無關(guān)，以避免總體坐標(biāo)系的選擇影響有限元計算結(jié)果；

奇異節(jié)點數(shù)目較少且遠離邊界：對于四邊形網(wǎng)格來說，奇異點是指與之相連的單元數(shù)目不等于4的內(nèi)部節(jié)點，對于三角形網(wǎng)格來說，奇異點是指與之相連的單元數(shù)目不等于6的內(nèi)部節(jié)點。這是網(wǎng)格劃分中非常關(guān)鍵的一個問題，因為奇異點的數(shù)量和位置將直接決定優(yōu)化后的最終網(wǎng)格質(zhì)量。通常來說，自由網(wǎng)格劃分中出現(xiàn)奇異點是不可避免的，但可以通過算法優(yōu)化盡量減少奇異點的數(shù)目，同時盡可能避免奇異點出現(xiàn)在邊界附近，因為邊界網(wǎng)格對有限元結(jié)果的影響更為顯著。

從有限元的角度來說，網(wǎng)格劃分不僅是其前提和基礎(chǔ)，同時網(wǎng)格質(zhì)量也將直接影響有限元結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性。事實上，在有限元發(fā)展的早期階段，網(wǎng)格劃分曾經(jīng)是制約有限元應(yīng)用和推廣的一個重要因素，即便到了今天，網(wǎng)格自動劃分技術(shù)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(gòu)均投入了大量的人力物力進行相關(guān)研究，發(fā)展了各種不同的網(wǎng)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）建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，若直接用來進行建筑結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分其效果并不十分理想，因此關(guān)于建筑結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分還需做有針對性的專門研究。

發(fā)明內(nèi)容

為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明之主要目的在于提供一種用于建筑結(jié)構(gòu)幾何信息模型網(wǎng)格劃分的方法，其考慮了建筑結(jié)構(gòu)的特殊性，實現(xiàn)了建筑結(jié)構(gòu)幾何信息模型的網(wǎng)格劃分，可用于任意復(fù)雜建筑結(jié)構(gòu)，具有很強的通用性。

為達上述及其它目的，本發(fā)明提出一種用于建筑結(jié)構(gòu)幾何信息模型網(wǎng)格劃分的方法，包括如下步驟：

步驟一，針對建筑結(jié)構(gòu)模型布置協(xié)調(diào)邊界點；

步驟二，根據(jù)該建筑結(jié)構(gòu)的不同構(gòu)件進行構(gòu)件網(wǎng)格劃分，對于框架構(gòu)件，則直接生成2節(jié)點單元；對于樓板或基礎(chǔ)筏板采用自由網(wǎng)格劃分；對于剪力墻，則區(qū)分直墻和曲面墻，對于直墻直接判斷其能否拆分并采用映射網(wǎng)格或自由網(wǎng)格劃分，對于曲面墻，則先將曲面映射到參數(shù)平面，然后根據(jù)能否拆分來選用映射網(wǎng)格或自由網(wǎng)格劃分，最后再將參數(shù)平面網(wǎng)格映射回原始空間曲面以得到曲面網(wǎng)格。

進一步地，于步驟二中，自由網(wǎng)格劃分為采用鋪砌法對任意平面圖元進行純四邊形自由網(wǎng)格劃分。

進一步地，該自由網(wǎng)格劃分包括如下步驟：

步驟3.1,根據(jù)所要劃分的網(wǎng)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(jié)點；