空间网格结构逆向建模方法

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1、第七届J牟=国现代结构工程学术研讨会空间网格结构逆向建模方法李娜罗尧治(浙江大学空间结构研究中心，杭州310027)摘要：逆向建模方法是将逆向工程的设计思想引入宅阃网格结构建模中：由物珲模型获取数据点云，利用逆向软件进行曲面重构井提取具有规则拓扑关系的型值点阵，结合宅间网格结构特点，应用三次B样条插值曲面及映射法编制程序，进行曲面网格剖分，从『『ii实现基于物理模型的空间网格结构的快速建模。关键词：空间网格结构，建模，逆向工程一、引言随着空间结构的迅速发展，表现力丰富的自由曲面建筑愈来愈多。结构形态的多样化使结构设计分

2、析难度增大，特别是建模工作变得更加繁琐。可以注意到，有些自由曲面建筑，其设计灵感来源于丰富多彩的生物形态、雕塑、传统手工艺品等等，在这里统称为物理模型。文献[1】中介绍：德国的M．矾．A博物馆的设计不是始于计算机辅助设计工作，而是将设汁构思用一定比例的物理模型表达出来．再运用相关技术设备对实物模型进行曲面重构，从而构建出设计模型。这样的建模方法实际上将逆向工程的工作原理应用到了建筑工程领域：所谓逆向工程(ReverseEngineefing)，是目前在产品设计与制造领域应用的一项先进技术，又称为反求工程，是指从一个已有

3、的物理模型或实物零件产生出相应的cAD模型的过程。在建筑行业．逆向工程的应用近年来也有所发展，主要在快速建立城市模型、古建测量与文物保护、复杂建筑物施工、地质研究、建筑物形变监测以及在安全方面的应用等⋯。文献[3】中，作者采用三维激光影像扫描技术．在不损伤建筑物的条件下，快速采集某古塔内外部表面的精确数据，从而建立cAD数据图。’本文结合逆向工程的工作原理与空间网格结构特点，研究空间网格结构的逆向建模方法，将由物理模型获取的散乱数据点进行曲面重构，提取出具有规则拓扑关系的型值点阵，进行曲面网格剖分，从而实现自由曲面空间

4、网格结构的快速建模。二、逆向建模方法概述本文着重介绍空间网格结构逆向建模方法，由于此方法与逆向工程密切相关，因此首先对逆向工程作简要说明。(一)逆向工程简介在产品的开发及制造过程中，几何造型技术已使用得相当广泛，但是仍有许多产品并非由cAD模型描述．设计制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径．将这些实物转化为cAD模型，使得能利用cAD等先进技术对其进行处理或管理。目前，与这种从实物样件获取产品数学模型技术相关的技术，已发展为cAD，cAM中一个相对独立的范畴，即为逆向工程”1。逆向工程主

5、要是将原始物理模型转化为工程设计概念或设计模型，一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息。另一方面可为充分利用先进的CAD技术对已有的产品原型进行再创新工程服务。1。(二)逆向建模方法橇述，结合逆向工程的工作原理与空间网格结构特点，研究逆向建模方法的处理过程，概括如下(图1)：工业建筑2007蜡刊第七届全国现代结构工程学术研讨会r至垂]卜围；物理模型÷—叫数据获取I·⋯⋯⋯Jo1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．_J日囤日图1逆向建模方法示意图陌刊i磊-1L．．．．．．．．．．．．．．．．．

6、．．．Jl，．⋯．一．．．●l、数据获取‘利用各种接触式或非接触式测量设备或测量方法，得到物理模型各表面点的空间三维坐标，从而扶取大量的数据点信息，称之为点云，以某种格式存入计算机【6】。接触式测量仪器如三坐标测量仪；非接触式测量方法很多，如激光扫描方法、逐层扫描测量、三角形法、电磁和声波法等。文献[7】中描述了在自然生物形态中得到壳体结构的方法，并且列举出用三维扫描仪获取的生物形态的点云数据。2、拟台曲面拟台曲面是逆向工程中最重要的处理过程，获得的点云数据首先通过逆向软件进行去噪声、精简等处理，然后根据获得点云数据的

7、不同特点，利用不同的拟合方法重构曲面：逆向建模方法还需在此过程中提取曲面上具有矩形拓扑关系的型值点阵以便于进行网格剖分。3、剖分网格与逆向工程在产品设计加工领域的应用不同，当利用逆向软件将散乱的数据点云转化为复杂的cAD曲面之后，不是设计工作的结束，而是空间网格结构形成的开始。剖分网格的处理即应用三次B样条插值曲面及网格映射法，由型值点阵作为数据源进行网格剖分．并对网格质量进行评估。此步操作是针对空间网格结构的特点和实际工程需要进行的操作，是为达到网格结构设计便捷性所必需的流程，下面蕈点介绍拟合曲面以及剖分网格两个步骤

8、的处理方法。三、点云数据拟合曲面a原始点云b清除杂点．c拟合曲面d提取型值点图2点云拟合曲面本文中使用hagewa∞逆向软件进行点云数据处理，处理数据的流程遵循点——曲线——曲面原则，流程简单清晰。以平面扫描点云处理过程为例：原始点云如图2a所忝，由于扫描物理模型的过程中难免会受到环境光源以及模型承台等的干扰，因此会出现杂点，需要