不规则壳元的建模

结构工程的造山_不规则壳元的建模

以下分享工程师遇到问题解决问题的过程：

现在越来越多的建筑师与结构工程师可以通过RHINO GH对复杂曲面进行建模，通过参数化建模最后把模型导入SAP2000等软件进行结构分析。去年有幸参与一个主题乐园项目的结构分析，从中遇到了一种特别的情况，需要把不规则壳元进行有限元分析。事情是这样子的：

目前的建筑设计已经大量应用了3D打印及3D扫描技术，建筑师或设计师，只需要建立缩尺模型，采用高 精度的3D扫描技术，把模型数码化，在电脑的数码格式，可以把缩尺模型放大至实际建筑物或景观的大小，这也就是现在的人造景观的技术。目前已经可以做到“愚公造山”，结构工程师只需要设计一个钢结构  框架，如图所示，外表面可以采用GRC混凝土（带一定受拉承载力的混凝土），这种混凝土往后发展可以成为3D打印结构的主要材料。

钢结构与外蒙皮结构的关系


3D 扫描技术在建模中的应用

岩石山体扫描后数码化的效果

落在手上的问题是，需要对3D扫描的GRC混凝土壳进行有限元分析，与传统的参数化生成的壳元不同，3D扫描得到的壳元的点分布是杂乱无章的（3D扫描是得到点云，Point Cloud，这与激光的频率，点与点的距离有关，没有什么规律），需要把壳元规划划分后导入SAP2000进行计算。因为这个项目少说也有几百块壳体，批量化的划分单元是非常重要的。结构工程师遇到复杂模型的建模问题，一般通过编程解决，与传统的网格划分技术不同，这次是把网格规则化。在这个过程中，享受采用小学二年级学习的空间几何知识解决问题的快感。

以上外壳为例，在3DSMAX打开壳元的实际网格如图所示。

自编小程序用于批量划分网格 3D surface Mesh. 

1）编制程序读取3D扫描得到的不规则曲面
2）生成正交规范的点坐标
3）求解点坐标到三角面内的映 射 ，得到正交点的Z轴坐标。
4）最后通过正交点的三维坐标形成新的规则曲面
5）另存为DXF，导入SAP2000进行静力分析，如图所示。
6）由于有很多块壳元，写个LISP就可以自动操作起来了
7）特别三轴复杂的曲面，需要人为处理一下

规划划分后的SAP2000 模型

这里用到的小学二年级的空间知识居然是已知三点坐标求得平面方程，如下图所示。有时候简单的数学拯救了工程师。这个是对去年的有限元网格划分在工程中应用的一次小总结。现在有了Rhino与GH,这种问题又有了新的解决方法，但是对于大量单元的网格划分，如有代码进行后台计算的效率，而且还可以打包成容易入手的小工具。

 

以上就是这篇笔记的全部内容。
以上操作用到的AutoCAD的二次开发，SAP2000的二次开发，三维网格划分的知识，空间几何的知识等。