申请/专利权人：西安财经大学

申请日：2019-06-12

公开（公告）日：2023-12-22

公开（公告）号：CN110222435B

主分类号：G06F30/13

分类号：G06F30/13;G06F30/20

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2023.12.22#授权;2019.10.08#实质审查的生效;2019.09.10#公开

摘要：本发明提供了一种古建筑翘飞椽的参数化设计方法，以翘飞椽不起翘时中间截面上的空间点作为已知参数，并根据最后一根翘飞椽起翘高度的设置，计算古建筑翼角处每一根翘飞椽的起翘高度和起翘后的中间截面空间点参数和翘飞椽头部端面的倾斜角度，再根据计算而得的空间点坐标、头部端面倾斜角度、底部折线方向向量，背部折线方向向量、尾部棱边方向向量和翘飞椽的厚度进行翼角处全部翘飞椽三维图纸的绘制，本发明可以通过最后一根翘飞椽起翘高度的反复设置，进行所有翘飞椽三维图纸的多次修改，以满足建筑布局的美观和协调性要求，大大节省了古建筑翼角翘飞椽设计时间，提高了设计的效率和三维图纸的精度。

主权项：1.一种古建筑翘飞椽的参数化设计方法，其特征在于：包括以下步骤，S1、完成初始状态输入，该状态翘飞椽不起翘，即翘飞椽的背部不折弯时，古建筑翼角的翘飞椽的空间的分布状况，其中设定翘飞椽的根数为n，翘飞椽的厚度为d；S2、以古建筑翼角处不采用起翘时的翘飞椽中间截面上的控制点Ai1、Ai2、Ai3、Ai4的空间坐标作为控制点，这些控制点坐标参数属于已知数据，控制点空间坐标采用直角坐标x，y，z，其中i表示某一根翘飞椽，i＝1，2，3，…n；S3、输入S2中当i＝n时，即第n根翘飞椽的翘度Hn，为第n根翘飞椽不起翘时的An4点和采用起翘后Bn4点的竖直距离；S4、根据如下公式计算翼角处第i根翘飞椽采用起翘后的翘度Hi， S5、根据如下公式和方法，计算起翘高度为Hi的翘飞椽的中间截面上的控制点Bi1、Bi2、Bi3、Bi4，Bi5，其中控制点空间坐标采用直角坐标x，y，z表示：Bi1＝Ai1；Bi2＝Ai2；Bi4点坐标为Ai4点的x，y坐标保持不变，z坐标加上Hi后得到；点Bi2、Bi3、Bi4、Bi5在以Bi2到Bi4的距离为直径的圆上，根据该圆的空间方程，点Bi3到点Bi4的距离等于点Bi2到点Bi5的距离，同时又等于已知控制点Ai3到点Ai4的距离L，通过以上条件获得点Bi3和点Bi5的空间坐标，至此，起翘高度为Hi的第i根翘飞椽的中间截面坐标参数完全确定；S6、采用如下方法，计算起翘后的第i根翘飞椽头端面倾斜角度、背部折线方向向量、底部折线方向向量，尾部楞边方向向量；计算第i根翘飞椽中间截面法向量ViN，其中i＝1,2,3,……n；根据控制点Bi3、点Bi4以及点Bi5，获得点Bi4指向点Bi5的方向向量Vi1以及点Bi3指向Bi4的方向向量Vi2，通过方向向量Vi1和Vi2的外积获得中间截面法向量ViN，计算公式如下：ViN＝Vi1×Vi2方向向量Vi3代表翘飞椽头部上、下楞的方向向量，当i＝1时，V13等于第1根翘飞椽中间截面的法向量V1N；当i≠1时，计算第i-1根翘飞椽上的点Bi-14在经过第i根翘飞椽上的两个控制点Bi4到Bi5的直线上的投影P，获得控制点Bi-14指向点P的方向向量Vi3；通过方向向量Vi3和中间截面的法向量ViN的内积获得第i根翘飞椽头端面倾斜角度，具体公式如下： 当i＝1时，翘飞椽背部折线方向向量V1B、底部折线方向向量V1D与该中间截面法向量V1N满足如下关系：V1B＝V1D＝V1N当i≠1时，翘飞椽背部折线方向向量ViB为已知控制点Bi-15指向Bi5的方向向量，通过Bi-15和Bi5两点空间坐标计算而得，底部折线方向向量ViD与背部折线方向向量相等；当i＝1时，翘飞椽尾部楞边方向向量V1W等于该翘飞椽中间截面法向量V1N；当i≠1时，翘飞椽尾部楞边的方向向量ViW为第i-1根翘飞椽尾部楞边中间坐标Bi-11指向第i根翘飞椽尾部楞边中间坐标Bi1的方向向量，通过Bi-11和Bi1两点空间坐标计算而得；S7、根据翘飞椽中间截面控制点坐标Bi1、Bi2、Bi3、Bi4，Bi5，椽头端面倾斜度αi、背部折线方向向量ViB、底部折线方向向量ViD、尾部楞边方向向量ViW以及翘飞椽厚度d，绘制起翘之后的翼角处翘飞椽，并输出包含所有翘飞椽中间截面控制点坐标Bi1、Bi2、Bi3、Bi4，Bi5，椽头端面倾斜度αi、背部折线方向向量ViB、底部折线方向向量ViD、尾部楞边方向向量ViW的三维图纸。

全文数据：一种古建筑翘飞椽的参数化设计方法技术领域本发明属于古建筑参数设计方法技术领域，具体涉及一种古建筑翘飞椽的参数化设计方法。背景技术翼角翘飞椽是构成中国古建筑民族特征“如鸟斯革，如翚斯飞”的重要组成构件，是构成中国古建筑传统美学特征的基本要素之一。在传统宫殿建筑、寺庙建筑、戏楼建筑、民宅建筑的屋檐翼角处几乎都能见到其应用。在戏剧影视古建筑三维背景制作、古建筑的设计和文物修复中，翘飞椽也是重要的构件。传统的木工的设计方式是依据匠人的经验采用放线的办法对翘飞椽进行设计，设计之前就预先设定了翼角的结构外形，难于考虑单栋古建筑或古建筑群整体外形翼角之间的协调性和美观性，随着时代的进步，计算机技术以及建筑领域BIM技术的应用，人们越来越关注于古建筑设计过程中的整体性和协调性。在实际古建筑设计过程中，往往需要总体上对某栋建筑的翼角或者建筑群中不同建筑的翼角起翘高度进行调整，对翼角处的翘飞椽外形和起翘高度进行反复修改，以满足人们日益增加的对于传统古建筑整体性和建筑群协调性的美观需求。而现有的传统古建筑翘飞椽设计方法中匠人依据经验采用放线进行设计的方法，构件尺寸存在偏差，其设计的三维图纸导入计算机后，由于计算机难以考虑实际建造过程中所允许这些尺寸稍许偏差，容易造成在计算机上古建筑整体构件装配的失败，不利于方案展示和讨论，影响设计方和甲方之间的交流和沟通，不利于方案的讨论和修订，同时传统匠人采用放线进行设计的方法不利于方案的反复修改，由此造成耗费大量时间成本，也使得图纸的成本投入增加。发明内容本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种古建筑翘飞椽的参数化设计方法，以解决上述背景技术中提出的传统古建筑翘飞椽设计方法中匠人依据经验采用放线进行设计的方法，构件尺寸存在偏差，其设计的三维图纸导入计算机后，由于计算机难以考虑实际建造过程中所允许这些尺寸稍许偏差，容易造成在计算机上古建筑整体构件装配的失败，不利于方案展示和修订、同时匠人放线的设计方法不利于反复修改，由此造成耗费大量时间成本的问题。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种古建筑翘飞椽的参数化设计方法，包括以下步骤；S1、完成初始状态输入，该状态翘飞椽不起翘，即翘飞椽的背部不折弯时，古建筑翼角的翘飞椽的空间的分布状况，其中设定翘飞椽的根数为n，翘飞椽的厚度为d；S2、以古建筑翼角处不采用起翘时的翘飞椽中间截面上的控制点Ai1、Ai2、Ai3、Ai4的空间坐标作为控制点，这些控制点坐标参数属于已知数据，控制点空间坐标采用直角坐标x，y，z，其中i表示某一根翘飞椽，i＝1，2，3，…n；S3、输入S2中当i＝n时，即第n根翘飞椽的翘度Hn，为第n根翘飞椽不起翘时的An4点和采用起翘后Bn4点的竖直距离；S4、根据如下公式计算翼角处第i根翘飞椽采用起翘后的翘度Hi，S5、根据如下公式和方法，计算起翘高度为Hi的翘飞椽的中间截面上的控制点Bi1、Bi2、Bi3、Bi4，Bi5，其中控制点空间坐标采用直角坐标x，y，z表示：Bi1＝Ai1；Bi2＝Ai2；Bi4点坐标为Ai4点的x，y坐标保持不变，z坐标加上Hi后得到；点Bi2、Bi3、Bi4、Bi5在以Bi2到Bi4的距离为直径的圆上，根据该圆的空间方程，点Bi3到点Bi4的距离等于点Bi2到点Bi5的距离，同时又等于已知控制点Ai3到点Ai4的距离L，通过以上条件获得点Bi3和点Bi5的空间坐标，至此，起翘高度为Hi的第i根翘飞椽的中间截面坐标参数完全确定。S6、采用如下方法，计算起翘后的第i根i＝1,2,3,……n翘飞椽头端面倾斜角度、背部折线方向向量、底部折线方向向量，尾部楞边方向向量。计算第i根i＝1,2,3,……n翘飞椽中间截面法向量ViN，根据控制点Bi3、点Bi4以及点Bi5，获得点Bi4指向点Bi5的方向向量Vi1以及点Bi3指向Bi4的方向向量Vi2，通过方向向量Vi1和Vi2的外积获得中间截面的法向量ViN，计算公式如下：ViN＝Vi1×Vi2方向向量Vi3代表翘飞椽头部上、下楞的方向向量，当i＝1时，V13等于第1根翘飞椽中间截面的法向量V1N；当i≠1时，计算第i-1根翘飞椽上的点Bi-14在经过第i根翘飞椽上的两个控制点Bi4到Bi5的直线上的投影P，获得控制点Bi-14指向点P的方向向量Vi3。通过方向向量Vi3和中间截面的法向量ViN的内积获得第i根i＝1,2,3,……n翘飞椽头端面倾斜角度，具体公式如下：当i＝1时，翘飞椽背部折线方向向量V1B、底部折线方向向量V1D与该中间截面法向量V1N满足如下关系：V1B＝V1D＝V1N当i≠1时，翘飞椽背部折线方向向量ViB为已知控制点Bi-15指向Bi5的方向向量，通过Bi-15和Bi5两点空间坐标计算而得，底部折线方向向量ViD与背部折线方向向量相等。当i＝1时，翘飞椽尾楞边方向向量V1W等于该翘飞椽中间截面法向量V1N；当i≠1时，翘飞椽尾部楞边的方向向量ViW为第i-1根翘飞椽尾部楞边中间坐标Bi-11指向第i根翘飞椽尾部楞边中间坐标Bi1的方向向量，通过Bi-11和Bi1两点空间坐标计算而得。S7、根据翘飞椽中间截面控制点坐标Bi1、Bi2、Bi3、Bi4，Bi5，椽头端面倾斜度αi、背部折线方向向量ViB、底部折线方向向量ViD、尾部楞边方向向量ViW以及翘飞椽厚度d，绘制起翘之后的翼角处翘飞椽，并输出包含所有翘飞椽中间截面控制参数、椽头端面倾斜角度、折边和楞边方向向量参数的三维图纸。作为优选的，如果需要对起翘高度进行修改重新进行设计，则将S3中的Hn进行重新输入，并依次进行S4、S5、S6和S7，直得到翘飞椽设计的完成。本发明与现有技术相比具有以下优点：1、本发明通过在设计步骤中加入了参数控制元素Hn，便于对古建筑翼角的翘飞椽设计方案进行反复修改和调整，以满足古建筑整体性和建筑群翼角起翘协调性的美观要求，相比传统匠人放线的方法更利于方案的设计，并能节省大量的时间成本。2、本发明保留了传统建筑翼角曲线的美学特征，具体为通过对翘飞椽起翘高度的修改，构造出不同的翼角艺术风格，或者平缓，或者陡峭，从而满足古建筑整体性和建筑群翼角起翘的协调性的美观要求，同时采用计算机技术，为翼角翘飞椽的设计提供了传统方法之外的一个新的设计方法，并节省古建筑翼角翘飞椽的设计时间，提高设计建模效率和精度；3、本发明采用计算机推算翘飞椽的外形尺寸等参数，避免了传统方法所构建的翘飞椽由于工人经验所造成的在计算机上装配过程中的尺寸误差和装配失败等情况，便于在方案的搭建，有利于设计方和甲方更顺利的沟通和方案的敲定。附图说明图1为本发明翘飞椽不起翘时，翼角翘飞椽的整体结构示意图；图2为本翘飞椽不起翘时，第i根翘飞椽中间截面控制点参数示意图；图3为本发明翘飞椽起翘时，翼角翘飞椽整体结构示意图；图4为本发明翘飞椽起翘时，第i根翘飞椽中间截面控制点参数示意图；图5为本发明翘飞椽在不起翘与起翘后，第i根翘飞椽的中间截面控制点参数相互对应关系示意图；图6为本发明翘飞椽起翘时，第i根翘飞椽头端面倾斜角度、各折边以及楞边方向向量计算示意图；图7为本发明翘飞椽起翘高度设置为较小值时古建筑翼角艺术风格；图8为本发明翘飞椽起翘高度设置为较大值时古建筑翼角艺术风格。具体实施方式下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。如图1-6所示，本发明提供一种技术方案：一种古建筑翘飞椽的参数化设计方法，包括以下步骤；S1、完成初始状态输入，该状态翘飞椽不起翘，即翘飞椽的背部不折弯时，古建筑翼角的翘飞椽的空间的分布状况，其中设定翘飞椽的根数为n，翘飞椽的厚度为d；S2、以古建筑翼角处不采用起翘时的翘飞椽中间截面上的控制点Ai1、Ai2、Ai3、Ai4的空间坐标作为控制点，其中，Ai1为翘飞椽不起翘时，翘飞椽尾愣边中间点坐标；Ai2为翘飞椽不起翘时，翘飞椽底部折边中间点坐标；Ai3为翘飞椽不起翘时，翘飞椽头部下楞中间点坐标；Ai4为翘飞椽不起翘时，翘飞椽头部上楞中间点坐标；这些控制点坐标参数属于已知数据，控制点空间坐标采用直角坐标x，y，z，其中i表示某一根翘飞椽，i＝1，2，3，…n；S3、输入S2中当i＝n时，即第n根翘飞椽的翘度Hn，为第n根翘飞椽不起翘时的An4点和采用起翘后Bn4点的竖直距离；S4、根据如下公式计算翼角处第i根翘飞椽采用起翘后的翘度Hi，S5、根据如下公式和方法，计算起翘高度为Hi的翘飞椽的中间截面上的控制点Bi1、Bi2、Bi3、Bi4，Bi5，其中，Bi1为翘飞椽起翘后，翘飞椽尾部愣边中间点坐标；Bi2为翘飞椽起翘后，翘飞椽底部折边中间点坐标；Bi3为翘飞椽起翘后，翘飞椽头部下楞中间点坐标；Bi4为翘飞椽起翘后，翘飞椽头部上楞中间点坐标；Bi5为翘飞椽起翘后，翘飞椽顶部折边中间点坐标；其中控制点空间坐标采用直角坐标x，y，z表示：Bi1＝Ai1；Bi2＝Ai2；Bi4点坐标为Ai4点的x，y坐标保持不变，z坐标加上Hi后得到；点Bi2、Bi3、Bi4、Bi5在以Bi2到Bi4的距离为直径的圆上，根据该圆的空间方程，点Bi3到点Bi4的距离等于点Bi2到点Bi5的距离，同时又等于已知控制点Ai3到点Ai4的距离L，通过以上条件获得点Bi3和点Bi5的空间坐标，至此，起翘高度为Hi的第i根翘飞椽的中间截面坐标参数完全确定。S6、采用如下方法，计算起翘后的第i根i＝1,2,3,……n翘飞椽头端面倾斜角度、背部折线方向向量、底部折线方向向量，尾部楞边方向向量。计算第i根i＝1,2,3,……n翘飞椽中间截面法向量ViN，根据控制点Bi3、点Bi4以及点Bi5，获得点Bi4指向点Bi5的方向向量Vi1以及点Bi3指向Bi4的方向向量Vi2，通过方向向量Vi1和Vi2的外积获得中间截面的法向量ViN，计算公式如下：ViN＝Vi1×Vi2方向向量Vi3代表翘飞椽头部上、下楞的方向向量，当i＝1时，V13等于第1根翘飞椽中间截面的法向量V1N；当i≠1时，计算第i-1根翘飞椽上的点Bi-14在经过第i根翘飞椽上的两个控制点Bi4到Bi5的直线上的投影P，获得控制点Bi-14指向点P的方向向量Vi3。通过方向向量Vi3和中间截面的法向量ViN的内积获得第i根i＝1,2,3,……n翘飞椽头端面倾斜角度，具体公式如下：当i＝1时，翘飞椽背部折线方向向量V1B、底部折线方向向量V1D与该中间截面法向量V1N满足如下关系：V1B＝V1D＝V1N当i≠1时，翘飞椽背部折线方向向量ViB为已知控制点Bi-15指向Bi5的方向向量，通过Bi-15和Bi5两点空间坐标计算而得，底部折线方向向量ViD与背部折线方向向量相等。当i＝1时，翘飞椽尾楞边方向向量V1W等于该翘飞椽中间截面法向量V1N；当i≠1时，翘飞椽尾部楞边的方向向量ViW为第i-1根翘飞椽尾部楞边中间坐标Bi-11指向第i根翘飞椽尾部楞边中间坐标Bi1的方向向量，通过Bi-11和Bi1两点空间坐标计算而得。S7、根据翘飞椽中间截面控制点坐标Bi1、Bi2、Bi3、Bi4，Bi5，椽头端面倾斜度αi、背部折线方向向量ViB、底部折线方向向量ViD、尾部楞边方向向量ViW以及翘飞椽厚度d，绘制起翘之后的翼角处翘飞椽，并输出包含所有翘飞椽中间截面控制参数、椽头端面倾斜角度、折边和楞边方向向量参数的三维图纸。如果需要对起翘高度进行修改重新进行设计，则将S3中的Hn进行重新输入，并依次进行S4、S5、S6和S7，直得到翘飞椽设计的完成，具体如图7的翘飞椽起翘高度设置为较小值时古建筑翼角艺术风格和图8的翘飞椽起翘高度设置为较大值时古建筑翼角艺术风格所示。本发明通过对多个参数控制，便于对古建筑翼角翘飞椽设计方案进行反复修改和调整，相比传统匠人放线的设计方法能够节省大量的时间成本，满足了古建筑整体性和建筑群翼角起翘协调性的美观要求，同时充分利用计算机的计算优势，避免了传统方法由于匠人经验放线所造成的在计算机上装配过程中的尺寸误差和装配失败，便于方案三维图纸的搭建，有利于设计方和甲方更顺利的沟通和方案的敲定。需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

权利要求：1.一种古建筑翘飞椽的参数化设计方法，其特征在于：包括以下步骤，S1、完成初始状态输入，该状态翘飞椽不起翘，即翘飞椽的背部不折弯时，古建筑翼角的翘飞椽的空间的分布状况，其中设定翘飞椽的根数为n，翘飞椽的厚度为d；S2、以古建筑翼角处不采用起翘时的翘飞椽中间截面上的控制点Ai1、Ai2、Ai3、Ai4的空间坐标作为控制点，这些控制点坐标参数属于已知数据，控制点空间坐标采用直角坐标x，y，z，其中i表示某一根翘飞椽，i＝1，2，3，…n；S3、输入S2中当i＝n时，即第n根翘飞椽的翘度Hn，为第n根翘飞椽不起翘时的An4点和采用起翘后Bn4点的竖直距离；S4、根据如下公式计算翼角处第i根翘飞椽采用起翘后的翘度Hi，S5、根据如下公式和方法，计算起翘高度为Hi的翘飞椽的中间截面上的控制点Bi1、Bi2、Bi3、Bi4，Bi5，其中控制点空间坐标采用直角坐标x，y，z表示：Bi1＝Ai1；Bi2＝Ai2；Bi4点坐标为Ai4点的x，y坐标保持不变，z坐标加上Hi后得到；点Bi2、Bi3、Bi4、Bi5在以Bi2到Bi4的距离为直径的圆上，根据该圆的空间方程，点Bi3到点Bi4的距离等于点Bi2到点Bi5的距离，同时又等于已知控制点Ai3到点Ai4的距离L，通过以上条件获得点Bi3和点Bi5的空间坐标，至此，起翘高度为Hi的第i根翘飞椽的中间截面坐标参数完全确定。S6、采用如下方法，计算起翘后的第i根i＝1,2,3,……n翘飞椽头端面倾斜角度、背部折线方向向量、底部折线方向向量，尾部楞边方向向量。计算第i根i＝1,2,3,……n翘飞椽中间截面法向量ViN，根据控制点Bi3、点Bi4以及点Bi5，获得点Bi4指向点Bi5的方向向量Vi1以及点Bi3指向Bi4的方向向量Vi2，通过方向向量Vi1和Vi2的外积获得中间截面的法向量ViN，计算公式如下：ViN＝Vi1×Vi2方向向量Vi3代表翘飞椽头部上、下楞的方向向量，当i＝1时，V13等于第1根翘飞椽中间截面的法向量V1N；当i≠1时，计算第i-1根翘飞椽上的点Bi-14在经过第i根翘飞椽上的两个控制点Bi4到Bi5的直线上的投影P，获得控制点Bi-14指向点P的方向向量Vi3。通过方向向量Vi3和中间截面的法向量ViN的内积获得第i根i＝1,2,3,……n翘飞椽头端面倾斜角度，具体公式如下：当i＝1时，翘飞椽背部折线方向向量V1B、底部折线方向向量V1D与该中间截面法向量V1N满足如下关系：V1B＝V1D＝V1N当i≠1时，翘飞椽背部折线方向向量ViB为已知控制点Bi-15指向Bi5的方向向量，通过Bi-15和Bi5两点空间坐标计算而得，底部折线方向向量ViD与背部折线方向向量相等。当i＝1时，翘飞椽尾楞边方向向量V1W等于该翘飞椽中间截面法向量V1N；当i≠1时，翘飞椽尾部楞边的方向向量ViW为第i-1根翘飞椽尾部楞边中间坐标Bi-11指向第i根翘飞椽尾部楞边中间坐标Bi1的方向向量，通过Bi-11和Bi1两点空间坐标计算而得。S7、根据翘飞椽中间截面控制点坐标Bi1、Bi2、Bi3、Bi4，Bi5，椽头端面倾斜度αi、背部折线方向向量ViB、底部折线方向向量ViD、尾部楞边方向向量ViW以及翘飞椽厚度d，绘制起翘之后的翼角处翘飞椽，并输出包含所有翘飞椽中间截面控制参数、椽头端面倾斜角度、折边和楞边方向向量参数的三维图纸。

百度查询： 西安财经大学 一种古建筑翘飞椽的参数化设计方法

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