[摘要] 本文是一篇建筑文集，本文以建筑信息模型的理念为研究基础，在基于 N
本文是一篇建筑文集，本文以建筑信息模型的理念为研究基础，在基于 NURBS 三维设计软件 Rhino 中，结合结构设计规范及图集研究装配式混凝土建筑基本构架的内在逻辑，实现通过更改参数自动生成装配式建筑预制构件，将设计人员从庞杂的手工建模工作中解脱出来，提高设计效率。
第 1 章 绪论
1.1 研究背景
信息技术作为现代先进生产力的代表推动着全球性产业的变革，深刻地影响着经济结构与经济效率，信息技术的发展也成为了世界经济以及社会发展的趋势之一。建筑业作为国民经济的支柱产业，其传统建造模式存在能源消耗大，机械化程度低，劳动强度大，建造效率低等问题，美国有研究表明，建筑业的无效工作高达 57%，比制造业高出 31%[1]。近年来，在绿色、环保、可持续发展理念逐步发展的背景下，转变传统的建造方式，探索建筑产业化新路径势在必行。装配式混凝土建筑作为建筑产业化实现的有效途径之一，集成了标准化设计、工业化生产、机械化安装、信息化管理、一体化装修、智能化应用等优点[2]，得到国家和社会各界的高度重视。BIM 技术作为新型信息技术通过参数化实现建筑信息的存储和传递并引入到建筑行业，以全建筑信息为基础，为装配式混凝土建筑协同设计，辅助于全寿命周期提供技术支持。
装配式混凝土构件作为装配式混凝土研究核心，其贯穿于装配式混凝土建筑设计、建造、装配全过程，承载着建筑全生命周期的信息。借鉴了工业设计参数化思想对工业产品全生命周期的管理，将 BIM 参数化设计思想应用于对装配式混凝土建筑构件的深化设计，将装配式混凝土建筑构件模型化、对象化，如剪力墙，叠合板，阳台，梁，柱等建筑构件均可作为基本对象，特别是针对不同尺寸、不同规格的建筑构件且在实际生产中设计数量多、类型相似但是尺寸与规格还略有差别的建筑构件建立参数化建筑模型，能够提高装配式混凝土建筑从设计到生产的转化率[3]。
建立装配式混凝土构件库，是实现装配式混凝土构件参数化工作的重要内容。不同项目需要配置不同的装配式混凝土构件，为确保设计的构件能符合装配式混凝土设计规范、抗震规范、施工强制性条文等要求及满足加工、施工安装要求，提高装配式混凝土构件标准化，需要建立装配式混凝土构件库为装配式混凝土建筑构件深化设计制定统一标准、提供设计工具。
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1.2 研究目的及意义
1.2.1 研究目的
（1）在现有 NURBS 三维软件下开发一款可以自动生成装配式混凝土建筑构件的插件。
（2）开发的插件同时兼容 C# 和 VB.NET 两种语言，要能够扩展功能，有开放的API 可供使用者进行二次开发。
（3）建立装配式混凝土建筑构件库，同时使用者要能够自定义构件。
1.2.2 研究意义
（1）本课题以现有的 NURBS 三维设计软件 Rhino 为开发平台，在此平台上开发一套自动生成装配式混凝土建筑构件的插件。用户使用这套插件，无需进行繁重的建模工作，只需要在插件中选取相应的构件类型（如、楼板、墙板、楼梯等等），通过输入相应的参数，就能够获得直接用于工厂生产的三维模型，具有重要的实践意义。
（2） Rhino 广泛的应用于建筑设计、幕墙设计；Rhino 平台下的另一个插件Grasshopper 也同样在行业内广泛应用，Grasshopper 已经成为建筑参数化设计的一个主流软件；Rhino 相对于其他基于 NURBS 的设计软件（如 CATIA、DP、Alias 等）来说价格低廉；Rhino 的模型是轻量化模型，由曲线和曲面构成，不需要复杂的材质贴图，简单渲染即可真实展现混凝土构件和内部钢筋的三维效果图和不同角度的视图，生成三维模型和二维图纸计算量较小，占系统资源少，不需要较高的硬件配置，Rhino5.0以后的版本加强了参数化建模和平立剖视图投影的支持，能生成较复杂的曲面构件，相比其他软件更适合于构件钢筋尤其是节点钢筋的生成和展示[4]。因此在这样的一个平台上开发一套生成装配式建筑构件的插件，可以得到更为广泛的应用，便于生成的模型继续在 Rhino 中进行处理、出图、导入 Grasshopper 中参与参数化设计等，对于推动装配式混凝土建筑发展具有现实意义。
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第 2 章 NURBS 及 Rhino 软件二次开发
2.1 NURBS 简介
2.1.1 NURBS 基本内涵
NURBS 是 Non-Uniform Rational B-Splines（非均匀有理 B 样条）的缩写，具体来说，Non-Uniform（非均匀性）是指在创建曲线或曲面时，一个控制顶点的影响力的范围能够改变的。Rational（有理）是指每个 NURBS 曲线或曲面构成的物体都可以用数学表达式来定义。B-Splines（B 样条）是指用路线来构建一条曲线，在一个或更多的点之间以内插值来替换[28]。
NURBS 方法的研究与应用经历了很长的时间。上世纪 70 年代初，Riesenfeld 等人研究了非均匀 B 样条[29-31]；Versprille 完成了有关 B 样条的博士论文[32]。80 年代初，Boehm 提出了 B 样条曲线的节点插入算法[33]；Tiller 论述了有理 B 样条曲线曲面的具体应用[34]。随后，Piegl 等人系统地探索了有理 B 样条曲线曲面的构造和形状调整问题[35-37]，并系统地论述了 NURBS 方法[38]。
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2.2 Rhino 软件简介
Rhino 是由美国 Robert McNeel 公司于 1998 年推出的基于 NURBS 三维建模软件，它广泛应用于三维动画制作、工业设计、艺术设计、建筑设计、珠宝设计等领域。Rhino 作为一个开放的设计平台，这个平台上出现了越来越多满足各行各业需求的插件，同样在建筑行业方面，也有大量的插件可以使用，这些插件覆盖了 BIM 、参数化设计、日照分析等。同时 Rhino 可以和现有的传统设计软件对接，可以导入和导出传统设计软件中制作好的图纸、模型、渲染材质、环境贴图等。近年来，随着 Rhino 平台中一款可视化脚本编程工具 Grasshopper 的出现， Rhino + Grasshopper 所组成的参数化设计平台，将“参数化”设计这个重要的设计方法在建筑行业做了更深层次的普及。
2.2.1Rhino 中的 NURBS
首先，Rhino 的 NURBS 核心是 openNURBS，它同样是由 Rhino 的开发公司Robert McNeel & Associates 开发并内置于 Rhino 。Open，指的是这个 NURBS 核心是开源的，但它又不同于大多数的开源软件，使用它没有任何约束，openNURBS 不受任何版权和公共版权的限制（该描述来自其官方网站 opennurbs.org）。开源软件常用的GPL 授权，其对开源软件是有版权约束的，GPL 授权在开源软件上二次开发出来的软件是不允许用于任何商业用途的，并且必须也要开源。比如着名的手机操作系统android，它虽然是开源的，但他受 apache 授权的约束，apache 软件基金会（简称ASF）受近期中美贸易战的影响，在其授权条款（www.apache.org/licenses/exports）中加入了以下内容“美国的出口法律和法规适用于我们的发行版，并且随着产品和技术再出口到不同的地方依旧保持有效。”意思是除非经美国政府正式授权，否则 ASF 软件或技术不得直接或间接出口或再出口到受美国禁运或贸易制裁的任何地方。这自然包括中国。openNURBS 与其他开源产品的开发平台不同之处在于：鼓励使用在商业用途、提供免费的开发工具与技术支持、无任何约束，不受版权与公共版权 copyleft 条款约束、鼓励但不强迫用户分享自己的研发成果。
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3.1 参数化设计的概念........................................16
3.2 Rhino 中的参数化设计............................16
3.3 参数化设计与建筑信息模型（Building Information Model, BIM）...............17
第 4 章 装配式混凝土建筑参数化构件生成插件设计模式研究及模块实现方法................22
4.1 装配式混凝土建筑参数化构件生成插件设计模式研究..........................22
4.1.1 设计模式的定义...................................22
4.1.2 设计模式的分类................................22
第 5 章 装配式混凝土预制构件的参数化生成设计...............................31
5.1 预制桁架钢筋混凝土叠合板的参数化生成设计.......................................31
5.1.1 预制桁架钢筋混凝土叠合板的固定参数.......................................31
5.1.2 预制桁架钢筋混凝土叠合板的可变参数.......................................31
第 5 章 装配式混凝土预制构件的参数化生成设计
5.1 预制桁架钢筋混凝土叠合板的参数化生成设计
5.1.1 预制桁架钢筋混凝土叠合板的固定参数
根据《国家建筑标准设计图集》，预制桁架钢筋混凝土叠合板的固定参数为[45]：
混凝土强度等级（固定可选项 C25、C30、C35、C40、C45、C50、C55、C60 可扩展自定义）；
环境类别（固定可选项：一类、二 a 类、二 b 类、三 a 类、三 b 类）；
抗震等级（固定可选项：一级、二级、三级、四级、非抗震）；
钢筋等级（固定可选项：HPB300、HRB335、HRBF335、HRB400、HRBF400、RRB400、HRB500、HRBF500 可扩展自定义）；
钢筋种类（固定可选项：光圆钢筋、梁上部纵筋、带肋钢筋）；
锚固条件（固定可选项：带肋钢筋的公称直径大于 25、环氧树脂图层带肋钢筋、施工过程中易受扰动的钢筋、锚固区保护层厚度 3d、5d、实际配筋面积大于设计计算面积）；
纵向钢筋搭接接头面积百分率（固定可选项：25%、50%、100%）。
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结论
装配式混凝土建筑在建筑行业追求节能环保绿色可持续发展的背景下，是建筑行业发展的必然趋势，同时经济社会的不断发展，人们对大跨度、异形曲面建筑的不断追求，对传统的建造模式造成不同程度的冲击，在传统的建筑设计领域，CAD 基于网格的二维制图模式制约着装配式混凝土的发展，随着信息技术的不断革新，基于NURBS 三维设计软件逐渐成为设计师工程师们的得力助手。本文以建筑信息模型的理念为研究基础，在基于 NURBS 三维设计软件 Rhino 中，结合结构设计规范及图集，得出以下结论：
（1）研究装配式混凝土建筑基本构架的内在逻辑，实现通过更改参数自动生成装配式建筑预制构件，将设计人员从庞杂的手工建模工作中解脱出来，提高设计效率。
（2）建立装配式混凝土建筑构件库，通过制定标准来保存预制构件参数的文件格式，当本课题所开发的软件读到这个格式的文件，就能够找到对应的生成逻辑，并依据该文件中所描述的参数将模型生成。
（3）通过程序编写，研发装配式混凝土建筑构件参数管理平台，实现装配式混凝土建筑构件的参数调用、信息承载以及模型生成。
（4）利用 API 技术实现扩展功能及进行二次开发，因 Rhino 是基于 NURBS 的三维设计软件，为设计师和工程师根据自己设计需求编制复杂曲面的预制参数化构件提供可能。
参考文献（略）
