犀牛软件在曲面金属幕墙钣金生产中的应用研究

2014-09-06薛亚平陈志伟

机械设计与制造工程 2014年4期

薛亚平，陈志伟

(1．江苏理工学院机械工程学院，江苏常州 213001)

(2．常州工学院机电工程学院，江苏常州 213002)

在当代，设计师越来越多地将规则曲面、不规则曲面等有机形态曲面运用到建筑设计中，为建筑设计带来了新的思想和更多的可能性。金属幕墙作为一种装饰材料被广泛运用于建筑内外墙的装饰上，其由优质铝板经钣金成型后装配而成。随着有机建筑的增多，对各种曲面的金属幕墙的需求也越来越多。在各种建筑的金属幕墙制作施工中，首先要将建筑的大型曲面造型分割成小块的、适合批量生产的、工艺简单的、材料节省的曲面，然后通过钣金展开成平面尺寸的图纸进行线切割下料及生产。虽然目前在市场上有各种钣金展开软件，但在实际进行大型曲面幕墙生产过程中发现，存在着曲面分割不方便、钣金展开误差大、钣金展开后无法识别装配边等问题。经过实践发现，犀牛软件在曲面幕墙钣金生产中具有较大的优势，如：强大的曲面建模功能，能方便地分割曲面，能在钣金展开后误差较小或者无误差，能很好地标注小块曲面的各条展开边，能很好地与其他工程软件相兼容等。

1 犀牛软件简介

犀牛软件(Rhinoceros)是由美国Robert Mc-Neel公司在1998年推出的一款基于NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)非均匀有理B样条曲线的三维建模软件［1］。犀牛软件是目前世界上最为先进的专业三维曲面建模软件之一，100多兆的安装程序和较低的硬件配置要求，使它与其他高价3D软件相比毫不逊色，而其简洁的操作界面、强大而流畅的曲面建模功能使它受到很多设计师的青睐。

犀牛软件一开始是应用在工业设计专业，擅长于产品外观造型建模。随着程序相关插件的开发，其应用范围越来越广。近些年犀牛软件开始应用于建筑设计领域，Rhino配合grasshopper参数化建模插件，可以快速地构建各种曲面优美的建筑造型，其简单的操作方法、可视化的操作界面深受广大设计师的欢迎。另外在珠宝设计、箱包设计、家具设计和鞋模设计等行业也有广泛的应用。在实际使用过程中，同样发现了犀牛软件在曲面幕墙钣金生产中的优势。

2 软件界面

图1 犀牛软件工作视窗

犀牛软件工作界面简洁(如图1所示)，包括：菜单列(执行指令、设置选项和打开说明文件)、指令区(列出提示、输入的指令和显示指令产生的信息)、工具列(含标准工具列、主要工具列1、主要工具列2)、指令提示区、工作视窗(可以从不同视角显示模型，4个预设工作视窗分别为俯视图、主视图、右视图和透视图，可通过点击工作视窗标题进行相关设置)、状态列(显示点的坐标、模型的状态、选项和切换按钮)［2］。

3 软件在曲面金属幕墙钣金生产中的主要功能

3.1 强大的曲面建模功能

在犀牛软件里，曲面就像一张有弹性的布，可以变化成不同的形状。曲面是由一些曲线围绕而成，这些曲线称为边缘。在犀牛软件中有很多种生成曲面的工具(如图2、图3所示)，主要有：(1)在指定的3或4个角之间的区域建立曲面。(2)以现有的2条、3条或4条曲线当作边缘建立曲面。(3)以封闭的平面曲线建立曲面。(4)以一条曲线绕着旋转轴建立曲面。(5)以一些断面曲线建立曲面。(6)沿着一条路径曲线通过数条断面曲线建立曲面，路径曲线是建立的曲面的一侧边缘。(7)沿着两条路径曲线通过数条断面曲线建立曲面，路径曲线是建立的曲面的两侧边缘。(8)在两个曲面之间建立圆角曲面。(9)在两个曲面之间建立混接曲面。(10)以一条轮廓曲线沿着一条路径曲线旋转建立曲面，这个指令适用于建立形状不规则而且加盖的曲面。(11)以工作平面Z轴的方向或指定的方向挤出曲线成为曲面。(12)以一条曲线沿着另一条曲线挤出建立曲面。(13)将曲线挤出至一点建立曲面。

图2 曲面命令

图3 曲面工具

如图4所示的某曲面建筑的幕墙可以通过图5所示的一条轮廓曲线L1沿着一条路径曲线L2围绕旋转轴L3旋转建立而成。

3.2 方便的曲面分割功能

在犀牛软件中，分割曲面主要的方法是运用线条如刀一般分割曲面。

图4 某曲面建筑的幕墙

图5 旋转生成曲面

在金属幕墙的分割中要对曲面进行归纳，寻找到曲面的规律，从而尽可能地减少钣金展开的工作量。一般主要通过等分的直线进行分割。对于图4的曲面幕墙，经过分析，其主要曲面特征为椭圆形，因此在曲面分割时只要通过椭圆的长短轴将其划分，取出1/4进行曲面分割即可(如图6所示)。

图6 分割曲面建筑

接下来对提取出的1/4曲面进行纵向和横向的网格状分割。首先将1/4曲面沿着曲率转折处分成两个曲面(如图7所示)。以下半段曲面为例，按照曲面的高度11m，在主视图绘制如图8所示的10根等距直线来横向分割曲面，将其分割成每段1m;然后在俯视图中通过环形阵列产生如图9所示的等角度直线，对曲面进行纵向分割(如图10所示)。

3.3 准确的钣金展开及标注功能

图7 1/4曲面

图8 横向分割曲面

图9 纵向分割曲面

图10 分割完成

在犀牛软件中，有一个摊平曲面的功能，并且能标注出展开后各条边与原曲面各条边的情况，图11为展开一个圆锥形的曲面后产生的平面。该功能能高效地运用于钣金展开的相关工作，而且对于后期的钣金生产、安装非常有帮助。

图11 圆锥形的钣金展开

对于图10所示的曲面幕墙，可以运用该功能进行钣金展开。首先对图10所示的分割完成的每一块曲面进行标注命名，以方便以后的生产和安装。纵向以字母A，B，C，…形式命名，横向以数字1，2，3，…形式命名，从而每小块曲面都有一个“纵向+横向”形式的编号。如图12所示，左下角第一块的编号为A1，黑色曲面的编号则为F9。

图12 小块曲面编号

接下来按照 A1，A2，A3，…的顺序，运用摊平曲面功能可以很方便地对小块曲面进行钣金展开。

图13所示是编号为A2的曲面展开后所得的平面图形，平面图形所对应曲面的每条边缘都有相同的编码标注，在生产时能方便地识别出金属板材的正反面，在安装时能快速找到安装位置。依次完成其他曲面的展开如图14所示，由图可见，A3的1号边与A2的0号边重合，A4的1号边又和A3的0号边重合，而且A3的3号边与B3的3号边重合，因此在装配时按照图纸的标识就能准确地完成曲面幕墙的安装工作。

图13 A2曲面的展开

3.4 完善的文件转换功能

犀牛软件支持30余种输入与输出档案格式，从常见的 NURBS格式的标准 IGES曲面档案、STEP实体档案、ACIS档案、PARASOLID档案、OBJ档案，到 POLYGON格式的3DS、LWO、STL档案，AutoCAD标准的DWG与DXF文档，以及点云资料、2D绘图AI档案等。其中IGES是工业标准格式，应用非常广泛［3］，支持的软件数目超过40种。使用者可以针对合作方软件来选择要输出的档案格式的类型。