基于Rhino可视化的异形建筑屋面排水坡度计算方法及装置与流程

本发明涉及建筑屋面设计领域，具体涉及一种基于rhino可视化的异形建筑屋面排水坡度计算方法及装置。

背景技术：

1、异形建筑屋面因其独特的曲面造型和富有张力的建筑语言，近年来在大型体育场馆、文化建筑、交通枢纽等公共建筑中得到了广泛应用。此类屋面通常采用铝镁锰合金板、蜂窝铝板等金属材料作为饰面层，具有重量轻、耐久性好、造型可塑性强的特点。然而，异形曲面屋面在实现建筑美学的同时，也给屋面排水设计带来了严峻挑战：如何在保证复杂曲面造型完整性的前提下，使屋面各区域排水坡度满足国家规范要求，成为建筑设计中的关键难题。

2、目前，异形建筑屋面排水坡度的设计主要存在以下几方面技术局限：

3、其一，传统二维cad设计方式难以适用于异形曲面屋面。现有技术中，屋面排水坡度设计多采用二维cad图纸结合离散剖面法进行核算，即选取若干典型剖面位置，在剖面上通过测量高差与水平距离之比来推算坡度值。对于造型规律、排水方向明确的传统屋面（如拱形屋面），该方法尚可满足基本设计需求，能够预先确定屋面的主排水方向并据此布置排水板。然而，对于造型复杂多变、曲率连续扭转的异形自由曲面屋面，排水方向在屋面上呈连续变化状态，不存在单一明确的主排水方向，无法预先确定排板布局。离散剖面法仅能选取有限点位进行核算，无法完整呈现曲面屋面全域连续的坡度变化规律，大量区域未经核算便投入施工，形成设计盲区，极易造成局部积水、坡度不满足《建筑与市政工程防水通用规范》（gb55030-2022）第4.2.1条规定的金属屋面排水坡度不应小于5%的强制性要求。

4、其二，现有参数化坡度分析方法依赖于预设的排水方向或排板方向。近年来，bim技术和参数化设计工具在建筑行业的应用日益广泛。例如，中国专利申请cn202410695664.8公开了一种曲面金属屋面有组织排水坡度的批量分析方法，该方法利用rhino和grasshopper平台，沿预先导入的金属板排布方向线生成排板线，在各排板线上等距采样点，通过计算相邻采样点之间的高度差与水平投影距离之比来推导各离散区段的坡度角，并结合机器学习算法自动训练坡度角阈值，筛选不满足要求的区段。该方法在一定程度上提升了坡度验算的自动化水平。然而，该方法的技术前提是金属板的排布方向线必须由设计人员预先确定并导入程序，其分析逻辑是“先有排板方向，再验算坡度”，本质上仍属于对已有排板方案的逆向验算工具。该技术路线对于拱形、筒壳等排水主方向明确、排板布局可事先确定的规律性曲面尚可适用，但对于造型复杂多变、排水方向随曲面曲率连续变化的异形自由曲面屋面，设计人员根本无法在分析之前预先确定合理的排水方向及排板布局“先排板再验算”的分析范式在此场景下失去技术前提，该方法无法适用。

5、其三，设计与施工衔接存在信息断层。即便是采用参数化手段进行坡度分析，现有技术多以提取不满足阈值要求的离散区段信息为主要输出结果，缺乏将坡度分析数据转化为指导施工落地的系统性数字化成果。二维图纸传递的坡度数据缺少空间可视化参照，施工人员难以直观理解复杂曲面上的坡度渐变规律和排水走向，易出现构件安装偏差。同时，设计变更后需重绘图纸、手动复算，响应速度慢，难以适应异形建筑高频设计迭代的实际需求。

6、其四，缺乏造型与功能的动态协同优化手段。当坡度分析发现不满足规范要求的区域时，现有技术只能被动标记问题区域，无法在可视化环境中对曲面进行动态微调并实时同步更新坡度分析结果。设计师若要在满足排水规范的前提下调整曲面形态，通常需要反复进行“修改模型→重新分析→再修改”的割裂式循环，效率低下且难以精准控制调整幅度，极易在优化排水功能的过程中破坏建筑师精心设计的异形曲面造型。

7、综上所述，针对异形自由曲面屋面排水方向事先无法确定的技术特点，亟需一种能够不依赖任何预设排板方向、完全由屋面曲面几何形态自主驱动、实现全域坡度连续计算、排水方向自动识别、可视化动态优化以及数字化成果交付的异形建筑屋面排水坡度计算方法，以兼顾建筑造型美学表达、国家规范合规性要求与施工落地可实施性。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种基于rhino可视化的异形建筑屋面排水坡度计算方法及装置，以至少解决目前现有计算方法难以适用于异形曲面屋面的问题。

2、为解决上述技术问题，第一方面，本发明提供一种基于rhino可视化的异形建筑屋面排水坡度计算方法，包括以下步骤：

3、创建三维模型：在rhino中导入项目cad底图与建筑方案模型，绘制建筑轮廓及空间控制线，根据实际标高生成异形屋面组合曲面，结合屋面材料规格（铝镁锰合金板、蜂窝铝板等）划分板材分缝线，完成屋面及配套支撑结构的三维建模；

4、搭建参数化分析电池组：在grasshopper中调用图形化编程运算器，组建树状数据运算结构；所述图形化编程运算器包括曲面导入运算器、网格采样运算器、坐标提取运算器、角度计算运算器、坡度换算运算器及排水线生成运算器；grasshopper中的图形化编程节点称为“运算器”或“电池”）；

5、全域坡度可视化核验：运行grasshopper脚本，生成各点位的排水方向矢量线，筛查出坡度不满足预设规范要求的预警区域；

6、局部坡度动态优化：针对预警区域微调曲面z向高程，grasshopper脚本通过参数化联动机制实时刷新坡度色彩及排水轨迹，并反复校核，直至所有区域坡度均满足预设规范要求；

7、数字化成果输出：提取所有采样点的坐标、高程、百分比坡度、排水方向矢量及落水口坐标信息，批量导出为结构化数据表格，并生成屋面高程平面图、屋面坡度与排水路径图。

8、进一步地，网格采样运算器用于对屋面曲面进行全域u/v方向网格等分采样，采样点覆盖整个屋面曲面，用于表征屋面曲面各区域的连续坡度变化规律。

9、进一步地，所述坐标提取运算器用于对网格采样生成的每一个采样点，调用deconstructpoint运算器拆解其三维空间坐标，分别输出x轴横坐标、y轴纵坐标及z轴高程值三组独立的树状数据分支。

10、进一步地，所述角度计算运算器用于调用surfacenormal运算器计算每个采样点处屋面曲面的单位法向量，再通过angle运算器求解该单位法向量与世界坐标系z轴单位竖直向量之间的夹角，输出弧度制的夹角数值；该夹角对应屋面切平面与水平面的二面角，即该采样点的法向坡度角原始值。

11、进一步地，所述坡度换算运算器中内置弧度-角度转换模块、百分比坡度换算模块及规范阈值判断模块；所述弧度-角度转换模块用于将弧度制的所述夹角数值以180/π换算为角度制坡度角；所述百分比坡度换算模块用于将所述角度制坡度角取正切值并乘以100%，得到工程通用的百分比坡度值；所述规范阈值判断模块用于将百分比坡度值与预设阈值进行比对，并标记低于阈值的采样点为预警点。

12、进一步地，所述坡排水线生成运算器用于将每个采样点的单位法向量向z=0水平面做投影，提取投影向量作为该点的排水方向矢量；以各采样点为起点，沿排水方向矢量生成定长的排水方向指示线，并通过流线追踪算法将连续区域的排水方向矢量串联为汇水流动轨迹线，以直观呈现雨水在屋面上的流动路径。

13、进一步地，预设规范要求具体为《建筑与市政工程防水通用规范》（gb55030-2022）规定的：金属屋面排水坡度不小于5%。

14、进一步地，微调曲面z向高程的调整范围为0.1~0.3m。

15、进一步地，结构化数据表格为excel格式；

16、屋面高程平面图通过civil3d软件将采样点云数据转换为带有等高线的标准高程平面图；

17、屋面坡度与排水路径图为将排水方向矢量线投影至水平面并绘制汇水流动轨迹流线的矢量化图纸。

18、第一方面，本发明提供一种基于rhino可视化的异形建筑屋面排水坡度计算装置，包括：处理器以及存储器；其中，存储器用于存储计算机执行指令，当该装置运行时，处理器执行存储器存储的计算机执行指令，以使装置执行上述第一方面提供的计算方法。

19、本发明的有益效果为：通过利用rhino三维可视化+参数化编程，可实现异形曲面屋面全域坡度自动计算、排水方向自主识别、可视化动态优化与多格式数字化成果交付的一体化闭环流程，克服异形屋面排水方向不明导致无法预先确定排板方向的行业难题，能够平衡建筑美学与排水功能，提升设计、交底、施工全流程效率；

20、通过采用屋面全区域连续坡度采样计算，规避了传统二维离散点位核算的盲区问题，坡度分析精度相较于传统剖面法得到有效提高，可比较精准定位积水隐患区域，保障金属屋面排水坡度满足规范强条要求，减少屋面腐蚀、积雪结冰、渗漏等问题。