犀牛軟件在曲面金屬幕墻鈑金生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

薛亞平，陳志偉

(1．江蘇理工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213001)

(2．常州工學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213002)

在當(dāng)代，設(shè)計(jì)師越來越多地將規(guī)則曲面、不規(guī)則曲面等有機(jī)形態(tài)曲面運(yùn)用到建筑設(shè)計(jì)中，為建筑設(shè)計(jì)帶來了新的思想和更多的可能性。金屬幕墻作為一種裝飾材料被廣泛運(yùn)用于建筑內(nèi)外墻的裝飾上，其由優(yōu)質(zhì)鋁板經(jīng)鈑金成型后裝配而成。隨著有機(jī)建筑的增多，對(duì)各種曲面的金屬幕墻的需求也越來越多。在各種建筑的金屬幕墻制作施工中，首先要將建筑的大型曲面造型分割成小塊的、適合批量生產(chǎn)的、工藝簡(jiǎn)單的、材料節(jié)省的曲面，然后通過鈑金展開成平面尺寸的圖紙進(jìn)行線切割下料及生產(chǎn)。雖然目前在市場(chǎng)上有各種鈑金展開軟件，但在實(shí)際進(jìn)行大型曲面幕墻生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)，存在著曲面分割不方便、鈑金展開誤差大、鈑金展開后無法識(shí)別裝配邊等問題。經(jīng)過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，犀牛軟件在曲面幕墻鈑金生產(chǎn)中具有較大的優(yōu)勢(shì)，如：強(qiáng)大的曲面建模功能，能方便地分割曲面，能在鈑金展開后誤差較小或者無誤差，能很好地標(biāo)注小塊曲面的各條展開邊，能很好地與其他工程軟件相兼容等。

1 犀牛軟件簡(jiǎn)介

犀牛軟件(Rhinoceros)是由美國(guó)Robert Mc-Neel公司在1998年推出的一款基于NURBS(Non-Uniform Rational B-Spline)非均勻有理B樣條曲線的三維建模軟件［1］。犀牛軟件是目前世界上最為先進(jìn)的專業(yè)三維曲面建模軟件之一，100多兆的安裝程序和較低的硬件配置要求，使它與其他高價(jià)3D軟件相比毫不遜色，而其簡(jiǎn)潔的操作界面、強(qiáng)大而流暢的曲面建模功能使它受到很多設(shè)計(jì)師的青睞。

犀牛軟件一開始是應(yīng)用在工業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)，擅長(zhǎng)于產(chǎn)品外觀造型建模。隨著程序相關(guān)插件的開發(fā)，其應(yīng)用范圍越來越廣。近些年犀牛軟件開始應(yīng)用于建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域，Rhino配合grasshopper參數(shù)化建模插件，可以快速地構(gòu)建各種曲面優(yōu)美的建筑造型，其簡(jiǎn)單的操作方法、可視化的操作界面深受廣大設(shè)計(jì)師的歡迎。另外在珠寶設(shè)計(jì)、箱包設(shè)計(jì)、家具設(shè)計(jì)和鞋模設(shè)計(jì)等行業(yè)也有廣泛的應(yīng)用。在實(shí)際使用過程中，同樣發(fā)現(xiàn)了犀牛軟件在曲面幕墻鈑金生產(chǎn)中的優(yōu)勢(shì)。

2 軟件界面

圖1 犀牛軟件工作視窗

犀牛軟件工作界面簡(jiǎn)潔(如圖1所示)，包括：菜單列(執(zhí)行指令、設(shè)置選項(xiàng)和打開說明文件)、指令區(qū)(列出提示、輸入的指令和顯示指令產(chǎn)生的信息)、工具列(含標(biāo)準(zhǔn)工具列、主要工具列1、主要工具列2)、指令提示區(qū)、工作視窗(可以從不同視角顯示模型，4個(gè)預(yù)設(shè)工作視窗分別為俯視圖、主視圖、右視圖和透視圖，可通過點(diǎn)擊工作視窗標(biāo)題進(jìn)行相關(guān)設(shè)置)、狀態(tài)列(顯示點(diǎn)的坐標(biāo)、模型的狀態(tài)、選項(xiàng)和切換按鈕)［2］。

3 軟件在曲面金屬幕墻鈑金生產(chǎn)中的主要功能

3.1 強(qiáng)大的曲面建模功能

在犀牛軟件里，曲面就像一張有彈性的布，可以變化成不同的形狀。曲面是由一些曲線圍繞而成，這些曲線稱為邊緣。在犀牛軟件中有很多種生成曲面的工具(如圖2、圖3所示)，主要有：(1)在指定的3或4個(gè)角之間的區(qū)域建立曲面。(2)以現(xiàn)有的2條、3條或4條曲線當(dāng)作邊緣建立曲面。(3)以封閉的平面曲線建立曲面。(4)以一條曲線繞著旋轉(zhuǎn)軸建立曲面。(5)以一些斷面曲線建立曲面。(6)沿著一條路徑曲線通過數(shù)條斷面曲線建立曲面，路徑曲線是建立的曲面的一側(cè)邊緣。(7)沿著兩條路徑曲線通過數(shù)條斷面曲線建立曲面，路徑曲線是建立的曲面的兩側(cè)邊緣。(8)在兩個(gè)曲面之間建立圓角曲面。(9)在兩個(gè)曲面之間建立混接曲面。(10)以一條輪廓曲線沿著一條路徑曲線旋轉(zhuǎn)建立曲面，這個(gè)指令適用于建立形狀不規(guī)則而且加蓋的曲面。(11)以工作平面Z軸的方向或指定的方向擠出曲線成為曲面。(12)以一條曲線沿著另一條曲線擠出建立曲面。(13)將曲線擠出至一點(diǎn)建立曲面。

圖2 曲面命令

圖3 曲面工具

如圖4所示的某曲面建筑的幕墻可以通過圖5所示的一條輪廓曲線L1沿著一條路徑曲線L2圍繞旋轉(zhuǎn)軸L3旋轉(zhuǎn)建立而成。

3.2 方便的曲面分割功能

在犀牛軟件中，分割曲面主要的方法是運(yùn)用線條如刀一般分割曲面。

圖4 某曲面建筑的幕墻

圖5 旋轉(zhuǎn)生成曲面

在金屬幕墻的分割中要對(duì)曲面進(jìn)行歸納，尋找到曲面的規(guī)律，從而盡可能地減少鈑金展開的工作量。一般主要通過等分的直線進(jìn)行分割。對(duì)于圖4的曲面幕墻，經(jīng)過分析，其主要曲面特征為橢圓形，因此在曲面分割時(shí)只要通過橢圓的長(zhǎng)短軸將其劃分，取出1/4進(jìn)行曲面分割即可(如圖6所示)。

圖6 分割曲面建筑

接下來對(duì)提取出的1/4曲面進(jìn)行縱向和橫向的網(wǎng)格狀分割。首先將1/4曲面沿著曲率轉(zhuǎn)折處分成兩個(gè)曲面(如圖7所示)。以下半段曲面為例，按照曲面的高度11m，在主視圖繪制如圖8所示的10根等距直線來橫向分割曲面，將其分割成每段1m;然后在俯視圖中通過環(huán)形陣列產(chǎn)生如圖9所示的等角度直線，對(duì)曲面進(jìn)行縱向分割(如圖10所示)。

3.3 準(zhǔn)確的鈑金展開及標(biāo)注功能

圖7 1/4曲面

圖8 橫向分割曲面

圖9 縱向分割曲面

圖10 分割完成

在犀牛軟件中，有一個(gè)攤平曲面的功能，并且能標(biāo)注出展開后各條邊與原曲面各條邊的情況，圖11為展開一個(gè)圓錐形的曲面后產(chǎn)生的平面。該功能能高效地運(yùn)用于鈑金展開的相關(guān)工作，而且對(duì)于后期的鈑金生產(chǎn)、安裝非常有幫助。

圖11 圓錐形的鈑金展開

對(duì)于圖10所示的曲面幕墻，可以運(yùn)用該功能進(jìn)行鈑金展開。首先對(duì)圖10所示的分割完成的每一塊曲面進(jìn)行標(biāo)注命名，以方便以后的生產(chǎn)和安裝。縱向以字母A，B，C，…形式命名，橫向以數(shù)字1，2，3，…形式命名，從而每小塊曲面都有一個(gè)“縱向+橫向”形式的編號(hào)。如圖12所示，左下角第一塊的編號(hào)為A1，黑色曲面的編號(hào)則為F9。

圖12 小塊曲面編號(hào)

接下來按照 A1，A2，A3，…的順序，運(yùn)用攤平曲面功能可以很方便地對(duì)小塊曲面進(jìn)行鈑金展開。

圖13所示是編號(hào)為A2的曲面展開后所得的平面圖形，平面圖形所對(duì)應(yīng)曲面的每條邊緣都有相同的編碼標(biāo)注，在生產(chǎn)時(shí)能方便地識(shí)別出金屬板材的正反面，在安裝時(shí)能快速找到安裝位置。依次完成其他曲面的展開如圖14所示，由圖可見，A3的1號(hào)邊與A2的0號(hào)邊重合，A4的1號(hào)邊又和A3的0號(hào)邊重合，而且A3的3號(hào)邊與B3的3號(hào)邊重合，因此在裝配時(shí)按照?qǐng)D紙的標(biāo)識(shí)就能準(zhǔn)確地完成曲面幕墻的安裝工作。

圖13 A2曲面的展開

3.4 完善的文件轉(zhuǎn)換功能

犀牛軟件支持30余種輸入與輸出檔案格式，從常見的 NURBS格式的標(biāo)準(zhǔn) IGES曲面檔案、STEP實(shí)體檔案、ACIS檔案、PARASOLID檔案、OBJ檔案，到 POLYGON格式的3DS、LWO、STL檔案，AutoCAD標(biāo)準(zhǔn)的DWG與DXF文檔，以及點(diǎn)云資料、2D繪圖AI檔案等。其中IGES是工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)格式，應(yīng)用非常廣泛［3］，支持的軟件數(shù)目超過40種。使用者可以針對(duì)合作方軟件來選擇要輸出的檔案格式的類型。

圖1 4 依次展開曲面

在金屬幕墻的生產(chǎn)過程中，一般需要使用標(biāo)準(zhǔn)的圖紙輸入切割機(jī)器的控制系統(tǒng)進(jìn)行切割下料，而犀牛軟件可以通過復(fù)制邊框命令，對(duì)曲面鈑金展開后的平面直接形成外形矢量圖，然后通過導(dǎo)出選取物件命令，輸出DWG格式的標(biāo)準(zhǔn)圖紙(如圖15所示)。

圖15 曲面鈑金展開的平面外形圖

4 結(jié)束語(yǔ)

犀牛軟件在曲面金屬幕墻鈑金生產(chǎn)中的強(qiáng)大功能，為現(xiàn)代復(fù)雜曲面的金屬幕墻的制造與生產(chǎn)提供了一種快速、高效和準(zhǔn)確的鈑金展開的新思路和技術(shù)，為建筑設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的各種曲面造型建筑幕墻的實(shí)現(xiàn)提供了更多的可能。

［1］ 任璆，戈宏飛．三維建模Rhinoceros(犀牛)軟件在幕墻設(shè)計(jì)中的應(yīng)用［J］．機(jī)電工程技術(shù)，2012，41(7)：164-166．

［2］ 韓勇．犀牛之舞［M］．北京：人民郵電出版社，2001．

［3］ 鄭麗，王霄，高傳玉．產(chǎn)品開發(fā)中的CAID技術(shù)［J］．工程機(jī)械，2006(5)：7-10．