基于Grasshopper的參數(shù)化方法在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

(廣東博意建筑設(shè)計院有限公司北京分院，北京 100045)

引言

隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，越來越多的建筑師開始借助現(xiàn)代數(shù)字化設(shè)計工具構(gòu)建復(fù)雜幾何的建筑結(jié)構(gòu)形式。在工程設(shè)計領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)經(jīng)常被要求實現(xiàn)復(fù)雜的三維形體，或者根據(jù)不同參數(shù)對比建筑方案。相比于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，Rhino和Grasshopper所提供的參數(shù)化平臺可以大大地提高設(shè)計建模和分析的效率，正在成為結(jié)構(gòu)師和建筑師配合設(shè)計重要的工具。

本文通過介紹參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計方法的概念，分析參數(shù)化在超高層、大跨度和非線性曲面等復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用的案例，并舉例基于Grasshopper的結(jié)構(gòu)分析模型的建模步驟，為結(jié)構(gòu)工程師提供了新的思路來解決當(dāng)前和未來結(jié)構(gòu)設(shè)計中遇到的超常規(guī)問題。

1 參數(shù)化設(shè)計方法的概念和應(yīng)用

1.1 參數(shù)化設(shè)計的概念

在參數(shù)化設(shè)計(Parametric Design)過程中，通過控制變量和編程的算法，快速實現(xiàn)設(shè)計意圖，表達(dá)復(fù)雜的幾何形狀和結(jié)構(gòu)體系。在建筑方案的參數(shù)化設(shè)計中，通過參數(shù)化工具構(gòu)筑建筑構(gòu)件與參數(shù)之間的關(guān)系，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)體系用一定數(shù)量的變量定義，可以實現(xiàn)方案動態(tài)的可視化，快速可逆修改，方便進(jìn)行多方案對比。

參數(shù)化設(shè)計理念可以追溯到安東尼奧·高迪的設(shè)計，但直到上世紀(jì)九十年代中期，計算機(jī)技術(shù)水平實現(xiàn)編程與實體可以動態(tài)交互，參數(shù)化設(shè)計方法才真正成為建筑設(shè)計的工具，扎哈·哈迪德的設(shè)計大量應(yīng)用了參數(shù)化設(shè)計方法，例如：銀河SOHO、廣州大劇院、南京青奧中心，形成了超現(xiàn)實主義的建筑風(fēng)格，同時也給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。近幾年，國內(nèi)各高校建筑學(xué)院和建筑設(shè)計企業(yè)也不斷提高對參數(shù)化設(shè)計的重視。馬巖松夢露大廈通過參數(shù)化實現(xiàn)了曲線和建筑思想的結(jié)合，在國際建筑方案評比中脫穎而出。清華大學(xué)徐衛(wèi)國教授探索了參數(shù)化非線性建筑設(shè)計的方法和設(shè)計過程，提出了完整的過程邏輯和“找形”方法[1]。

1.2 參數(shù)化在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

1.2.1 超高層結(jié)構(gòu)方案性能分析

在超高層結(jié)構(gòu)概念設(shè)計階段，建筑師往往在設(shè)計初期僅能提供有限的設(shè)計條件，而該階段結(jié)構(gòu)體系的選擇卻至關(guān)重要，不僅影響結(jié)構(gòu)方案的可行性和施工難度，同時也對造價和工期有著至關(guān)重要的影響。能夠快速的給出定性、定量分析，對設(shè)計方案的選擇非常重要。

北京CBD Z15地塊中國尊在概念設(shè)計階段，Arup團(tuán)隊配合建筑師對結(jié)構(gòu)體型和分區(qū)進(jìn)行比選、柱線找型、結(jié)構(gòu)體系研究。設(shè)計修改難度完全顛覆傳統(tǒng)設(shè)計模式，只有通過參數(shù)化方法來實現(xiàn)快速建模和分析，才可以在有限時間內(nèi)提出合理的結(jié)構(gòu)和建筑方案。

圖1 塔樓結(jié)構(gòu)體系演變

當(dāng)前超高層結(jié)構(gòu)大部分采用框架核心筒結(jié)構(gòu)體系，豎向構(gòu)件尺寸往往受整體剛度控制，而腰桁架、伸臂桁架作為提高結(jié)構(gòu)整體剛度的構(gòu)件，設(shè)置的數(shù)量和位置對結(jié)構(gòu)影響很大，參數(shù)化方法在超高層桁架方案對比中應(yīng)用廣泛，只需要將桁架設(shè)置樓層定義為一個變量，就可以快速輸出一系列結(jié)構(gòu)分析模型，進(jìn)行定量運算得出最優(yōu)方案。

1.2.2 大跨空間結(jié)構(gòu)解決方案

大跨結(jié)構(gòu)包括機(jī)場、體育場、天窗等設(shè)計越來越呈現(xiàn)出網(wǎng)格復(fù)雜、設(shè)計難度大的趨勢，結(jié)構(gòu)和建筑專業(yè)的需要更緊密的配合。在深圳機(jī)場的設(shè)計中，建筑師利用Rhino和Grasshopper根據(jù)概念草圖和北京院提出的機(jī)場功能性需求建模，結(jié)構(gòu)工程師得到模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)化處理，反饋結(jié)構(gòu)設(shè)計需求，這樣建筑和結(jié)構(gòu)專業(yè)不斷配合深化設(shè)計，最終形成符合建筑、結(jié)構(gòu)、幕墻各方需求的基礎(chǔ)模型。

圖2 深圳機(jī)場網(wǎng)殼

在杭州奧體博覽城主體體育場的設(shè)計中，美國NBBJ建筑設(shè)計公司與CCDI悉地國際合作，將參數(shù)化設(shè)計方法應(yīng)用到從概念設(shè)計到施工圖設(shè)計的全過程中，建筑師在設(shè)計初期使用Grasshopper生成方案模型，體育場的結(jié)構(gòu)單元種類、數(shù)量、曲率等都設(shè)為可調(diào)節(jié)的參數(shù)，滿足建筑需求，在與結(jié)構(gòu)工程師配合時，可以隨時根據(jù)結(jié)構(gòu)受力合理性要求，對跨度、桿件間距、數(shù)量進(jìn)行調(diào)整，整個過程動態(tài)、可逆，大大提高了效率。

1.2.3 非線性外殼設(shè)計

“找形”概念的提出，對結(jié)構(gòu)工程師提出了更大的挑戰(zhàn)，在方案前期階段，建筑師根據(jù)設(shè)計理念，提出曲率變化的外皮，使得結(jié)構(gòu)必須根據(jù)模糊的外皮給出合理化意見。在北京院設(shè)計鳳凰國際傳媒中心結(jié)構(gòu)時，需要控制支撐外皮結(jié)構(gòu)桿件的最長單元長度和曲率，通過參數(shù)化方法控制非線性網(wǎng)格劃分，最終得出滿足結(jié)構(gòu)和建筑要求的合理幾何方案。之后模型導(dǎo)進(jìn)Digital Project軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)深化設(shè)計。

圖3 鳳凰國際傳媒中心外殼控制線

Zaha設(shè)計的銀河Soho和望京Soho則體現(xiàn)了“切片”式擬合曲面的應(yīng)用，根據(jù)建筑外形要求，結(jié)構(gòu)外框梁構(gòu)件種類繁多，需要合理歸并，豎向構(gòu)件需要設(shè)置大量斜柱，其角度和連接節(jié)點設(shè)計都需要參數(shù)化工具和BIM工具的配合應(yīng)用。

1.2.4 新概念建筑設(shè)計

參數(shù)化的逐漸普及給建筑師提供了更廣闊的想象空間，新概念的建筑設(shè)計也逐漸涌現(xiàn)出來，在英國The Architectural Association(AA school)建筑聯(lián)盟學(xué)院的設(shè)計作品中，我們可以看到未來建筑師的思維模式已經(jīng)突破了傳統(tǒng)空間想象能力，向著更廣闊的維度延展，結(jié)構(gòu)設(shè)計需要為這些方案的安全性和可行性提供保障，配合復(fù)雜外形建筑方案的可行性研究將會是未來結(jié)構(gòu)工程師工作的重要組成部分。

圖4 英國AA建筑聯(lián)盟學(xué)院設(shè)計作品

2 基于Grasshopper參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模方法

2.1 Grasshopper簡介

Grasshopper是Rhino軟件的程序算法生產(chǎn)模型的插件，是當(dāng)前最主流的參數(shù)化建模工具。相對于傳統(tǒng)的設(shè)計建模，基于Grasshopper的設(shè)計特點包括：

(1)可編譯性

程序由一系列復(fù)雜的邏輯模塊組成，“電池塊”的概念被引入編程，工程師可以通過編寫邏輯算法，將現(xiàn)有“電池塊”用邏輯相連，來實現(xiàn)幾何建模運算，當(dāng)設(shè)計需要修改時，只需要引入新的參數(shù)，就可以實現(xiàn)快速多方案對比建模，相比于傳統(tǒng)建模方法，其最大的特點就是編譯方便，不懼怕任何顛覆性修改，大大提高了設(shè)計效率；

(2)可視性

計算機(jī)根據(jù)指定算法可以即時反饋生成幾何模型，可視化程度高，工程師可以根據(jù)模型結(jié)果隨時檢查程序，相對于Revit中的參數(shù)化插件dynamo來說，grasshopper的運行更流暢和人性化；

(3)可擴(kuò)展性

Grasshopper作為最成熟的參數(shù)化平臺，開發(fā)者在該平臺上對整個建筑設(shè)計周期中的諸多問題，都提供了相應(yīng)的解決方案，只需要簡單的擴(kuò)展程序，就可以實現(xiàn)更多的參數(shù)化功能，比如，Salamander和Geometry Gym解決了幾何模型到結(jié)構(gòu)模型的轉(zhuǎn)換問題，Geco為場地規(guī)劃設(shè)計提供了解決方案。

2.2 參數(shù)化建模難點及解決方案

參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本過程如圖1，就是將建筑方案通過Grasshopper參數(shù)化工具在Rhino中實現(xiàn)，再將幾何方案轉(zhuǎn)換為帶有結(jié)構(gòu)屬性的分析模型進(jìn)行分析，再反饋結(jié)果修改建筑方案，直到獲得建筑滿意、結(jié)構(gòu)可行的方案。從幾何模型到結(jié)構(gòu)模型的過程是結(jié)構(gòu)參數(shù)化設(shè)計的難點，有如下幾種解決方案。

圖5 參數(shù)化設(shè)計步驟

(1)ARUP方案

Salamander是ARUP開發(fā)的Rhino和Grasshopper插件，擴(kuò)展了其在結(jié)構(gòu)分析模型建模領(lǐng)域的應(yīng)用，可以將Grasshopper生成的幾何模型附加結(jié)構(gòu)屬性，并導(dǎo)入ARUP自主開發(fā)的數(shù)據(jù)交換平臺DesignLink，進(jìn)而轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)模型，在ETABS，SAP2000等結(jié)構(gòu)分析軟件中計算。北京CBD Z15地塊中國尊項目和天津117大廈等就是應(yīng)用該插件，實現(xiàn)了復(fù)雜超限超高層結(jié)構(gòu)設(shè)計[2]。

(2)同濟(jì)方案

同濟(jì)大學(xué)針對在方案階段對幾何模型定義截面、指定屬性的操作，在SAP2000軟件基礎(chǔ)上開發(fā)Structure Analysis Bridge轉(zhuǎn)換軟件，可以根據(jù)一定邏輯導(dǎo)入帶結(jié)構(gòu)屬性的模型，大大提高了建模效率[3]。

(3)Grasshopper二次開發(fā)插件

Geometry Gym系列插件是專為建筑設(shè)計者開發(fā)的轉(zhuǎn)換插件，不僅可以在Rhino中對幾何模型添加結(jié)構(gòu)屬性，還可以添加約束、荷載等結(jié)構(gòu)信息，導(dǎo)出Etabs，Sap2000，GSA模型，還可以擴(kuò)展BIM應(yīng)用，添加族屬性，導(dǎo)入Revit等BIM軟件。

(4)幾何信息直接導(dǎo)入

在不借助任何二次開發(fā)和插件的前提下，也可以直接“烘焙”(Bake)幾何信息，Rhino模型另存為.dwg或.dxf格式，再導(dǎo)入結(jié)構(gòu)計算軟件，對于截面較少、概念方案階段的結(jié)構(gòu)性能研究，有很強(qiáng)的適用性，避免了二次開發(fā)中遇到的很多軟件編程問題。在北京院某雙層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的研究中得到了應(yīng)用[4]。

3 基于Grasshopper結(jié)構(gòu)設(shè)計算例

假設(shè)建筑師擬在某30m*30m的范圍內(nèi)做如圖2所示曲面網(wǎng)架，需要結(jié)構(gòu)工程師布置一個合理的空間網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)架只有四角有支撐約束作用，網(wǎng)架高度和桿件數(shù)量不限。

圖7 初始方案參數(shù)化建模

圖6 設(shè)計算例條件

3.1 參數(shù)化建模

對傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計來說，這個問題解決起來很困難，需要切分曲面，找到控制點，再推算結(jié)構(gòu)單元的位置，經(jīng)過復(fù)雜的運算，得出空間幾何信息，再人工將點和線的信息逐個輸入到計算軟件中，繁瑣且不精確。通過Rhino結(jié)合Grasshopper來建模處理該問題，可以輕松的解決，主要建模思路如下：

首先選擇變量做為參數(shù)，在該算例中，選定網(wǎng)架曲面、桁架兩個方向跨數(shù)和桁架高度作為變量。其次，需要通過幾何邏輯來生成出結(jié)構(gòu)的線條，程序中內(nèi)置有用于編程的“電池塊”，可以對點、線、面、實體和網(wǎng)格進(jìn)行處理。最后當(dāng)結(jié)構(gòu)幾何基本滿足要求后，通過Bake將結(jié)果存入Rhino中，再導(dǎo)出.dxf程序。

Etabs、Sap2000等結(jié)構(gòu)計算軟件，可以導(dǎo)入.dxf格式文件，生產(chǎn)基本的結(jié)構(gòu)模型，完成建?；静襟E。

圖8 結(jié)構(gòu)計算模型

圖9 多方案參數(shù)化建模

3.2 結(jié)構(gòu)多方案比較分析

參數(shù)化的一個優(yōu)勢在于快速進(jìn)行結(jié)構(gòu)多方案生成和分析，在參數(shù)化基本程序的基礎(chǔ)上，只要調(diào)節(jié)變量，再做很小的改動，就可以衍生出無數(shù)新的方案。例如改變上述例子中的跨數(shù)和高度，可以產(chǎn)生兩個新的方案。并在結(jié)構(gòu)分析軟件中進(jìn)行快速計算對比分析。方便工程師在方案階段給出可靠的定量分析結(jié)果，保證方案的經(jīng)濟(jì)可行。

圖11 方案修改分析

圖10 多方案結(jié)構(gòu)分析

3.3 顛覆性方案修改

參數(shù)化的另一個優(yōu)勢在于應(yīng)對方案的顛覆性修改，只需要引入新的參數(shù)，或?qū)υ谐绦蜃鲂〉男薷木涂梢赃m用新的條件。例如，假設(shè)上述例子改變原有條件，將其中一個支點移動位置，只需要在初始條件中加入位置點的參數(shù)，就可以很快修改方案，并驗證該項修改帶來對結(jié)構(gòu)可行性的影響。這一點大大提升了設(shè)計效率，減少由于方案修改帶來的復(fù)工成本。

4 結(jié)論與建議

本文首先介紹了參數(shù)化設(shè)計方法在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用，結(jié)合實際案例對參數(shù)化在復(fù)雜結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用做了分析，然后提出了基于Grasshopper的參數(shù)化建模方法，并介紹了其在結(jié)構(gòu)設(shè)計中具體建模步驟和優(yōu)勢。初步結(jié)論與建議如下：

(1)參數(shù)化設(shè)計是未來復(fù)雜建筑和結(jié)構(gòu)設(shè)計的趨勢，Rhino+Grasshopper的參數(shù)化平臺憑借其可編譯性、可視性、可擴(kuò)展性成為應(yīng)用廣泛的參數(shù)化設(shè)計工具；

(2)參數(shù)化已經(jīng)在超高層、大跨度、非線性結(jié)構(gòu)找形和新概念建筑設(shè)計領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對類似復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計有參考價值；

(3)參數(shù)化結(jié)構(gòu)建模的難點在于幾何模型導(dǎo)入計算程序，文中介紹了4種解決方案，并通過算例總結(jié)了參數(shù)化建模的一般步驟，驗證了參數(shù)化在多方案比較和應(yīng)對顛覆性修改時的優(yōu)越性。

參考文獻(xiàn)

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