基于Grasshopper的幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)研究

周 興

中建不二幕墻裝飾有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410007

隨著社會(huì)的發(fā)展，建筑材料和營(yíng)造技術(shù)取得了極大的進(jìn)步，使得人們對(duì)建筑的需求從原始的功能需求過(guò)渡到審美需求上。審美需求極大地激發(fā)了建筑師的設(shè)計(jì)靈感，使得當(dāng)前城市涌現(xiàn)出許多有別于傳統(tǒng)建筑形式的異形建筑，其復(fù)雜的建筑造型在給我們帶來(lái)美的享受的同時(shí)，也給幕墻行業(yè)帶來(lái)了新的設(shè)計(jì)思潮和技術(shù)革新，相關(guān)的生產(chǎn)方式和生產(chǎn)工具也有了極大的更新[1-5]。參數(shù)化設(shè)計(jì)便是其中之一。

本文探討的參數(shù)化設(shè)計(jì)是基于Grasshopper（簡(jiǎn)稱GH）平臺(tái)上的幕墻設(shè)計(jì)應(yīng)用，旨在為幕墻設(shè)計(jì)提出一種能兼顧建筑找型和機(jī)械制造的參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。

1 Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)原理

1.1 工作原理

Grasshopper是基于Rhino（犀牛）軟件的一款參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件。通過(guò)Rhino軟件將建筑形體轉(zhuǎn)化為Nurbs（非均勻有理B樣條）曲面或者是Mesh（網(wǎng)格）三維模型，然后通過(guò)GH獲取建筑造型的相關(guān)控制參數(shù)，將所有建筑信息具象分解為點(diǎn)線面等數(shù)學(xué)對(duì)象，如風(fēng)荷載可以轉(zhuǎn)化為帶方向的矢量等。通過(guò)提取相關(guān)對(duì)象的數(shù)學(xué)屬性，根據(jù)一定的構(gòu)造邏輯，串聯(lián)起GH平臺(tái)封裝完的代碼模塊（即小電池），進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)。例如，可以獲取幕墻面與水平面的夾角，來(lái)驅(qū)動(dòng)幕墻龍骨的角度。

還可以通過(guò)改變?cè)搭^數(shù)據(jù)，調(diào)整相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)快速批量處理建模工作。對(duì)于幕墻行業(yè)的高精度加工方面，可以導(dǎo)出.STEP格式（工業(yè)產(chǎn)品交互標(biāo)準(zhǔn)），對(duì)接CNC加工中心，實(shí)現(xiàn)高精度無(wú)紙化加工。

參數(shù)化設(shè)計(jì)可以將所有的設(shè)計(jì)過(guò)程保留下來(lái)，過(guò)程中所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，可作為其他相關(guān)工作的依據(jù)，為過(guò)程中的外部數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出、方案變更以及工作協(xié)調(diào)提供合理的接口。

1.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)步驟

Grasshopper參數(shù)化設(shè)計(jì)在幕墻上的運(yùn)用主要分為建筑找型和高精度加工這2個(gè)方面。綜合可分以下5步：

1）數(shù)據(jù)分析：獲取建筑外表皮上的相關(guān)控制參數(shù)，如傾角、夾角、坐標(biāo)點(diǎn)等。分析這些數(shù)據(jù)，確定驅(qū)動(dòng)參量，然后根據(jù)幕墻施工圖，確定相關(guān)做法。

2）模圖處理：根據(jù)步驟1確定相關(guān)方案并整理模圖，建立相關(guān)圖層管理體系，簡(jiǎn)化無(wú)用的截面特征。

3）面板屬性處理：根據(jù)步驟1中獲取的基本數(shù)據(jù)，以主龍骨為主要定位對(duì)象，確定相關(guān)構(gòu)件定位坐標(biāo)系，確定基礎(chǔ)加工特征，如孔位等，并以用戶字典的形式存儲(chǔ)到相應(yīng)的面板中，以備后期調(diào)用。

4）龍骨放樣：調(diào)用面板中存儲(chǔ)的定位坐標(biāo)系，根據(jù)圖紙，將相應(yīng)龍骨截面定位到空間位置上，然后通過(guò)擠出功能即可得到龍骨的實(shí)體模型。相應(yīng)的實(shí)體構(gòu)件，由程序自動(dòng)生成唯一編碼，編碼應(yīng)包含龍骨型號(hào)、面板編號(hào)、自身流水號(hào)等。

5）模型使用：可以利用模型輔助測(cè)量放線，批量導(dǎo)出構(gòu)件加工圖以及幕墻裝配明細(xì)，對(duì)接CNC數(shù)據(jù)中心，利用Naviswork軟件進(jìn)行多專業(yè)交互等（圖1）。

圖1 幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)流程

2 項(xiàng)目實(shí)例

根據(jù)以上介紹的原理和步驟，下面將對(duì)多角度組合體實(shí)例項(xiàng)目的參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究和探討。

2.1 項(xiàng)目背景

本項(xiàng)目位于上海市浦東新區(qū)，東至A0201地塊邊緣，南至海洋一路，西至規(guī)劃HY-1路，北至海港大道生態(tài)防護(hù)綠地邊界線，總建筑面積約146 731 m2。建筑體量上分為1個(gè)裙樓和3個(gè)塔樓，其中裙房3、4層以上為塔樓部分。建筑外形呈晶體造型，3個(gè)塔樓共計(jì)48個(gè)傾斜面，極具現(xiàn)代氣息。

由于本工程的建筑形體為多角度拼接的晶體形式，在室內(nèi)外方向存在內(nèi)外傾角，水平方向扭轉(zhuǎn)，存在水平夾角，在設(shè)計(jì)過(guò)程中存在多種角度組合的情況。因此，本工程采用了專業(yè)三維軟件Rhino＋Grasshopper進(jìn)行程序式設(shè)計(jì)，施工時(shí)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)提供的Rhino模型控制最終的幕墻分格和定位圖。利用BIM技術(shù)使整個(gè)工程得以順利施工（圖2）。

圖2 項(xiàng)目效果圖

2.2 項(xiàng)目實(shí)施

根據(jù)以上介紹的原理和步驟，本項(xiàng)目可通過(guò)以下步驟實(shí)施。

2.2.1 數(shù)據(jù)分析

對(duì)于多角度晶體，水平和豎直方向存在多種角度組合這一情況，對(duì)幕墻表皮進(jìn)行優(yōu)化和數(shù)據(jù)分析，對(duì)面板的水平傾角和水平夾角2個(gè)參量進(jìn)行分析和統(tǒng)計(jì)，針對(duì)數(shù)據(jù)范圍的分布情況，將塔樓水平傾角角度分為69°、81°、88°、90°、94°、99°共6個(gè)區(qū)域，每個(gè)角度涵蓋±2.5°的區(qū)域范圍，將塔樓水平夾角角度分為88°、90°、92°共3個(gè)區(qū)域，根據(jù)所得的角度范圍，快速進(jìn)行角度組合，合理劃分型材角度范圍，優(yōu)化型材種類和節(jié)約開(kāi)模成本。

關(guān)于驅(qū)動(dòng)參量的選取，由于本項(xiàng)目幕墻面在水平方向和豎直方向均存在夾角，水平方向的轉(zhuǎn)角（即水平夾角）影響豎向型材的角度選模。如立柱，水平夾角可以用正視方向（立柱方向平行正東、正西等地理位置上的正視方向）與幕墻面所成的夾角求得，根據(jù)分析的結(jié)果，立柱共開(kāi)有88°、90°、92°三個(gè)角度；豎直方向傾角（即水平傾角）影響橫向型材的角度選模，如橫梁，水平傾角可以用水平面（世界坐標(biāo)的xy平面）與幕墻面所成的夾角求得，共開(kāi)有69°、81°、88°、90°、94°、99°六個(gè)角度。關(guān)于折線位置的面板，由于面板被分為上下兩部分，各自有著不同的水平傾角和水平夾角，需要對(duì)它的參數(shù)進(jìn)行區(qū)分，將水平夾角和水平傾角分別輸入相應(yīng)的程序中，通過(guò)判斷語(yǔ)句得到相應(yīng)的型材模號(hào)，完成多角度組合的選模工作。

2.2.2 模圖處理

處理施工節(jié)點(diǎn)和型材模圖。將施工節(jié)點(diǎn)進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉輔材圖元，簡(jiǎn)化型材模圖的截面，按照模號(hào)以圖層的方式進(jìn)行管理。將幕墻定位信息、孔位信息、物料屬性等信息以用戶字典的形式存儲(chǔ)到相應(yīng)的型材截面中。

2.2.3 幕墻面板屬性的處理

在獲取基本的建筑信息后，需要結(jié)合設(shè)計(jì)圖紙，提取各個(gè)幕墻構(gòu)件的空間定位，即空間坐標(biāo)，對(duì)于前期能夠確定的工藝特征，如避位、孔位以及一些輔助手段也將與定位坐標(biāo)一起存儲(chǔ)到相應(yīng)的面板中。

這些數(shù)據(jù)的獲取是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，并且是不斷更新的，過(guò)程中有很多外部數(shù)據(jù)的導(dǎo)入，更多的數(shù)據(jù)是來(lái)自建模過(guò)程中適配產(chǎn)生的。

2.2.4 幕墻構(gòu)件放樣

參數(shù)化的本質(zhì)就在于求同存異，一個(gè)項(xiàng)目形體再?gòu)?fù)雜，系統(tǒng)再繁多，總有相同或相似的地方，大到系統(tǒng)面板，小到幕墻構(gòu)件，總能找到他們的共同點(diǎn)。本項(xiàng)目幕墻共分為兩大類，即標(biāo)準(zhǔn)平板和折線單元，分別編制了2套程序。根據(jù)幕墻的構(gòu)成，將其分解成單個(gè)構(gòu)件，即橫梁、立柱等，每個(gè)構(gòu)件都有相應(yīng)的程序。

Grasshopper獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)機(jī)制，可以讓我們批量處理建模工作，每個(gè)程序都有很強(qiáng)的普適性，后期直接替換源頭數(shù)據(jù)即可生成相應(yīng)的幕墻構(gòu)件，減少重復(fù)編程工作。Rhino高精度的表達(dá)能力，能夠使模型達(dá)到LOD500的等級(jí)，滿足幕墻構(gòu)件的高精度加工要求。

3 成果運(yùn)用

3.1 批量生成加工圖

本工程通過(guò)對(duì)幕墻面與水平面之間夾角的分析，對(duì)幕墻進(jìn)行分區(qū)，根據(jù)幕墻區(qū)域劃分，可以快速地區(qū)分相似的構(gòu)件，只需對(duì)其中的一個(gè)構(gòu)件進(jìn)行加工圖處理，把變值做成參量，將其當(dāng)成模板，后續(xù)利用程序按照模板中所需參量從模型中批量導(dǎo)出，所有構(gòu)件的加工圖均可以一圖一表的形式提供給加工廠。

3.2 仿真加工

對(duì)于精度要求高的復(fù)雜部位，即便是建立了實(shí)體模型，也很難將模型中的銑切信息用二維的CAD圖紙表達(dá)出來(lái)。對(duì)此類情況，我們利用Grasshopper將生成好的構(gòu)件批量導(dǎo)成.STEP格式，再通過(guò)CAM仿真加工模擬，對(duì)于構(gòu)件上的連接孔位以及避位等，可以直接從模型讀取相關(guān)信息，無(wú)需在型材加工圖中體現(xiàn)，減少了工作量，最后運(yùn)用CNC數(shù)據(jù)中心精確機(jī)加工，并進(jìn)行銑切特征校核，保障加工精度要求。

3.3 測(cè)量放線

本工程在測(cè)量放線上也是一個(gè)難點(diǎn)，塔樓傾斜面和多面交接處相貫位置多，裙樓整體外輪廓長(zhǎng)達(dá)約780 m，且立面整體由各外傾及內(nèi)傾斜面拼接組成，立面造型變化多，立柱長(zhǎng)度不一，控制點(diǎn)位多。為了保障安裝定位的準(zhǔn)確性，利用全站儀建立嚴(yán)密的控制網(wǎng)。根據(jù)建設(shè)方或總包提供的起始點(diǎn)，建立首級(jí)平面控制網(wǎng)，在首級(jí)控制網(wǎng)上進(jìn)行控制點(diǎn)的二、三級(jí)加密，高程采用四等水準(zhǔn)布控，在二、三級(jí)控制網(wǎng)布設(shè)好后，應(yīng)先對(duì)主體鋼結(jié)構(gòu)及土建結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)測(cè)，利用全站儀對(duì)土建鋼架、結(jié)構(gòu)柱、墻面、鋼結(jié)構(gòu)柱和梁的特征點(diǎn)位進(jìn)行復(fù)測(cè)。根據(jù)實(shí)際的空間坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)再返回到模型中，對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整，建立現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)的三維可視化模型。實(shí)體模型上附帶的大量坐標(biāo)定位信息，可以給現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員提供與實(shí)際相符的三維坐標(biāo)點(diǎn)數(shù)據(jù)，便于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量人員精準(zhǔn)放線，控制幕墻精度，同時(shí)也為幕墻后續(xù)下料加工提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.4 安裝模擬

本工程存在大量的異形單元體，這些特殊的異形單元板塊在吊裝時(shí)由于受力不均，可能導(dǎo)致板塊接縫處出現(xiàn)“炸口”現(xiàn)象。針對(duì)此問(wèn)題，我們通過(guò)BIM技術(shù)對(duì)異形構(gòu)件進(jìn)行信息化預(yù)拼裝，通過(guò)受力計(jì)算分析找出最佳吊點(diǎn)，進(jìn)行方案模擬吊裝。方案可行性通過(guò)后，在車間進(jìn)行單元板預(yù)拼試吊裝，滿足要求后，方可大批量加工生產(chǎn)。對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)安裝，我們利用BIM可視化進(jìn)行模擬，合理優(yōu)化吊裝方案，特別是轉(zhuǎn)角部位的吊裝順序。

4 結(jié)語(yǔ)

本文首先簡(jiǎn)要介紹了當(dāng)前建筑幕墻行業(yè)的形勢(shì)，闡述了參數(shù)化設(shè)計(jì)的原理以及運(yùn)用的軟件，并詳細(xì)介紹了幕墻參數(shù)化的實(shí)施步驟。結(jié)合一個(gè)晶體造型項(xiàng)目工程的參數(shù)化實(shí)施，初步得到一種基于Grasshopper平臺(tái)上的幕墻參數(shù)化設(shè)計(jì)方法。該方法具有以下特點(diǎn)：

1）強(qiáng)大的自由造型功能能夠滿足當(dāng)下日益復(fù)雜的建筑形體的表達(dá)。

2）Grasshopper結(jié)合Rhino能夠滿足幕墻行業(yè)的高精度加工要求。

3）Grasshopper的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)功能能夠批量地處理設(shè)計(jì)工作，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)自動(dòng)化。

4）Grasshopper將建筑資料具象為數(shù)字化，極大地增強(qiáng)了幕墻設(shè)計(jì)的普適性。