基于Grasshopper的參數化方法在結構設計中的應用

(廣東博意建筑設計院有限公司北京分院，北京 100045)

引言

隨著計算機技術的發展，越來越多的建筑師開始借助現代數字化設計工具構建復雜幾何的建筑結構形式。在工程設計領域，結構經常被要求實現復雜的三維形體，或者根據不同參數對比建筑方案。相比于傳統結構設計方法，Rhino和Grasshopper所提供的參數化平臺可以大大地提高設計建模和分析的效率，正在成為結構師和建筑師配合設計重要的工具。

本文通過介紹參數化結構設計方法的概念，分析參數化在超高層、大跨度和非線性曲面等復雜結構中的應用的案例，并舉例基于Grasshopper的結構分析模型的建模步驟，為結構工程師提供了新的思路來解決當前和未來結構設計中遇到的超常規問題。

1 參數化設計方法的概念和應用

1.1 參數化設計的概念

在參數化設計(Parametric Design)過程中，通過控制變量和編程的算法，快速實現設計意圖，表達復雜的幾何形狀和結構體系。在建筑方案的參數化設計中，通過參數化工具構筑建筑構件與參數之間的關系，將復雜結構體系用一定數量的變量定義，可以實現方案動態的可視化，快速可逆修改，方便進行多方案對比。

參數化設計理念可以追溯到安東尼奧·高迪的設計，但直到上世紀九十年代中期，計算機技術水平實現編程與實體可以動態交互，參數化設計方法才真正成為建筑設計的工具，扎哈·哈迪德的設計大量應用了參數化設計方法，例如：銀河SOHO、廣州大劇院、南京青奧中心，形成了超現實主義的建筑風格，同時也給結構設計帶來了巨大的挑戰。近幾年，國內各高校建筑學院和建筑設計企業也不斷提高對參數化設計的重視。馬巖松夢露大廈通過參數化實現了曲線和建筑思想的結合，在國際建筑方案評比中脫穎而出。清華大學徐衛國教授探索了參數化非線性建筑設計的方法和設計過程，提出了完整的過程邏輯和“找形”方法[1]。

1.2 參數化在復雜結構中的應用

1.2.1 超高層結構方案性能分析

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

北京CBD Z15地塊中國尊在概念設計階段，Arup團隊配合建筑師對結構體型和分區進行比選、柱線找型、結構體系研究。設計修改難度完全顛覆傳統設計模式，只有通過參數化方法來實現快速建模和分析，才可以在有限時間內提出合理的結構和建筑方案。

圖1 塔樓結構體系演變

當前超高層結構大部分采用框架核心筒結構體系，豎向構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構整體剛度的構件，設置的數量和位置對結構影響很大，參數化方法在超高層桁架方案對比中應用廣泛，只需要將桁架設置樓層定義為一個變量，就可以快速輸出一系列結構分析模型，進行定量運算得出最優方案。

1.2.2 大跨空間結構解決方案

大跨結構包括機場、體育場、天窗等設計越來越呈現出網格復雜、設計難度大的趨勢，結構和建筑專業的需要更緊密的配合。在深圳機場的設計中，建筑師利用Rhino和Grasshopper根據概念草圖和北京院提出的機場功能性需求建模，結構工程師得到模型進行結構化處理，反饋結構設計需求，這樣建筑和結構專業不斷配合深化設計，最終形成符合建筑、結構、幕墻各方需求的基礎模型。

圖2 深圳機場網殼

在杭州奧體博覽城主體體育場的設計中，美國NBBJ建筑設計公司與CCDI悉地國際合作，將參數化設計方法應用到從概念設計到施工圖設計的全過程中，建筑師在設計初期使用Grasshopper生成方案模型，體育場的結構單元種類、數量、曲率等都設為可調節的參數，滿足建筑需求，在與結構工程師配合時，可以隨時根據結構受力合理性要求，對跨度、桿件間距、數量進行調整，整個過程動態、可逆，大大提高了效率。

1.2.3 非線性外殼設計

“找形”概念的提出，對結構工程師提出了更大的挑戰，在方案前期階段，建筑師根據設計理念，提出曲率變化的外皮，使得結構必須根據模糊的外皮給出合理化意見。在北京院設計鳳凰國際傳媒中心結構時，需要控制支撐外皮結構桿件的最長單元長度和曲率，通過參數化方法控制非線性網格劃分，最終得出滿足結構和建筑要求的合理幾何方案。之后模型導進Digital Project軟件進行結構深化設計。

圖3 鳳凰國際傳媒中心外殼控制線

Zaha設計的銀河Soho和望京Soho則體現了“切片”式擬合曲面的應用，根據建筑外形要求，結構外框梁構件種類繁多，需要合理歸并，豎向構件需要設置大量斜柱，其角度和連接節點設計都需要參數化工具和BIM工具的配合應用。

1.2.4 新概念建筑設計

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

圖4 英國AA建筑聯盟學院設計作品

2 基于Grasshopper參數化結構建模方法

2.1 Grasshopper簡介

Grasshopper是Rhino軟件的程序算法生產模型的插件，是當前最主流的參數化建模工具。相對于傳統的設計建模，基于Grasshopper的設計特點包括：

(1)可編譯性

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

(2)可視性

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

(3)可擴展性

Grasshopper作為最成熟的參數化平臺，開發者在該平臺上對整個建筑設計周期中的諸多問題，都提供了相應的解決方案，只需要簡單的擴展程序，就可以實現更多的參數化功能，比如，Salamander和Geometry Gym解決了幾何模型到結構模型的轉換問題，Geco為場地規劃設計提供了解決方案。

2.2 參數化建模難點及解決方案

參數化結構設計的基本過程如圖1，就是將建筑方案通過Grasshopper參數化工具在Rhino中實現，再將幾何方案轉換為帶有結構屬性的分析模型進行分析，再反饋結果修改建筑方案，直到獲得建筑滿意、結構可行的方案。從幾何模型到結構模型的過程是結構參數化設計的難點，有如下幾種解決方案。

圖5 參數化設計步驟

(1)ARUP方案

Salamander是ARUP開發的Rhino和Grasshopper插件，擴展了其在結構分析模型建模領域的應用，可以將Grasshopper生成的幾何模型附加結構屬性，并導入ARUP自主開發的數據交換平臺DesignLink，進而轉化為結構模型，在ETABS，SAP2000等結構分析軟件中計算。北京CBD Z15地塊中國尊項目和天津117大廈等就是應用該插件，實現了復雜超限超高層結構設計[2]。

(2)同濟方案

同濟大學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軟件基礎上開發Structure Analysis Bridge轉換軟件，可以根據一定邏輯導入帶結構屬性的模型，大大提高了建模效率[3]。

(3)Grasshopper二次開發插件

Geometry Gym系列插件是專為建筑設計者開發的轉換插件，不僅可以在Rhino中對幾何模型添加結構屬性，還可以添加約束、荷載等結構信息，導出Etabs，Sap2000，GSA模型，還可以擴展BIM應用，添加族屬性，導入Revit等BIM軟件。

(4)幾何信息直接導入

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

3 基于Grasshopper結構設計算例

假設建筑師擬在某30m*30m的范圍內做如圖2所示曲面網架，需要結構工程師布置一個合理的空間網架結構，該網架只有四角有支撐約束作用，網架高度和桿件數量不限。

圖7 初始方案參數化建模

圖6 設計算例條件

3.1 參數化建模

對傳統的結構設計來說，這個問題解決起來很困難，需要切分曲面，找到控制點，再推算結構單元的位置，經過復雜的運算，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，在該算例中，選定網架曲面、桁架兩個方向跨數和桁架高度作為變量。其次，需要通過幾何邏輯來生成出結構的線條，程序中內置有用于編程的“電池塊”，可以對點、線、面、實體和網格進行處理。最后當結構幾何基本滿足要求后，通過Bake將結果存入Rhino中，再導出.dxf程序。

Etabs、Sap2000等結構計算軟件，可以導入.dxf格式文件，生產基本的結構模型，完成建模基本步驟。

圖8 結構計算模型

圖9 多方案參數化建模

3.2 結構多方案比較分析

參數化的一個優勢在于快速進行結構多方案生成和分析，在參數化基本程序的基礎上，只要調節變量，再做很小的改動，就可以衍生出無數新的方案。例如改變上述例子中的跨數和高度，可以產生兩個新的方案。并在結構分析軟件中進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果，保證方案的經濟可行。

圖11 方案修改分析

圖10 多方案結構分析

3.3 顛覆性方案修改

參數化的另一個優勢在于應對方案的顛覆性修改，只需要引入新的參數，或對原有程序做小的修改就可以適用新的條件。例如，假設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，就可以很快修改方案，并驗證該項修改帶來對結構可行性的影響。這一點大大提升了設計效率，減少由于方案修改帶來的復工成本。

4 結論與建議

本文首先介紹了參數化設計方法在建筑領域的應用，結合實際案例對參數化在復雜結構中的應用做了分析，然后提出了基于Grasshopper的參數化建模方法，并介紹了其在結構設計中具體建模步驟和優勢。初步結論與建議如下：

(1)參數化設計是未來復雜建筑和結構設計的趨勢，Rhino+Grasshopper的參數化平臺憑借其可編譯性、可視性、可擴展性成為應用廣泛的參數化設計工具；

(2)參數化已經在超高層、大跨度、非線性結構找形和新概念建筑設計領域應用廣泛，對類似復雜結構設計有參考價值；

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

參考文獻

[1] 徐衛國. 參數化設計與算法生形[J].世界建筑, 2011，(06)： 110-111.

[2] 程煜， 劉鵬，Dorothee Citerne，劉允博，馬超，殷超.結構參數化設計在北京CBD核心區Z15地塊中國尊大樓中的應用[J].建筑結構, 2014，(24)： 9-14.

[3] 黃卓駒， 丁潔民，毛明超.某展覽館結構Grasshopper參數化設計[J].結構工程師, 2016，(01)： 1-4.

[4] 朱鳴， 王春磊.使用犀牛軟件及Grasshopper插件實現雙層網殼結構快速建模[J].建筑結構, 2012，(S2)： 424-427.

[5] 馬瀧. 深圳國際機場T3航站樓的參數化設計實踐[J].建筑技藝， 2011，(Z1)： 62-67.

[6] 邵韋平. 為明天而建造——鳳凰國際傳媒中心參數化設計實踐[J].建筑技藝， 2010，(Z1)： 230-234.