基于Grasshopper的幕墻參數化設計研究

周 興

中建不二幕墻裝飾有限公司 湖南 長沙 410007

隨著社會的發展，建筑材料和營造技術取得了極大的進步，使得人們對建筑的需求從原始的功能需求過渡到審美需求上。審美需求極大地激發了建筑師的設計靈感，使得當前城市涌現出許多有別于傳統建筑形式的異形建筑，其復雜的建筑造型在給我們帶來美的享受的同時，也給幕墻行業帶來了新的設計思潮和技術革新，相關的生產方式和生產工具也有了極大的更新[1-5]。參數化設計便是其中之一。

本文探討的參數化設計是基于Grasshopper（簡稱GH）平臺上的幕墻設計應用，旨在為幕墻設計提出一種能兼顧建筑找型和機械制造的參數化設計方法。

1 Grasshopper參數化設計原理

1.1 工作原理

Grasshopper是基于Rhino（犀牛）軟件的一款參數化設計軟件。通過Rhino軟件將建筑形體轉化為Nurbs（非均勻有理B樣條）曲面或者是Mesh（網格）三維模型，然后通過GH獲取建筑造型的相關控制參數，將所有建筑信息具象分解為點線面等數學對象，如風荷載可以轉化為帶方向的矢量等。通過提取相關對象的數學屬性，根據一定的構造邏輯，串聯起GH平臺封裝完的代碼模塊（即小電池），進行參數化設計。例如，可以獲取幕墻面與水平面的夾角，來驅動幕墻龍骨的角度。

還可以通過改變源頭數據，調整相關參數，實現快速批量處理建模工作。對于幕墻行業的高精度加工方面，可以導出.STEP格式（工業產品交互標準），對接CNC加工中心，實現高精度無紙化加工。

參數化設計可以將所有的設計過程保留下來，過程中所產生的數據，可作為其他相關工作的依據，為過程中的外部數據導入與導出、方案變更以及工作協調提供合理的接口。

1.2 參數化設計步驟

Grasshopper參數化設計在幕墻上的運用主要分為建筑找型和高精度加工這2個方面。綜合可分以下5步：

1）數據分析：獲取建筑外表皮上的相關控制參數，如傾角、夾角、坐標點等。分析這些數據，確定驅動參量，然后根據幕墻施工圖，確定相關做法。

2）模圖處理：根據步驟1確定相關方案并整理模圖，建立相關圖層管理體系，簡化無用的截面特征。

3）面板屬性處理：根據步驟1中獲取的基本數據，以主龍骨為主要定位對象，確定相關構件定位坐標系，確定基礎加工特征，如孔位等，并以用戶字典的形式存儲到相應的面板中，以備后期調用。

4）龍骨放樣：調用面板中存儲的定位坐標系，根據圖紙，將相應龍骨截面定位到空間位置上，然后通過擠出功能即可得到龍骨的實體模型。相應的實體構件，由程序自動生成唯一編碼，編碼應包含龍骨型號、面板編號、自身流水號等。

5）模型使用：可以利用模型輔助測量放線，批量導出構件加工圖以及幕墻裝配明細，對接CNC數據中心，利用Naviswork軟件進行多專業交互等（圖1）。

圖1 幕墻參數化設計流程

2 項目實例

根據以上介紹的原理和步驟，下面將對多角度組合體實例項目的參數化設計進行研究和探討。

2.1 項目背景

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

由于本工程的建筑形體為多角度拼接的晶體形式，在室內外方向存在內外傾角，水平方向扭轉，存在水平夾角，在設計過程中存在多種角度組合的情況。因此，本工程采用了專業三維軟件Rhino＋Grasshopper進行程序式設計，施工時嚴格按照設計提供的Rhino模型控制最終的幕墻分格和定位圖。利用BIM技術使整個工程得以順利施工（圖2）。

圖2 項目效果圖

2.2 項目實施

根據以上介紹的原理和步驟，本項目可通過以下步驟實施。

2.2.1 數據分析

對于多角度晶體，水平和豎直方向存在多種角度組合這一情況，對幕墻表皮進行優化和數據分析，對面板的水平傾角和水平夾角2個參量進行分析和統計，針對數據范圍的分布情況，將塔樓水平傾角角度分為69°、81°、88°、90°、94°、99°共6個區域，每個角度涵蓋±2.5°的區域范圍，將塔樓水平夾角角度分為88°、90°、92°共3個區域，根據所得的角度范圍，快速進行角度組合，合理劃分型材角度范圍，優化型材種類和節約開模成本。

關于驅動參量的選取，由于本項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，根據分析的結果，立柱共開有88°、90°、92°三個角度；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（世界坐標的xy平面）與幕墻面所成的夾角求得，共開有69°、81°、88°、90°、94°、99°六個角度。關于折線位置的面板，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，需要對它的參數進行區分，將水平夾角和水平傾角分別輸入相應的程序中，通過判斷語句得到相應的型材模號，完成多角度組合的選模工作。

2.2.2 模圖處理

處理施工節點和型材模圖。將施工節點進行簡化，去掉輔材圖元，簡化型材模圖的截面，按照模號以圖層的方式進行管理。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到相應的型材截面中。

2.2.3 幕墻面板屬性的處理

在獲取基本的建筑信息后，需要結合設計圖紙，提取各個幕墻構件的空間定位，即空間坐標，對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一起存儲到相應的面板中。

這些數據的獲取是一個動態的過程，并且是不斷更新的，過程中有很多外部數據的導入，更多的數據是來自建模過程中適配產生的。

2.2.4 幕墻構件放樣

參數化的本質就在于求同存異，一個項目形體再復雜，系統再繁多，總有相同或相似的地方，大到系統面板，小到幕墻構件，總能找到他們的共同點。本項目幕墻共分為兩大類，即標準平板和折線單元，分別編制了2套程序。根據幕墻的構成，將其分解成單個構件，即橫梁、立柱等，每個構件都有相應的程序。

Grasshopper獨特的數據結構機制，可以讓我們批量處理建模工作，每個程序都有很強的普適性，后期直接替換源頭數據即可生成相應的幕墻構件，減少重復編程工作。Rhino高精度的表達能力，能夠使模型達到LOD500的等級，滿足幕墻構件的高精度加工要求。

3 成果運用

3.1 批量生成加工圖

本工程通過對幕墻面與水平面之間夾角的分析，對幕墻進行分區，根據幕墻區域劃分，可以快速地區分相似的構件，只需對其中的一個構件進行加工圖處理，把變值做成參量，將其當成模板，后續利用程序按照模板中所需參量從模型中批量導出，所有構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

對于精度要求高的復雜部位，即便是建立了實體模型，也很難將模型中的銑切信息用二維的CAD圖紙表達出來。對此類情況，我們利用Grasshopper將生成好的構件批量導成.STEP格式，再通過CAM仿真加工模擬，對于構件上的連接孔位以及避位等，可以直接從模型讀取相關信息，無需在型材加工圖中體現，減少了工作量，最后運用CNC數據中心精確機加工，并進行銑切特征校核，保障加工精度要求。

3.3 測量放線

本工程在測量放線上也是一個難點，塔樓傾斜面和多面交接處相貫位置多，裙樓整體外輪廓長達約780 m，且立面整體由各外傾及內傾斜面拼接組成，立面造型變化多，立柱長度不一，控制點位多。為了保障安裝定位的準確性，利用全站儀建立嚴密的控制網。根據建設方或總包提供的起始點，建立首級平面控制網，在首級控制網上進行控制點的二、三級加密，高程采用四等水準布控，在二、三級控制網布設好后，應先對主體鋼結構及土建結構進行復測，利用全站儀對土建鋼架、結構柱、墻面、鋼結構柱和梁的特征點位進行復測。根據實際的空間坐標點測量數據再返回到模型中，對模型進行調整，建立現場真實的三維可視化模型。實體模型上附帶的大量坐標定位信息，可以給現場測量人員提供與實際相符的三維坐標點數據，便于現場測量人員精準放線，控制幕墻精度，同時也為幕墻后續下料加工提供設計依據。

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由于受力不均，可能導致板塊接縫處出現“炸口”現象。針對此問題，我們通過BIM技術對異形構件進行信息化預拼裝，通過受力計算分析找出最佳吊點，進行方案模擬吊裝。方案可行性通過后，在車間進行單元板預拼試吊裝，滿足要求后，方可大批量加工生產。對于現場安裝，我們利用BIM可視化進行模擬，合理優化吊裝方案，特別是轉角部位的吊裝順序。

4 結語

本文首先簡要介紹了當前建筑幕墻行業的形勢，闡述了參數化設計的原理以及運用的軟件，并詳細介紹了幕墻參數化的實施步驟。結合一個晶體造型項目工程的參數化實施，初步得到一種基于Grasshopper平臺上的幕墻參數化設計方法。該方法具有以下特點：

1）強大的自由造型功能能夠滿足當下日益復雜的建筑形體的表達。

2）Grasshopper結合Rhino能夠滿足幕墻行業的高精度加工要求。

3）Grasshopper的數據結構功能能夠批量地處理設計工作，實現設計自動化。

4）Grasshopper將建筑資料具象為數字化，極大地增強了幕墻設計的普適性。