Gr asshopper 在鋼結構建模和施工圖繪制中的應用

周浩，馮金仁，宋必達，邵喜誠

（中國建筑第五工程局有限公司，長沙 410000）

1 引言

參數化設計在建筑領域的應用始于20 世紀80 年代[1]，進入21 世紀后，得益于計算機技術的飛速發展，參數化設計正對當今建筑界產生日益顯著的影響。 借助參數化設計軟件，建筑、結構設計師能充分利用計算機強大的數據處理能力，以更高效、更多樣、更精準的方式來完成建筑作品的設計。 參數化設計進入我國后，已在多個實際工程案例中得到了運用[2-4]。 本文以Rhino+Grasshopper 參數化程序為例，介紹了其在結構模型建立、結構施工圖繪制等方面的應用。

2 鋼結構中的應用

2.1 張弦結構中的應用

在張弦結構中，可以利用編制的電池組調節任意參數，如圖1 所示。 可調節參數有屋蓋長度、寬度、矢高、沿長度方向的段數，張弦梁撐桿數、拉索垂度，屋蓋支撐道數、間距、位置，上弦梁、撐桿、拉索、支撐和系桿的截面尺寸等，從而得到需要的結構體系如圖2 所示。 通過提取線段模型，可以方便地導入結構分析程序，完成建模計算，十分有利于方案比選。

圖1 張弦梁體系電池組

2.2 螺旋樓梯中的應用

在公共建筑中，螺旋樓梯被大量采用，采用常規建模軟件建模耗費大量時間，尤其對于殼元模型，手工建模基本無法實現。采用Grasshopper 參數化建模快捷，修改方便。以某項目為例，螺旋樓梯電池組如圖3 所示。 參數化網格線模型、計算模型及應力云圖如圖4 所示。

圖3 螺旋樓梯電池組

圖4 計算模型

2.3 異形曲面鋼結構中的應用

在大跨空間結構中， 建筑常因造型的需要而做成異形的不規則曲面，采用傳統方法建立結構模型，建模工作量巨大、效率低下且難以做到與建筑的曲面準確地吻合。 特別是在方案比選階段，調整結構方案、隨建筑曲面形狀的修改而修改結構模型等都要花費大量的時間與精力。 若采用Grasshopper 參數化建模，則可極大地節約建模時間，提高建模精準度，實現建筑設計與施工的銜接， 利用參數化模型的精準性來指導施工現場鋼結構定位。

以某展示中心外棚罩為例，首先在Grasshopper 中編寫相應電池組如圖5 所示，拾取建筑專業提供的異形曲面，設定好主/ 次桁架的間距、桁架高度，則可自動根據曲面生成主次桁架的弦桿和腹桿， 如圖6 所示。 然后導入3D3S 或Midas gen中，賦予桿件截面和材料特性，輸入荷載和約束條件，即可進行結構計算，位移云圖如圖7 所示。

圖5 異形曲面桁架電池組

圖6 異形曲面桁架參數化網格線

圖7 異形曲面桁架3D3S 位移云圖

3 節點有限元分析中的應用

在節點有限元分析中，為了論證節點的安全可靠，需要做大量的參數分析確定合理的截面及節點構造。 若采用傳統有限元分析軟件建模， 對于不同的節點尺寸及構造需要反復建模，煩瑣且容易出錯。 若采用Grasshopper 參數化建模，結合Rhino 導出相應模型文件至有限元分析軟件中 （如Ansys workbench、Abaqus、Midas gen 等），則論證效率可大大提高。

3.1 空間桁架橋節點

本節結合Ansys workbench 有限元分析軟件[5]，以某桁架橋為例，說明其應用流程。 首先在Grasshopper 中編寫相應電池組如圖8 所示，建立的網格線模型如圖9 所示；然后賦予弦桿和腹桿截面尺寸，bake 至Rhino 中后進行修整， 全橋Rhino模型如圖10 所示。

圖8 桁架橋參數化電池組

圖9 全橋Gr asshopper 參數化網格線

圖10 全橋Rhi no 模型

在Rhino 中調整完成后，導入Ansys workbench 中的DM建模模塊。 賦予殼元厚度， 并根據模型特點劃分網格如圖11所示，施加荷載和邊界條件，設置好計算參數并進行有限元求解。 有限元結果應力云圖如圖12 所示。

圖11 有限元模型網格劃分

圖12 應力云圖

該項目已經完成施工圖，桁架橋跨度為33 m、橋寬約3 m，桁架橋為人行橋，橋面采用鋼格柵板，施工過程中的桁架橋如圖13 所示。

圖13 施工過程中的桁架橋

3.2 鋼框架- 支撐結構節點

以某鋼框架-支撐結構的節點為例， 首先在Grasshopper中編寫構件節點電池，建立圓管、H 形梁柱、異形柱的構件模型如圖14 所示， 導入有限元分析軟件中并賦予相應屬性，有限元模型如圖15 所示。

圖14 節點Rhi no 模型

圖15 有限元模型

4 施工圖中的應用

在結構施工圖制圖中，可利用參數化繪圖大大提高效率。以鋼結構輕鋼屋面檁條布置圖為例， 先以一個柱距半跨范圍為基本單元，采用圖16 所示參數化電池組，可以分別調整柱距、跨度、屋脊第一根檁條起始距離、檁距、檁條數量，也可以根據柱距設置不同的拉條道數。 把基本單元打包成電池組，分別設置不同的柱距；然后在Rhino 中分別設置好相應圖層，最后把不同桿件分別bake 至Rhino 中，如圖17 所示。 采用此方法可實現大規模輕鋼屋面的參數化制圖，如門式剛架屋面、桁架屋面等。

圖16 基本單元電池組

圖17 檁條布置圖

5 結語

本文以Rhino 和Grasshopper 參數化程序為例，詳細講解了其在空間鋼結構、異形鋼結構、節點分析及施工圖繪制中的應用流程和方法，可以為結構工程師帶來極大的便利，也為實現更具創新的結構提供了一種有效手段。