单曲面网架结构的参数模型研究

严 萌

(湖南理工学院 土木建筑工程学院, 湖南 岳阳 414006)

单曲面网架结构的参数模型研究

严 萌

(湖南理工学院 土木建筑工程学院, 湖南 岳阳 414006)

通过建立逻辑分析与归纳的方法, 在Grasshopper参数化设计软件平台的应用基础上, 研究并初步建立了单曲面钢结构平面网架的形体结构参数模型, 介绍了在初步设计中对模型进行动态参数控制的方法, 为实现建筑设计周期中的协同工作奠定了基础, 具有实践意义.

参数设计; Grasshopper; 网架

1 模型建立的方法、内容、调试

1.1 方法与内容

建立成型可调控的单曲面四棱锥格构网架参数模型(图1), 以下是逻辑生成过程的描述以及Grasshopper中的全局脚本截图(图2):

图1 四棱锥格构网架参数模型

图2 Grasshopper中的全局脚本图

1.1.1 通过二维曲线放样生成单曲面

在Rhino⑦中绘制一条一维曲线, 这里会用到三个运算器, Curve、Unit、Extrude(图3), 是将曲线沿Y轴放样成曲面(图4).

图3 曲面放样运算器

图4 放样曲面

1.1.2 对曲面进行细分, 划分平面网格

用Surface运算器提取生成的曲面, 这里注意Surface输出的数据比较混乱, 设置其Reparameterize参数修正其UV二维值域为0到1[2](图5).

图5 修正UV网格二维值域

图6 曲线比合并封面算法

用Divide Domain和Isotrim运算器将曲面分割成若干小面, 尽量使其UV的划分规律且面积相等, 以减少实际工程中预制构件的数量与类型. 将二维矩阵输出到Explode运算器分解. 用Polyline运算器将分解出的点连线, 设定布尔值为True, 使曲线闭合, 并用Planer Srf运算器进行封面(图6). 这样就将曲面分解成由若干平面组成的连续折面(图7), 虽然一定程度上降低了曲线的光滑度, 但却是在实际工程中较为兼顾经济和美观的方法.

图7 若干平面组成的折面

已连接的边线在矩形单元边缘有重叠, 所以不能直接生成套管, 这里的方法是运用Divide Surface运算器将方形点网输出成树形数据结构, 再利用Flip Matrix将矩阵重新分组[3], 将纵列于横列各置一组, 使数据结构合理, 再用Polyline运算器连线(图8), 形成矩形单元结构边缘.

图8 矩阵重新分组算法

至此划分平面网格过程已完成(图9).

图9 平面网格连线

1.1.3 提取矩形平面中心店, 并向法线方向偏移, 矩形平面四角端点与偏移的中心店相连, 形成空间线组

使用Brep Area运算器提取每个矩形单元的中心点. 使用Surface CP得到点的法线方向及原始UV, 使用Evaluate Surface运算器将中心点的UV坐标输入到Surface CP运算器, 这样生成每个中心点的法线生成并被定义成矢量. 使用Move和Amplitude运算器将中心点沿法线方向移动一定距离. 使用4个List Item运算器分别提取由Explode运算器分解出的矩形端点, 并编号为1、2、3、4, 再用Line运算器逐一连线(图10). 这样, 网架四棱锥格构体系的杆件连接形态已基本形成(图11).

图10 四棱锥格构边缘连接算法

图11 四棱锥格杆件连接形态

1.1.4 底部端点相连, 形成空间网格, 生成套管

由于下层点网是由程序逻辑生成, 并未形成一定规律的点序, 网架结构底部的杆件连接, 这里提供的思路是采用重新生成面域UV坐标, 并将其细分成组的方法. 首先, 将Move运算器G端输出的下层点阵用Point Parameter提取并拍平(Flatten). 使用Surface From Points运算器将点域生成曲面. 再将曲面用Divide Surface运算器进行UV划分, 这里需要注意的是, 在输入端数值上应采用上层曲面U-1、V-1划分方式. 由于底层曲面的面积比上次小, 所以由Divide Surface运算器所新生成的UV划分与原始四棱锥下角点并不重合, 在这里我们使用Pull Point 运算器使新点移动到最近的原始点网并与之完全重合[4]. 按照前述的方法, 将数据结构翻转并连线成方格(图12).

图12 底部点网连接, 并形成套管

最后考虑到结构形式上的需要, 仍将所生成的各个连线进行提取, 并用Pipe运算器生成杆件套管(图13).

图13 套管算法

实际工程中面板材料可能具有一定厚度, 这里运用Surface Box运算器与Surface和Divide Surface相连得到每个矩形单元的厚度, 其数值在Surface Box运算器的H端获得.

至此单曲面网架的参数模型基本成型, 可为初步设计输出精确的结构模型.

1.2 调试

由Grasshopper所生成的参数模型不是一次性的结果, 而是可控制调试的过程语言. 对于典型单曲面网架的参数模型中, 通过调节一定的参数, 理论上可得到无限种可能, 具有广泛的适应性, 并可将其原理推广到双曲面及复杂复合曲面网架的应用. 在本例中, 用户端或设计师由如下参数可以对模型进行生成和控制:

曲线可以自由控制, 只需要在Rhino中绘制曲线并在Curve运算器端进行提取, 理论上任何形式的一维曲线都可以生成网架结构.

曲面网格纵向与横向的划分数量, 可通过将Slider运算器连接至Divide Surface的UV端进行控制, 根据工程需要, 需要网格的数量可以灵活调节(图14).

图14 灵活调节UV网络参数

网架结构的高度, 由Amplitude运算器控制, 将Slider运算器连接至它的A 端, 生成正四棱锥网架只需要做简单的计算(图15).

图15 网架结构高度参数调节

套管粗细与面板的厚度, 可通过设置Pipe运算器中的R值(半径)(图16), 以及Surface Box运算器中的H值.

图16 钢结构套管半径参数调节

2 结论

通过对单曲面网架参数模型的建立, 使我们快速的得到了一种复杂构件的三维动态控制方法, 会对建筑方案以及结构方案进行取舍. 参数化设计的根本目的在于用新的软件工程方法来延伸人的思维, 让我们有更多选择的可能. 这并不触及建筑空间生成的本质性问题[5].信息化社会的建筑, 技术往往是形态的决定因素[6], 纵观进30年来世界的建筑潮流与趋向, 虽然一直呈现出复杂化的特点, 但是几座标志性建筑的建成,与它所涵盖和包容的技术因素是分不开的. 改变以往传统的建筑设计模式, 将有助于提高我国建筑师在国际上的竞争力, 促进建筑行业的全面发展.

[1] 张铭政, 陈律宇, 及NBBJ上海工作室建筑设计师. 参数化工具在当代中国建筑的实践[J]. 建筑师, 2011: 439, 92～95

[2] Andrew Payne, Rajaa Issa.Grasshopper Primer[M]. Second Edition, 2009: p133

[3] Issa, R. .Essential Mathematics for computational design[M]. 2011(5): p155

[4] Andrew Payne, Rajaa Issa.Grasshopper Primer[M]. Second Edition, 2009: p84

[5] 日本SDG构造设计集团, 2010上海国际博覧会日本馆建筑设计, 施工管理业务入札にかかわる提案书(総合评価)一式, 未出版设计报告书

[6] 李 文, 傅 睿. 设计源于构思[J]. 信息化建设, 2004(6): 44～46

注释

① 基于Rhinoceros的可视化编程插件

② Building Information Modeling的缩写

③ 基于Rhinoceros的曲面分面插件

④ 基于Rhinoceros的曲面图形投影方法

⑤ 一款基于MESH算法的表面自我衍生软件

⑥ Autodesk出品的参数化建筑设计软件

⑦ Rhinoceros的简称,一款基于NURBS的工业建模软件

Research on Generative Model of Single-Curvature Grid Structure

YAN Meng
(College of Construction and Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, China)

This thesis introduces the methodology on dynamic parameter control in conceptual design, studies and creates a generative Model of Single-Curvature Grid structure with a logic and inductive way on the application of the Grasshopper generative design software platform, to form a base of the cohesive work of architecture design cycle.

generative design; Grasshopper; grid structure

TU201.4

A

1672-5298(2012)02-0073-04

引言

网架结构是近些年在大跨度、高层建筑、复杂形体建筑中经常使用的一种空间结构体系. 所谓参数化设计, 是指一种全部设计要素都变成某个函数的变量, 通过改变函数或者算法, 使人们能够获得不同方案的建筑设计方法, 可简单理解为一种可以通过计算机技术自动生成设计方案的方法. 本文是以比平面网架复杂的单曲面网架为例, 在Grasshopper①应用软件平台的基础之上, 介绍一种常见的四棱锥体格构网架的参数模型生成方法及其逻辑操作和思维过程. 对于双曲面以及复合曲面网架参数模型的建立也具有指导意义. 在传统的建筑设计过程中, 建筑师仅仅通过二维平立剖面来推敲三维的建筑形体, 而没有建立完整的建筑三维模型, 就不能从宏观上、动态的把握和详细的了解和建筑设计一级构件设计的每个部分,缺乏专业之间必要的衔接和完整的接口, 可能在某个工作环节上出问题. 采用三维信息化建筑模型(BIM)②以及参数化设计(Generative Design)方法, 使设计师主动的掌握自己的设计, 效率和创造力得到很大的提高, 已经成为推动建筑师事半功倍的完成建筑设计项目, 实现高效、协作和可持续发展的必由之路.

参数化设计在国内仍处于起步阶段, 甚至还不为许多建筑以及工程师所知. 常规的建筑与工程设计项目大多采用传统的二维CAD模式, 在设计过程中实际运用参数化设计方法的情况很少. 对于一些大型工程项目运用参数化设计方法, 一般的设计师更是不敢涉及. 本文所运用的Grasshopper应用软件平台是一个可视化的脚本建模工具, 也是一个方案初期的辅助设计工具, 它可以较轻松的拟建具有生成逻辑的复杂模型. 虽然其他参数建模应用平台或建模方法如Paneling Tools③, UV法④, ParaCloud⑤, Architecture Revit⑥[1]等也可以解决此类问题, 但Grasshopper建立的平面及单曲面网架参数模型, 结果动态可变, 具有很好可视性与可调节性. 真正参数设计拟解决的关键问题, 不是结果, 而是过程的参数选择, 是将建筑设计问题转变为逻辑推理问题的方法, 用理性思维替代主观想象进行设计, 并大大提高运算与工作效率.

2012-02-17

严 萌(1977- ), 男, 浙江宁波人, 硕士, 湖南理工学院土木建筑工程学院讲师. 主要研究方向: 建筑设计