周浩，馮金仁，宋必達(dá)，邵喜誠

（中國建筑第五工程局有限公司，長沙 410000）

1 引言

參數(shù)化設(shè)計(jì)在建筑領(lǐng)域的應(yīng)用始于20 世紀(jì)80 年代[1]，進(jìn)入21 世紀(jì)后，得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，參數(shù)化設(shè)計(jì)正對(duì)當(dāng)今建筑界產(chǎn)生日益顯著的影響。 借助參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件，建筑、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師能充分利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，以更高效、更多樣、更精準(zhǔn)的方式來完成建筑作品的設(shè)計(jì)。 參數(shù)化設(shè)計(jì)進(jìn)入我國后，已在多個(gè)實(shí)際工程案例中得到了運(yùn)用[2-4]。 本文以Rhino+Grasshopper 參數(shù)化程序?yàn)槔?，介紹了其在結(jié)構(gòu)模型建立、結(jié)構(gòu)施工圖繪制等方面的應(yīng)用。

2 鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

2.1 張弦結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

在張弦結(jié)構(gòu)中，可以利用編制的電池組調(diào)節(jié)任意參數(shù)，如圖1 所示。 可調(diào)節(jié)參數(shù)有屋蓋長度、寬度、矢高、沿長度方向的段數(shù)，張弦梁撐桿數(shù)、拉索垂度，屋蓋支撐道數(shù)、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(jié)構(gòu)體系如圖2 所示。 通過提取線段模型，可以方便地導(dǎo)入結(jié)構(gòu)分析程序，完成建模計(jì)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(yīng)用

在公共建筑中，螺旋樓梯被大量采用，采用常規(guī)建模軟件建模耗費(fèi)大量時(shí)間，尤其對(duì)于殼元模型，手工建?；緹o法實(shí)現(xiàn)。采用Grasshopper 參數(shù)化建?？旖?，修改方便。以某項(xiàng)目為例，螺旋樓梯電池組如圖3 所示。 參數(shù)化網(wǎng)格線模型、計(jì)算模型及應(yīng)力云圖如圖4 所示。

圖3 螺旋樓梯電池組

圖4 計(jì)算模型

2.3 異形曲面鋼結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用

在大跨空間結(jié)構(gòu)中， 建筑常因造型的需要而做成異形的不規(guī)則曲面，采用傳統(tǒng)方法建立結(jié)構(gòu)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(zhǔn)確地吻合。 特別是在方案比選階段，調(diào)整結(jié)構(gòu)方案、隨建筑曲面形狀的修改而修改結(jié)構(gòu)模型等都要花費(fèi)大量的時(shí)間與精力。 若采用Grasshopper 參數(shù)化建模，則可極大地節(jié)約建模時(shí)間，提高建模精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)與施工的銜接， 利用參數(shù)化模型的精準(zhǔn)性來指導(dǎo)施工現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)定位。

以某展示中心外棚罩為例，首先在Grasshopper 中編寫相應(yīng)電池組如圖5 所示，拾取建筑專業(yè)提供的異形曲面，設(shè)定好主/ 次桁架的間距、桁架高度，則可自動(dòng)根據(jù)曲面生成主次桁架的弦桿和腹桿， 如圖6 所示。 然后導(dǎo)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(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)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(shù)化網(wǎng)格線

圖7 異形曲面桁架3D3S 位移云圖

3 節(jié)點(diǎn)有限元分析中的應(yīng)用

在節(jié)點(diǎn)有限元分析中，為了論證節(jié)點(diǎn)的安全可靠，需要做大量的參數(shù)分析確定合理的截面及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造。 若采用傳統(tǒng)有限元分析軟件建模， 對(duì)于不同的節(jié)點(diǎn)尺寸及構(gòu)造需要反復(fù)建模，煩瑣且容易出錯(cuò)。 若采用Grasshopper 參數(shù)化建模，結(jié)合Rhino 導(dǎo)出相應(yīng)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(jié)點(diǎn)

本節(jié)結(jié)合Ansys workbench 有限元分析軟件[5]，以某桁架橋?yàn)槔f明其應(yīng)用流程。 首先在Grasshopper 中編寫相應(yīng)電池組如圖8 所示，建立的網(wǎng)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(jìn)行修整， 全橋Rhino模型如圖10 所示。

圖8 桁架橋參數(shù)化電池組

圖9 全橋Gr asshopper 參數(shù)化網(wǎng)格線

圖10 全橋Rhi no 模型

在Rhino 中調(diào)整完成后，導(dǎo)入Ansys workbench 中的DM建模模塊。 賦予殼元厚度， 并根據(jù)模型特點(diǎn)劃分網(wǎng)格如圖11所示，施加荷載和邊界條件，設(shè)置好計(jì)算參數(shù)并進(jìn)行有限元求解。 有限元結(jié)果應(yīng)力云圖如圖12 所示。

圖11 有限元模型網(wǎng)格劃分

圖12 應(yīng)力云圖

該項(xiàng)目已經(jīng)完成施工圖，桁架橋跨度為33 m、橋?qū)捈s3 m，桁架橋?yàn)槿诵袠?，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(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)

以某鋼框架-支撐結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)為例， 首先在Grasshopper中編寫構(gòu)件節(jié)點(diǎn)電池，建立圓管、H 形梁柱、異形柱的構(gòu)件模型如圖14 所示， 導(dǎo)入有限元分析軟件中并賦予相應(yīng)屬性，有限元模型如圖15 所示。

圖14 節(jié)點(diǎn)Rhi no 模型

圖15 有限元模型

4 施工圖中的應(yīng)用

在結(jié)構(gòu)施工圖制圖中，可利用參數(shù)化繪圖大大提高效率。以鋼結(jié)構(gòu)輕鋼屋面檁條布置圖為例， 先以一個(gè)柱距半跨范圍為基本單元，采用圖16 所示參數(shù)化電池組，可以分別調(diào)整柱距、跨度、屋脊第一根檁條起始距離、檁距、檁條數(shù)量，也可以根據(jù)柱距設(shè)置不同的拉條道數(shù)。 把基本單元打包成電池組，分別設(shè)置不同的柱距；然后在Rhino 中分別設(shè)置好相應(yīng)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模輕鋼屋面的參數(shù)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(jié)語

本文以Rhino 和Grasshopper 參數(shù)化程序?yàn)槔?，詳?xì)講解了其在空間鋼結(jié)構(gòu)、異形鋼結(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)分析及施工圖繪制中的應(yīng)用流程和方法，可以為結(jié)構(gòu)工程師帶來極大的便利，也為實(shí)現(xiàn)更具創(chuàng)新的結(jié)構(gòu)提供了一種有效手段。