基于Rhino+Grasshopper对空间网壳结构参数化建模研究.docxVIP

随着计算机技术的普及和发展，人们不再满足于传统的建筑造型，越来越热衷于力学与美学相结合的异形曲面结构，而其中空间网壳结构因其视觉通透、造型美观、形式自由等特点备受广大建筑工程师和结构工程师的喜爱，如伦敦国王十字车站、深圳大运动会体育中心等。

空间网壳结构通常具有非对称及非线性的特性，其建模过程相对烦琐，但在实际工程中，这类异形结构又会经常因功能需求变动，或结构不满足受力要求等原因导致模型频繁修改，对建筑和结构设计师来说工作量巨大，导致设计周期过长，因此参数化设计在空间网壳结构的建模和设计中显得至关重要。

参数化设计通过设定初始的工程条件和尺寸参数，通过编程语言的方式建立模型，并且当改变初始的工程条件或尺寸参数后，模型自身会相应做出改变，从而实现模型设计的自动化。这种建模方法不仅大幅提高了设计师的工作效率，而且降低了设计纠错成本，其中发展最成熟的主流软件之一是Rhino+Grasshopper。

Grasshopper是一款可视化编程软件，基于Rhino平台运行，其通过一个个小电池盒子储存最基本的编程语言，将电池盒子通过一定的逻辑关系串联起来，记录建模过程。该软件含有上千种电池插件供设计师选择，整个过程简单方便，大幅降低了设计师重新学习编程语言的时间成本，而且该软件本身属于开放性软件，有编程基础的设计师甚至可以自己开发插件。

1项目概况

以某工人文化宫为例，介绍参数化建模在单层空间网壳结构中的应用，模型效果如图1所示。该网壳结构以两侧楼顶梁及跨越过道的两侧钢梁为受力点，中间形成圆筒状曲面直接落地，两栋楼之间的直线距离约为32.0?m，高度约为21.5?m。为了使结构美观且线条感十足，本次网格采用菱形网格，网格大小控制在2~3?m。

图1工人文化宫模型效果图

2难点分析

（1）本结构面属于非对称曲面结构，且中间开有直径约9~4?m的收缩洞口，洞口位置不在曲面正中间。

（2）曲面的上边缘线在靠近主楼位置的两角向主楼一侧收缩，角度很小。

（3）考虑到美观需求，大部分网格采用菱形划分，需要考虑中间镶嵌玻璃的翘曲度问题。

3建模步骤

3.1建模方法

首先，将本模型导入rhino软件中，提取建模所需的模型曲面，由于曲面比较复杂，需要将模型分为两部分进行建模。在曲率较大的地方用平面将模型曲面一分为二，下部网壳结构是一个相对规则的收缩状圆筒，可采用grasshopper中的lunchbox网格插件完成建模；上部网壳结构比较复杂，需要先建立基础平面网格，然后通过力学拓扑的方式将平面基础网格映射到模型曲面上。

3.2下部网壳结构建立

由于导入的模型面属于多重曲面，而lunchbox中的电池只能对单一曲面进行划分，所以首先需要对下部网壳曲面进行重建。用8个等角度的垂直平面与模型曲面相交，得到8条样条曲线，再采用“loft”功能，即可得到重建后的网壳曲面。

对于重建的曲面直接采用lunchbox中的“DiagridStructure（斜交网格结构）”电池即可快速得到所有的下部网壳结构，其中环向网格参数为8，沿高度方向的网格参数为9，为了保证上部结构的美观，环向网格参数基本固定为8不变，可通过调整沿高度方向的网格参数间接调控下部网格的大小。

3.3上部网壳结构建立

上部网壳结构采用力学拓扑的方式进行建模。首先在原上部模型网格中间的圆形洞口处做一个内切正方形，作为基础网格的内边缘线，再取模型4个角点绘制基础网格的外边缘线，如图2所示。

图2基础网格内外边缘线示意

通过基础网格的两条内外边缘线，分别绘制4个梯形网格，梯形上边网格参数固定为2（与上下部交界处的8个网格格点相对应），可通过调整梯形下边的网格参数控制基础网格的大小，经反复尝试，当梯形下边网格参数为12时，满足基础网格长度的要求。将4个梯形网格合并，即可得到力学拓扑前的基础网格如图3所示。

图3基础网格示意

采用力学拓扑的方法，对基础网格上的节点及网格线施加力，使其逐渐趋向模型网格，其中每个框起来的部分均为一组受力电池组。

（1）利用“Length(Line)”电池给所有基础网格线施加使其维持一定长度的力。分析得出，本次建模中给定的长度为0.2倍的网格平均值。取网格平均值是确保映射后的网格长度相差不大，0.2的系数是为了保证网格的力始终是收缩的。

（2）利用“OnMesh”电池所有基础网格节点一个映射到模型面上的力。

（3）利用“OnCurve”电池给基础网格外边缘线上的点一个映射在模型外边缘上的力。在本次建模中，必须要保证基础网格外边界的点一定要到达模型网格的边界上，于是此处给了一个相对上述步骤大很多的力。

（4）利用“Anchor”电池给基础网格内边缘线上的8个点一个映射，在已经建好的下部结构连接处的8个节点上的力。

（5）同理，利用“Anchor”电池给基础网格外边缘上的4