CN111414711B - 基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种Grasshopper空间结构辅助设计二次开发程序，包括步骤一：打开Rhino软件和Grasshopper插件；步骤二：确定杆件的最优摆放方位；步骤三：确定鼓节点的方向；步骤四：确定鼓节点最小长度，最后根据施工工艺需要适当增加节点上下端附加长度。本Grasshopper空间结构辅助设计二次开发程序，将结构设计、深化设计和Rhino/Grasshopper软件结合，可为钢结构设计提供有意义的补充，该方法能加快深化设计速度，提高结构设计准确度，使完工后钢结构在外形上更加协调美观，且适用性强，可推广应用于后续空间结构。

Description

基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法

技术领域

本发明涉及建筑设计领域，尤其涉及一种基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法。

背景技术

随着社会的发展，各种网壳结构如雨后春笋般拔地而起。网壳结构受力合理、经济性好，应用广泛，在外形上可形成多种不规则流线型曲面，其造型自由，线条富于变化，很受建筑师青睐。这类钢结构在设计时，主要面临两大难题：如何定位杆件的方位角？如何定位节点朝向及长度？基于这两个问题，我们在Rhino/Grasshopper软件平台二次开发了此程序，简单、精确、高效地攻克了此难题。

从结构受力、视觉通透性、幕墙连接节点便利性方面考虑，网壳结构杆件常采用矩形管。杆件连接一般采用鼓节点，此节点受力性能好，适应性强，简单经济。在设计中，杆件顶面如何与幕墙面切面平行，鼓节点如何与该处幕墙面切面垂直，是较大的难题。另外当鼓节点角度变化时，节点长度也会随之变化，可谓牵一发而动全身。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，针对网壳类钢结构如何定位杆件的方位角，如何定位节点朝向及长度的问题，提出了一种基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法，该基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法包括：

步骤一：打开Rhino软件和Grasshopper插件；

步骤二：在Grasshopper软件的运算器中输入空间网壳结构线模型，通过Weaverbird组件，得到网格面，再将网格面解散成三角形或四边形网格子面，并得到这些网格子面的边线，找到垂直于每一条边线中点处的工作平面，以此点为圆心，在此工作平面内作圆，此圆和与边线相连的两个网格子面交于两点，这两点和圆心组成一个等腰三角形，由此等腰三角形顶点向底边作垂线，此垂线可将顶角平分，垂线表示的方向即为杆件的最优摆放方位；

步骤三：在连接于同一个顶点的各杆件上，且将杆件数记为n根，沿着杆件摆放方位分别作长度同杆件长，宽度都相同的矩形，这些矩形杆件在除此点的位置有不多于n(n-1)/2个交点，将这些交点平均化得到一个节点，连接此节点和顶点即可得到鼓节点的方向；

步骤四：基于鼓节点的方向，自行设定一个半径，然后设定一个长度，该长度为4-6倍半径的长度，用运算器得到一个鼓节点圆柱体，通过各矩形杆件与鼓节点圆柱体进行相交运算，可在鼓节点圆柱体侧面上分别得到空间四边形，每个空间四边形有上面两个顶点和下面两个顶点，将每个空间四边形上面两个顶点向鼓节点圆柱体中心线的方向上投影，得到2倍于空间四边形数量的投影点，找到这些点离鼓节点圆柱体中心点最远的点，再以同样的原理，找到所有空间四边形下面两个顶点在鼓节点圆柱体的方向上的投影点，和各投影点离鼓节点圆柱体中心最远的点，连接两个最远的点，即为能使矩形管刚好落在鼓节点长度范围内的鼓节点最小长度，最后根据施工工艺需要适当增加节点上下端附加长度。

其中，Rhino为Rhino5或Rhino6。

其中，步骤四中自行设定的半径为网壳结构实际矩形钢管宽度的1.5-2倍。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法，将结构设计、深化设计和Rhino/Grasshopper软件结合，可为钢结构设计提供有意义的补充，该方法能加快深化设计速度，提高结构设计准确度，使完工后钢结构在外形上更加协调美观，且适用性强，可推广应用于后续空间结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法的杆件最优摆放方位示意图；

图2为网壳受力示意图；

图3为相邻面对脊线处构件作用力的合成示意图；

图4为节点朝向和点的分布示意图；

图5为最小节点长度计算方法。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法包括：

步骤一：打开Rhino软件和Grasshopper插件，其中Rhino为Rhino5或Rhino6。

步骤二：在Grasshopper软件的运算器中输入空间网壳结构线模型，通过Weaverbird组件，得到网格面，再将网格面解散成三角形或四边形网格子面，并得到这些网格子面的边线，找到垂直于每一条边线中点处的工作平面，以此点为圆心，在此工作平面内作圆，此圆和与边线相连的两个网格子面交于两点，这两点和圆心组成一个等腰三角形，由此等腰三角形顶点向底边作垂线，此垂线可将顶角平分，垂线表示的方向即为杆件的最优摆放方位。

步骤三：在连接于同一个顶点的各杆件上，且将杆件数记为n根，沿着杆件摆放方位分别作长度同杆件长，宽度都相同的矩形，这些矩形杆件在除此点的位置有不多于n(n-1)/2个交点，将这些交点平均化得到一个节点，连接此节点和顶点即可得到鼓节点的方向。

步骤四：基于鼓节点的方向，自行设定一个半径，半径长度为网壳结构实际矩形钢管宽度的1.5-2倍，然后设定一个长度，该长度为4-6倍设定半径的长度，用运算器得到一个鼓节点圆柱体，通过各矩形杆件与鼓节点圆柱体进行相交运算，可在鼓节点圆柱体侧面上分别得到空间四边形，每个空间四边形有上面两个顶点和下面两个顶点，将每个空间四边形上面两个顶点向鼓节点圆柱体中心线的方向上投影，得到2倍于空间四边形数量的投影点，找到这些点离鼓节点圆柱体中心点最远的点，再以同样的原理，找到所有空间四边形下面两个顶点在鼓节点圆柱体的方向上的投影点，和各投影点离鼓节点圆柱体中心最远的点，连接两个最远的点，即为能使矩形管刚好落在鼓节点长度范围内的鼓节点最小长度，最后根据施工工艺需要适当增加节点上下端附加长度。

下面结合具体的实施例来具体描述本基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法:

一、确定杆件的最优摆放方位角：在Grasshopper软件的运算器中输入空间网壳结构线模型，通过weaverbird组件，得到网格面，再将网格面解散成三角形或四边形网格子面并得到这些网格子面的边线，找到垂直于每一条边线中点(或其他点)处的工作平面，以此点为圆心，在此工作平面内作圆，此圆和与边线相连的两个网格子面交于两点，这两点和圆心可组成一个等腰三角形，由此三角形顶点向底边作垂线，此垂线可将顶角平分，垂线表示的方向即为杆件的最优摆放方位，请参见图1，图1为杆件最优摆放方位示意图。

本步骤说明：幕墙作用的点荷载或均布线荷载一般作用于杆件顶面中部，该合力作用方向一般应与杆件截面中心相交，否则会形成一个附加扭矩的作用，使杆件受力由轴力、弯矩作用变成轴力、弯矩和扭矩共同作用。轴力和弯矩产生正应力，扭矩产生剪应力，三者共同作用即为最复杂的弯、剪、扭受力状态。虽然矩形管有较好的抗扭性能，但附加扭矩对节点的不利作用仍旧不可忽视。若保持合力作用方向始终通过杆件中心，则可消除这个附加扭矩的不利作用。考虑到每根杆件支撑相邻的两个幕墙面，有两个面的合力作用于该杆件上，见图2，图2为网壳受力示意图(图中a为面积a，b为面积b，c为中心，d为脊线)。设左、右两面面积分别为a、b，依次将各面中心与脊线连接，则连线围成的区域荷载全部传递给该杆件。由重心几何性质，区域面积分别为a/3、b/3，设每个面上应力都垂直于面且相等，值为c，则两个面作用在此杆件上的力之比ac/3：bc/3＝a：b，即传给杆件的作用力大小与杆件相邻面面积成正比。若使传给杆件的作用力的合力作用线通过中心线，则合力合成的四边形必为菱形，请参见图3，图3为相邻面对脊线处构件作用力的合成示意图(a为面积a的面对杆件作用力，b为面积b的面对杆件作用力，a1为面积a的面的剖面，b1为面积b的面的剖面，c为杆件中心，e为杆件剖面，d为合力作用线)，由此可得出a＝b，此时可证明该合力作用线和两个相邻面夹角相等，此方向是两面角平分线方向，当杆件两边作用面面积相等时，两个面在共用杆件处的角平分面方向是杆件的最优摆放角度。当两面面积不等，最优摆放方向和合力作用线方向间夹角亦可通过此方法证明并定量求出，由于实际网壳结构各面大小都较均匀，相邻面面积亦大致相同，以角平分面作为最优放置方向误差不大，因此，此处暂不讨论面积不相等(相差较大)的情况。

二、确定节点的朝向和节点的长度：在连接于同一个顶点的各杆件上，沿着杆件摆放方位分别作长度同杆件长，宽度都相同的矩形，这些矩形杆件在除此点的位置有不多于n(n-1)/2个交点，将这些交点平均化得到一个节点，连接此节点和顶点即可得到鼓节点的方向。基于鼓节点的方向，自行设定一个半径，半径长度为网壳结构实际矩形钢管宽度的1.5-2倍，然后设定一个长度，该长度为4-6倍设定半径的长度，用运算器得到一个鼓节点圆柱体，通过各矩形杆件与鼓节点圆柱体进行相交运算，可在鼓节点圆柱体侧面上分别得到空间四边形，每个空间四边形有上面两个顶点和下面两个顶点，将每个空间四边形上面两个顶点向鼓节点圆柱体中心线的方向上投影，得到2倍于空间四边形数量的投影点，找到这些点离鼓节点圆柱体中心点最远的点，再以同样的原理，找到所有空间四边形下面两个顶点在鼓节点圆柱体的方向上的投影点，和各投影点离鼓节点圆柱体中心最远的点，连接两个最远的点，即为能使矩形管刚好落在鼓节点长度范围内的鼓节点最小长度，最后根据施工工艺需要适当增加节点上下端附加长度。

本步骤说明：节点区的长度和方向是基于杆件的最优摆放方向的，首先找节点的朝向。若节点处有n根杆件，基于上一部分确定的杆件朝向的结论，在交于一个节点上的每根杆件上作宽度相同的矩形，其朝向与第一部分的朝向一致，这些矩形在节点附近会形成两处交点群，第一处位于节点处，该处同一位置有1个节点和n(n-1)/2个交点，第二处位于第一处附近，考虑到矩形有可能没相交，该处交点不多于n(n-1)/2个，如公式1所示。

将此处交点群坐标平均化，可得到一个点，将其与节点连接，即可得到节点朝向，请参见图4，图4为节点朝向和点的分布示意图(图中a表示节点位置有1个节点和n(n-1)/2个交点，此处n＝6，则一共有16个点；b表示节点附近位置有不多于n(n-1)/2个交点，n＝6，则一共有15个点)。

然后将各杆件实体的四条边在节点圆柱形上进行相交运算，若节点处有n个杆件相连，得到4n个交点，分别为上面2n个，下面2n个，将所有下面2n个向上述方向线上投影，得到2n个投影点，排序得到离交点最远的那个点；同样，上面2n个点也可以得到一个最远的点，连接这两点，就可以得到杆件刚好不不落在节点区以外的最小节点长度。最后再根据施工工艺需要适当增加节点上下端附加长度。请参见图5，图5为最小节点长度计算方法，图中n＝6(图中a表示上面2n个点在节点线上的投影，b表示上端附加长度，c表示上面2n个点，d代表节点长度和方向的线，e表示节点三位模型，f表示下面2n个点在节点线上的投影，h表示下面2n个点，j表示下端附加长度)。

本方法运用Rhino与参数化插件Grasshopper，很好的解决了两大难题，通过前期设定各参数，做到一键求取杆件放置方位角、节点鼓朝向、节点鼓长度的目的。并且可以快速建立杆件及节点三维实体模型以及杆件节点相贯线，具体如下：在杆件处，通过得到表示杆件摆放方位角的三角形面，可快速找到一个参考系统对杆件摆放角度进行纠正；在节点处，根据杆件截面尺寸和杆件方位角自动计算出节点的长度和方向，并通过布尔运算得到相贯线，方法快捷简便。

本方法(程序)除了以上两个主要功能，还有以下创新部分：

1)该方法(程序)可以调用杆件所在图层截面信息，创建三维实体模型，通过布尔运算，得到杆件和节点相贯线，用于判断杆件在节点处干涉情况。

2)设置了基准向量，可智能判断曲面的“里”面，即向“内”“凹”的方向。程序第二部分功能基于第一部分功能，则必须保证第一部分中杆件最优摆放方向向“内”，否则，无法实现第二部分功能(因要实现矩形相交运算，若一个矩形向“内”，一个向“外”，则无法进行布尔运算，具体参见第二部分实现过程)。程序通过计算每根杆件摆放方向向量和基准向量夹角，比较与某值大小关系，选择保留或反向摆放方向向量，从而实现通过基准向量控制杆件摆放方向向量的目的。

未来的设计，复杂造型越来越多，传统设计方法已不能满足建筑设计要求，而BIM设计软件Rhino/Grasshopper对复杂曲面处理具有独特优势。

实施本发明实施例，具有如下有益效果：本基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法，将结构设计、深化设计和Rhino/Grasshopper软件结合，可为钢结构设计提供有意义的补充，该方法能加快深化设计速度，提高结构设计准确度，使完工后钢结构在外形上更加协调美观，且适用性强，可推广应用于后续空间结构。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：打开Rhino软件和Grasshopper插件；

步骤二：在Grasshopper软件的运算器中输入空间网壳结构线模型，通过Weaverbird组件，得到网格面，再将网格面解散成三角形或四边形网格子面，并得到这些网格子面的边线，找到垂直于每一条边线中点处的工作平面，以此点为圆心，在此工作平面内作圆，此圆和与边线相连的两个网格子面交于两点，这两点和圆心组成一个等腰三角形，由此等腰三角形顶点向底边作垂线，此垂线可将顶角平分，垂线表示的方向即为杆件的最优摆放方位；

步骤三：在连接于同一个顶点的各杆件上，且将杆件数记为n根，沿着杆件摆放方位分别作长度同杆件长，宽度都相同的矩形，这些矩形杆件在除此点的位置有不多于n(n-1)/2个交点，将这些交点平均化得到一个节点，连接此节点和顶点即可得到鼓节点的方向；

步骤四：基于鼓节点的方向，自行设定一个半径，然后设定一个长度，该长度为4-6倍半径的长度，用运算器得到一个鼓节点圆柱体，通过各矩形杆件与鼓节点圆柱体进行相交运算，可在鼓节点圆柱体侧面上分别得到空间四边形，每个空间四边形有上面两个顶点和下面两个顶点，将每个空间四边形上面两个顶点向鼓节点圆柱体中心线的方向上投影，得到2倍于空间四边形数量的投影点，找到这些点离鼓节点圆柱体中心点最远的点，再以同样的原理，找到所有空间四边形下面两个顶点在鼓节点圆柱体的方向上的投影点，和各投影点离鼓节点圆柱体中心最远的点，连接两个最远的点，即为能使矩形管刚好落在鼓节点长度范围内的鼓节点最小长度，最后根据施工工艺需要适当增加节点上下端附加长度。

2.根据权利要求1所述的基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法，其特征在于，所述Rhino为Rhino5或Rhino6。

3.根据权利要求1所述的基于Rhino的网壳杆件和节点调整方法，其特征在于，所述步骤四中自行设定的半径为网壳结构实际矩形钢管宽度的1.5-2倍。