CN115391899A - 基于grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法 - Google Patents

基于grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法 Download PDF

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Abstract

一种基于Grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法，一、将建模的过程均采用简化为grasshopper中的cluster组的形式；二、在Rhino平台，指定建筑造型处的基准点，将建筑造型旋转平移至坐标原点，并将原点处造型面作为输入端建筑控制面；三、根据建筑造型建模；五、选取土建屋面轮廓线上的底部节点，按设置的柱墩高度偏移节点后生成柱脚节点；六、将生成的实体杆件结果重新选择平移回原建筑包装造型处，通过碰撞检查或者实体可视效果，来快速复核自动生成的钢结构布置是否符合设计要求。本发明可通过直接捕捉建筑的包装造型曲面，根据建筑包装造型，输入尺寸、间距等可控参数，即可直接生成结构设计需要的模型线框图，快速生成用于后续深化结构设计的三维模型。

Description

基于grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法
技术领域
本发明涉及计算机辅助结构设计领域，具体应用于乐园外包装钢结构模型的参数化驱动生成，是一种在Rhino平台，基于Grasshopper的可视化编程技术，进行乐园外包装钢结构模型的快速建模方法。
背景技术
随着近年来文化旅游产业兴起，主题乐园项目的开展，乐园外包装设计逐渐成为建筑设计领域的新名词。主题乐园的包装设计，不同于常规的设计，包装通常是造型各异、异形扭曲，这为整体的建筑包装效果带来了许多灵动和特色，同时也为结构设计带来许多挑战。作为乐园项目的主要外立面造型，包装结构设计的优劣决定了包装效果的好坏和施工工程难度，因此乐园外包装钢结构建模是乐园项目设计的重点和和设计质量控制的难点。
乐园包装结构设计要求结构建模首先能有效拟合建筑造型，满足不同造型材质的净距要求，并且主体构件不宜大范围凸出包装造型。对于目前乐园外包装的传统设计流程是设计师通过Rhino等三维绘图软件，手动绘制包装造型的轮廓控制线，然后由设计师手动绘制内部的杆件并赋予实体杆件厚度进行复核，过程需要反复的绘图和修改，直到推敲出满足造型要求的合理结构布置。传统的设计方式效率低、耗时长，且没有应用参数化设计手法，无法对包装结构进行三维的实时可视化复核，难以在设计过程中准确直观地判断模型的合理性，导致建模设计过程中需要耗费大量的人力、物力以及时间成本。而本发明方法将参数化作为主要设计方法应用于乐园外包装钢结构设计建模工作流程中，可实现各类不同造型的参数化建模工作流。有利于提高设计师的工作效率、优化项目的设计品质、提升团队的行业竞争力、降低设计单位的人力和时间成本。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种乐园外包装钢结构参数化建模方法，该方法有利于提高设计师的工作效率、优化项目的设计品质、提升团队的行业竞争力、降低设计单位的人力和时间成本。
本发明提供的技术方案是，基于grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法，包括以下步骤：
一、将建模的过程均采用简化为grasshopper中的cluster组的形式，方便直接调用；
二、在Rhino平台，指定建筑造型处的基准点，将建筑造型旋转平移至坐标原点，并将原点处造型面作为输入端建筑控制面；
三、根据建筑造型分类，按以下四种情况分别建模：
1）竖向造型
①首先确定结构输入端参数，主要包括如下五个参数：建筑造型面、结构控制面的退距D、切面转角A、切面多边形的边数M以及切面层高表；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，其他退距D、转角A、多边形边数M及层高表等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体；
②根据切平面层高表，采用水平面相交命令获取建筑造型面轮廓线，按输入的内偏退距D偏移后确定结构控制轮廓线；
③取各结构控制轮廓线的形心点，并按形心点到轮廓线的最小距离，求出控制半径，根据输入的切面多边形的边数M及切面转角A，绘出各切平面上的多边形；
④连接多边形形心杆件、多边形顶点杆件及通过shift命令顶点错位排序后相连形成斜腹杆；
2）扫掠成型的曲面造型
①首先确定结构输入端参数，主要包括如下四个参数：建筑造型面、结构控制面的退距D以及结构沿扫掠线方向切平面间距S；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，其他退距D、切平面间距S等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体；
②通过筛选命令，选中建筑造型面的扫掠结构线，按输入的间距S等分线段，并筛选出经过各等分点的法向平面；
③对各法向平面用相交命令，获取建筑造型面轮廓线，按输入的内偏退距D偏移后确定结构控制轮廓线；
④取各结构控制轮廓线的形心点，并按形心点到轮廓线的最小距离，求出控制半径，绘出各切平面上的矩形；
⑤连接矩形形心杆件、矩形顶点杆件及通过shift命令顶点错位排序后相连形成斜腹杆；
3）山墙造型
①首先确认结构输入端参数，主要包括如下六个参数：平面X方向的竖向构件水平间距L、平面Y方向的竖向构件水平间距M、Z方向的水平构件垂直间距N、结构控制面的退距D、建筑造型面、以及结构土建面的参照点P；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，参照点P为模型中直接选取结构土建面上的点，其他退距D、间距L、M及N等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体；
②取建筑造型面，考虑内偏退距D偏移后，作为结构控制面；绘制控制面轮廓的包络矩形，按输入的平面X、Y方向的杆件间距L和M，做包络矩形的网格划分；取出网格与包装轮廓线的交点，并筛选出仅在轮廓线内部的杆件；
③根据主体结构土建面的参照点P，得出内偏方向的控制法向向量；并通过modulus命令，根据垂直间距N求出需要往内部复制次数；
④将轮廓线内部的杆件沿控制法向向量，按求出的内部复制次数进行杆件复制；
4）大体量不规则造型
①首先确认结构输入端参数，主要包括如下六个参数：平面X、Y方向的竖向构件水平间距L及M、Z方向的水平构件垂直间距N、结构控制面的退距D、建筑造型面以及结构土建屋面轮廓线；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，结构屋面轮廓线为模型中直接选取结构土建屋面的边线，其他退距D、间距L、M及N等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体；
②选取结构土建屋面边界轮廓线，考虑水平方向退距D后，确定水平方向的结构控制线范围，选取建筑造型面，按结构控制面的退距D竖向偏移后，确定竖向的结构控制面，将水平方向的结构控制线及竖向的包装结构控制面按轴网正交布置，旋转平移至坐标原点；
③在输入端选取底层土建屋面轮廓线，求出该轮廓线的平面包络矩形，输入端中定义平面X、Y方向的竖向构件水平间距L及M，用Grid命令作双向的网格划分，并筛选出土建屋面轮廓线范围内的点阵；
④通过上一步的点阵做投影，求出结构控制面上的投影点，并连接底部点阵与顶部投影点得出该层所有的竖向构件，其中通过杆件长度及竖向垂直间距N，筛选掉实际竖向长度小于1m的杆件及顶部投影点；将剩余顶部投影点按正交的X、Y两个方向依次polyline连线，并通过距离筛选得到顶部水平构件；
四、 按照《钢结构设计标准》长细比限制要求，按杆件节点长度自动按预输入的截面库中选择相应的截面并赋予实体厚度；
五、选取土建屋面轮廓线上的底部节点，按设置的柱墩高度偏移节点后生成柱脚节点，用于直观示意实际柱脚做法对建筑的影响；
六、将生成的实体杆件结果重新选择平移回原建筑包装造型处，即可通过碰撞检查或者实体可视效果，来快速复核自动生成的钢结构布置是否符合设计要求。
本发明基于grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法，根据建筑造型分为四种情况，采用相应的依据上述的建模方法生成的cluster电池组，输入端输入距离、切平面标高等控制参数，即可在快速生成结构的线框模型。可以导入Midas等结构分析软件，用于后续深化设计。
本发明将参数化作为主要设计方法应用于乐园外包装钢结构设计建模工作流程中，可实现各类不同建筑包装造型的参数化建模工作流。有利于提高设计师的工作效率、优化项目的设计品质、提升团队的行业竞争力、降低设计单位的人力和时间成本。
附图说明
图1为本发明竖向造型cluster程序组；
图2为本发明扫掠成型的曲面造型cluster程序组；
图3为本发明山墙造型cluster程序组；
图4为本发明大体量不规则造型cluster程序组；
图5为本发明竖向造型及扫掠曲面造型结构生成示意；
图6为本发明山墙造型结构生成示意；
图7为本发明不规则大体量造型结构生成示意；
图8 为本发明竖向造型及扫掠曲面造型参数化工作流；
图9 为本发明山墙造型参数化工作流；
图10 为本发明不规则大体量造型参数化工作流。
具体实施方式
下面参照附图所示对本发明作进一步的描述。
参见图1-图7，本发明基于grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法，根据建筑造型分为四种情况，采用相应的依据上述的建模方法生成的cluster电池组，输入端输入距离、切平面标高等控制参数，即可在快速生成结构的线框模型。
1）竖向造型
首先确定结构输入端参数，主要包括如下五个参数：建筑造型面、结构控制面的退距D、切面转角A、切面多边形的边数M以及切面层高表；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，其他退距D、转角A、多边形边数M及层高表等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体。
结构快速建模的主要方法是指定标高的水平平面切平面轮廓；
cluster电池组详图1；结构生成示意详图5。
竖向造型及扫掠曲面造型参数化工作流详图8：
1)确定水平向或法向切平面；
2)相交求建筑轮廓线，按退距求结构轮廓线；
3)求各切面形心，并确定控制半径；
4)绘各切面多边形；
5)点排序相连，赋予截面形成杆件。
其中，根据切平面层高表，采用水平面相交命令获取建筑造型面轮廓线，按输入的内偏退距D偏移后确定结构控制轮廓线。
取各结构控制轮廓线的形心点，并按形心点到轮廓线的最小距离，求出控制半径，根据输入的切面多边形的边数M及切面转角A，绘出各切平面上的多边形。
连接多边形形心杆件、多边形顶点杆件及通过shift命令顶点错位排序后相连形成斜腹杆。
2）扫掠成型的曲面造型
首先确定结构输入端参数，主要包括如下四个参数：建筑造型面、结构控制面的退距D以及结构沿扫掠线方向切平面间距S；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，其他退距D、切平面间距S等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体。
结构快速建模的主要方法是通过建筑曲面造型线等分求出的法向平面切平面轮廓；
cluster电池组详图2；结构生成示意详图5。
通过筛选命令，选中建筑造型面的扫掠结构线，按输入的间距S等分线段，并筛选出经过各等分点的法向平面。
对各法向平面用相交命令，获取建筑造型面轮廓线，按输入的内偏退距D偏移后确定结构控制轮廓线。
取各结构控制轮廓线的形心点，并按形心点到轮廓线的最小距离，求出控制半径，绘出各切平面上的矩形。
连接矩形形心杆件、矩形顶点杆件及通过shift命令顶点错位排序后相连形成斜腹杆。
3）山墙造型
首先确认结构输入端参数，主要包括如下六个参数：平面X方向的竖向构件水平间距L、平面Y方向的竖向构件水平间距M、Z方向的水平构件垂直间距N、结构控制面的退距D、建筑造型面、以及结构土建面的参照点P；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，参照点P为模型中直接选取结构土建面上的点，其他退距D、间距L、M及N等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体。
结构快速建模的主要方法是通过对山墙造型的外表面轮廓线做网格划分；
cluster电池组详图3；结构生成示意详图6。
山墙造型参数化工作流详图9：
1)拾取建筑轮廓线，按退距求结构轮廓线；
2)按坐标区间求轮廓线的包络矩形；
3)对包络矩形按输入的间距做网格划分；
4)筛选控制线内部构件，并绘制边界杆件；
5)按土建墙面的法向，往内部等距复制；
6)点排序相连，赋予截面形成杆件。
其中，取建筑造型面，考虑内偏退距D偏移后，作为结构控制面；绘制控制面轮廓的包络矩形，按输入的平面X、Y方向的杆件间距L和M，做包络矩形的网格划分；取出网格与包装轮廓线的交点，并筛选出仅在轮廓线内部的杆件。
根据主体结构土建面的参照点P，得出内偏方向的控制法向向量；并通过modulus命令，根据垂直间距N求出需要往内部复制次数。
将轮廓线内部的杆件沿控制法向向量，按求出的内部复制次数进行杆件复制。
4）大体量不规则造型
首先确认结构输入端参数，主要包括如下六个参数：平面X、Y方向的竖向构件水平间距L及M、Z方向的水平构件垂直间距N、结构控制面的退距D、建筑造型面以及结构土建屋面轮廓线；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，结构屋面轮廓线为模型中直接选取结构土建屋面的边线，其他退距D、间距L、M及N等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体。
结构快速建模的主要方法是通过对土建屋面边界轮廓线做网格划分并竖向投影到建筑造型面；
cluster电池组详图4；结构生成示意详图7。
参数化工作流详图10：
1)拾取土建屋面边界轮廓线，按退距求水平向结构控制线；
2)拾取建筑曲面造型，按退距求竖向结构控制面；
3)按坐标区间求结构控制线的包络矩形；
4)对包络矩形按输入的间距做网格划分；
5)筛选控制线内部节点，并做竖向投影到结构控制面；
6)按竖向杆件距离筛选掉杆件长度小于1m的顶部投影节点；
7)剩余的顶部投影节点排序相连，赋予截面形成杆件。
其中，选取结构土建屋面边界轮廓线，考虑水平方向退距D后，确定水平方向的结构控制线范围，选取建筑造型面，按结构控制面的退距D竖向偏移后，确定竖向的结构控制面，将水平方向的结构控制线及竖向的包装结构控制面按轴网正交布置，旋转平移至坐标原点。
在输入端选取底层土建屋面轮廓线，求出该轮廓线的平面包络矩形，输入端中定义平面X、Y方向的竖向构件水平间距L及M，用Grid命令作双向的网格划分，并筛选出土建屋面轮廓线范围内的点阵。
通过上一步的点阵做投影，求出结构控制面上的投影点，并连接底部点阵与顶部投影点得出该层所有的竖向构件，其中通过杆件长度及竖向垂直间距N，筛选掉实际竖向长度小于1m的杆件及顶部投影点；将剩余顶部投影点按正交的X、Y两个方向依次polyline连线，并通过距离筛选得到顶部水平构件。

Claims (3)

1.一种基于grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法，包括以下步骤：
一、将建模的过程均采用简化为grasshopper中的cluster组的形式，方便直接调用；
二、在Rhino平台，指定建筑造型处的基准点，将建筑造型旋转平移至坐标原点，并将原点处造型面作为输入端建筑控制面；
三、根据建筑造型分类，按以下四种情况分别建模：
1）竖向造型
①首先确定结构输入端参数，主要包括如下五个参数：建筑造型面、结构控制面的退距D、切面转角A、切面多边形的边数M以及切面层高表；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，其他退距D、转角A、多边形边数M及层高表等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体；
②根据切平面层高表，采用水平面相交命令获取建筑造型面轮廓线，按输入的内偏退距D偏移后确定结构控制轮廓线；
③取各结构控制轮廓线的形心点，并按形心点到轮廓线的最小距离，求出控制半径，根据输入的切面多边形的边数M及切面转角A，绘出各切平面上的多边形；
④连接多边形形心杆件、多边形顶点杆件及通过shift命令顶点错位排序后相连形成斜腹杆；
2）扫掠成型的曲面造型
①首先确定结构输入端参数，主要包括如下四个参数：建筑造型面、结构控制面的退距D以及结构沿扫掠线方向切平面间距S；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，其他退距D、切平面间距S等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体；
②通过筛选命令，选中建筑造型面的扫掠结构线，按输入的间距S等分线段，并筛选出经过各等分点的法向平面；
③对各法向平面用相交命令，获取建筑造型面轮廓线，按输入的内偏退距D偏移后确定结构控制轮廓线；
④取各结构控制轮廓线的形心点，并按形心点到轮廓线的最小距离，求出控制半径，绘出各切平面上的矩形；
⑤连接矩形形心杆件、矩形顶点杆件及通过shift命令顶点错位排序后相连形成斜腹杆；
3）山墙造型
①首先确认结构输入端参数，主要包括如下六个参数：平面X方向的竖向构件水平间距L、平面Y方向的竖向构件水平间距M、Z方向的水平构件垂直间距N、结构控制面的退距D、建筑造型面、以及结构土建面的参照点P；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，参照点P为模型中直接选取结构土建面上的点，其他退距D、间距L、M及N等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体；
②取建筑造型面，考虑内偏退距D偏移后，作为结构控制面；绘制控制面轮廓的包络矩形，按输入的平面X、Y方向的杆件间距L和M，做包络矩形的网格划分；取出网格与包装轮廓线的交点，并筛选出仅在轮廓线内部的杆件；
③根据主体结构土建面的参照点P，得出内偏方向的控制法向向量；并通过modulus命令，根据垂直间距N求出需要往内部复制次数；
④将轮廓线内部的杆件沿控制法向向量，按求出的内部复制次数进行杆件复制；
4）大体量不规则造型
①首先确认结构输入端参数，主要包括如下六个参数：平面X、Y方向的竖向构件水平间距L及M、Z方向的水平构件垂直间距N、结构控制面的退距D、建筑造型面以及结构土建屋面轮廓线；其中建筑造型面为模型中直接选取的建筑轮廓，结构屋面轮廓线为模型中直接选取结构土建屋面的边线，其他退距D、间距L、M及N等数据，为根据结构需要指定的数据参数，用于后续步骤控制结构形体；
②选取结构土建屋面边界轮廓线，考虑水平方向退距D后，确定水平方向的结构控制线范围，选取建筑造型面，按结构控制面的退距D竖向偏移后，确定竖向的结构控制面，将水平方向的结构控制线及竖向的包装结构控制面按轴网正交布置，旋转平移至坐标原点；
③在输入端选取底层土建屋面轮廓线，求出该轮廓线的平面包络矩形，输入端中定义平面X、Y方向的竖向构件水平间距L及M，用Grid命令作双向的网格划分，并筛选出土建屋面轮廓线范围内的点阵；
④通过上一步的点阵做投影，求出结构控制面上的投影点，并连接底部点阵与顶部投影点得出该层所有的竖向构件，其中通过杆件长度及竖向垂直间距N，筛选掉实际竖向长度小于1m的杆件及顶部投影点；将剩余顶部投影点按正交的X、Y两个方向依次polyline连线，并通过距离筛选得到顶部水平构件；
四、 按照《钢结构设计标准》长细比限制要求，按杆件节点长度自动按预输入的截面库中选择相应的截面并赋予实体厚度；
五、选取土建屋面轮廓线上的底部节点，按设置的柱墩高度偏移节点后生成柱脚节点，用于直观示意实际柱脚做法对建筑的影响；
六、将生成的实体杆件结果重新选择平移回原建筑包装造型处，即可通过碰撞检查或者实体可视效果，来快速复核自动生成的钢结构布置是否符合设计要求。
2.根据权利1所述的基于grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法，其特征在于，根据建筑造型分为四种情况，采用相应的依据上述的建模方法生成的cluster电池组，即可快速生成结构的线框模型。
3.根据权利1所述的基于grasshopper的乐园外包装钢结构参数化建模方法，其特征在于，所述步骤二、1）②中，当控制半径小于500mm时，通过编程筛选节点仅输出单形心节点。
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