基于Revit平台的Rhino.Inside.RReevviitt插件参数化设计应用

赵启明，李 超（沈阳建筑大学， 辽宁 沈阳 110168）

0 引 言

近年来，建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）在国内外建筑行业得到广泛关注和应用。随着计算机技术水平的快速发展，非线性建筑设计正由过去的边缘状态逐渐走上主流的设计舞台，国内外出现了许多外形构造奇特的建筑，建筑曲线、面的非线性和不规则性的特点日益突出[1]。随着建筑艺术形体表达越来越复杂，设计师开始借助现代计算机数字化设计工具构建复杂几何的形体。在工程设计领域中，为了更好地契合建筑师的设计意图，设计师们通常需要构建复杂的三维几何形体来表达不同的建筑的方案进行比选。相对于传统的设计方法，参数化设计可以很好地提高设计师们方案构建和数据分析的效率，为设计者与建筑师的配合提供重要的辅助工具[2]。

随着BIM技术的发展，现如今Revit平台是BIM技术应用覆盖群体最广的平台之一。本文以Revit平台与Rhino.Inside.Revit插件进行参数化设计为基础，通过妫汭剧场优化设计案例，分析参数化在异形结构中的相关应用分析，并概述基于参数化分析优化模型的优化设计步骤，为设计者们提供一些思路来提高模型构建和优化效率，进而提高设计工作效率。

1 概 述

1.1 参数化设计概述

参数化设计是将项目本身作为函数进行编译的过程，通过修改初始条件，经计算机运算得到工程结果的设计过程以实现设计过程的自动化。在参数化设计系统中，设计人员根据项目所需关系来指定设计需求。要满足这些设计需求，不仅需要考虑尺寸、项目参数的初值，而且要在每次改变这些设计参数时联动计算项目基本关系。其中，参数可分为两类：其一为各种尺寸值，称为可变参数；其二为几何元素间的各种连续几何关系，称为不变参数。参数化设计的本质是在可变参数的作用下，系统能够自动关联所有的不变参数，进而达到模型尺寸驱动。其最大价值在于以独特的方式完整记录起始模型和最终模型的构建过程，从而通过简单改变初始模型的相关可变参数改变模型最终形态的应用过程。其优势是：用参数和程序控制三维模型，相比手工建模进行模糊的调整更加精确、更具逻辑性；突破传统设计手法的局限，灵活应用非线性建筑形式；可快速实现建筑模型和结构模型的有效互动，提高模型的构建和修改的速度，从而提高工作效率。

1.2 Revit平台概述

BIM技术是建筑师在施工前更好地预测竣工后的建筑的一种新型工作方式，使设计者们在如今日益复杂的商业环境中保持竞争优势，Revit平台专为建筑信息模型（BIM）而构建，能够围绕最复杂的形状自动构建参数化框架，并为设计者提供更高的创建控制能力、精确性和灵活性，从概念模型到施工数据的整个设计流程都在一个直观环境中完成。Revit是优秀的三维建筑设计软件，集三维建模展示、方案和施工图于一体，使用简单，但复杂建模能力有限，部分计算和施工图方面还难以深入应用起来。

Revit是Autodesk收购的软件，用户体验和细节功能还很不完善，善于建筑设计推敲和MEP优化，单纯画建筑模型和图纸的速度是Sketchup&CAD的3倍以上。其中Dynamo可以飞速处理相关数据，而且前景很好，但弱在参数过于冗杂，运行速度奇卡无比，所以就要切割模型，而模型切割后对从业人员智力要求太高。

1.3 Rhino.Inside.Revit插件概述

Rhino.Inside.Revit项目是由Robert McNeel等新开发的项目，基于Rhino.Inside.Revit这项技术，为Rhino和Revit之间提供了一个前所未有的集成平台。从技术上讲，它是Revit的一个附加组件，像其他Revit附加组件一样，可以将Rhino及其插件（例如Grasshopper）加载到Revit的内存中。Grasshopper板块提供了一组用于与Revit进行交互的新组件，并使用其脚本组件提供了对两个软件API（应用程序编程接口）的访问。实际上，Rhino.Inside.Revit提供了一套工具来弥补Revit软件设计的不足和Rhino的自由形式建模的欠缺，将Grasshopper模块丰富的生态系统开放给Revit环境，从而实现全新的设计工作流程，为BIM技术的快速发展提供了有利的依据。Rhino.Inside.Revit界面，如图1所示。

图1 Rhino.Inside.Revit界面

2 基于Grasshopper参数化设计原理

参数化设计是将项目本身作为函数进行编译的过程，Grasshopper中建模的基础是向量，是既具有大小又具有方向的量。在Revit中制作模型，比如画曲线、移动、阵列物体等，几乎所有的手工建模都是在反复地做定义尺寸和方向的工作，而在以参数化建模中，这个工作方式是尽量以输入数据和程序自动计算的方式来完成的，以替代传统的手工调整建模的方式，在以Grasshopper为例的参数化建模模块中的部分参数化原理如下所示[3-4]。

2.1 向量关系

（1）向量关系的表示法：设定原点（0，0，0）作为向量锚定点。向量=（a1，a2，a3）表示在两点A和B之间方向向量，得出：A=（0，0，0）；B=（a1，a2，a3）；向量=（a1，a2，a3）的位置向量是从原点0（0，0，0）到点1（a1，a2，a3）的方向向量。

（2）向量加法：如果我们有两个向量，和，加法向量计算

（3）向量点积与向量叉积：向量点积、叉积的重要公式

向量点积可以求曲线、曲面角度，向量叉积可表示曲面的反向性。如图2所示，点2在曲面的正方向一侧，所得向量点积为正；相反方向为负。

图2 Grasshopper模块曲面方向

2.2 矩阵与变换

Grasshopper中模型位置的移动、旋转等变换的基础都是基于矩阵乘法变换，在特定的矩阵中，按照相应的向量数据相乘，得到最终的变换矩阵用于变换几何模型位置。

（1）移动变化。将一个点从起始位置移动一定的矢量，计算

假设：P（x，y，z）是一个给定点，V（a，b，c）是一个平移向量，令：P'（x＋a），P'（y＋b），P'（z＋c）。所得矩阵的一般格式为

（2）旋转变化。以Z轴为例，x＝dcosα；y＝dsinb；x'＝dcos（a＋b）；y'＝dsin（a＋b）

其中，将x'和y'展开，可得

x'＝dcosacosb－dsinasinb

y'＝dsinacosb＋dcosasinb

将x和y代入上述公式，整理可得

x'＝xcosb－ysinb；y'＝xsinb＋ycosb

用齐次坐标系，围绕Z轴的旋转矩阵为

同理可得，围绕X轴旋转矩阵为

围绕轴旋转矩阵为

3 曲线、面参数化设计应用

随着BIM技术的发展，非线性建筑也逐渐诞生，赋予了建筑新一代的美学，但也给设计、施工、加工各方带来了不少的挑战与难题，而借助参数化平台进行优化设计，可以获得复杂曲线、曲面的最佳模数，在项目的可变参数控制下，更加快速地构建高精度的复杂曲线曲面模型，并为参与方提供有利的数据信息配合项目落地[5]。

（1）曲线、曲面优化设计：非线性建筑外表皮，在建造施工过程中会产生复杂曲线、曲面几何体。这些几何体虽然可以通过合理数据进行呈现，但是依然存在加工难度大、成本高、施工安装难度大等特点。为了满足施工要求和项目成本控制等，在设计过程中应对项目外表皮进行合理分析优化。现如今，参数化设计为复杂曲线、曲面的施工落地带来了可能，在设计阶段基于原始外表皮进行合理优化处理，将优化后的表皮模型按照所需合理角度进行设计，为建筑的落地提供了有利的基础。

（2）曲线、曲面模数化：优化后的外表皮，虽然在加工、施工等过程中可以实施，但是一些建筑外表皮为了拟合非线性曲线，存在特殊过渡，导致材料加工的浪费和编号安装顺序复杂，给施工安装和加工带来了不少的麻烦，以至于几何体模数化势在必行。设计师利用参数化曲线、曲面优化技术，通过合理的数学模型将大量的复杂曲面进行拟合和归并，减少曲线、曲面的种类，减少几何体种类数量，进而也减少了加工方在模具上的成本，提高了加工效率和模具的重复使用率，加快了行业制造水平和精度，也为现场安装减少了复杂的板块顺序归类问题。

（3）输出加工数据：完成相关参数化设计之后，设计可以利用参数化平台进行图纸、加工单等相关数据的匹配导出，提高复杂曲线、曲面的加工精度和现场安装精度。利用参数化设计的这种方式，可以很好地提升设计效率和加工速度，进而保障数据传递的准确性。

4 工程实例

4.1 工程概况

2019年4月28日，北京世界园艺博览会（以下简称“世园会”）开幕式的举办地妫汭剧场吸引了全球的目光。妫汭剧场位于世园会国际馆北侧，是此次世园会“四馆一心”中主场馆中的“心”，总建筑面积6 335 m2，建筑高度20 m，主体钢结构屋面翼展跨度，演艺广场主体钢结构由26榀钢桁架构成，主体悬挑最大达到47 m。

妫汭剧场采用铝合金丝勾花网进行装饰，模拟了蝴蝶羽翼下的复杂脉络，工程使用9 850 m2的铝合金丝勾花网，共绑有5.2万个扎带，剧场效果图如图3所示。其形体特殊，给设计、施工、加工各方带来了巨大的挑战[6]。

图3 妫汭剧场效果图

4.2 项目难点

传统的二维设计方式已不能表达项目的设计数据和信息，基于BIM技术的参数化设计方式在其中为项目落地提供了有力的依据。

（1）建筑内部异形排水天沟在设计阶段需要考虑内部非线性曲线的拟合程度，还需要考虑钢结构预制连接方式和施工误差调节方式。

（2）现场施工阶段是对前两个阶段即设计和加工阶段质量的检验，妫汭剧场优雅而复杂的形态最终是由施工结果加以体现的，但在项目的前期，如此非线性的项目给设计、加工、施工都带了不小的挑战。为了保证铝合金网模拟出方案中蝴蝶优美的曲面，与钢结构进行连接的骨架优化成为了项目落地中最难的点。

（3）骨架优化过程中需要考虑到钢结构本身的安装误差，还需要考虑方案中非线性曲线的曲率平滑度，也要考虑后期铝合金网通过骨架延展开后与设计表皮的匹配程度。

4.3 解决方案

（1）读取钢结构设计阶段坐标数据，按照不同钢结构管径进行类型划分，并应用参数化构建钢结构模型（如图4所示），获取相关参照空间数据，依据设计需求进行空间模拟定位和参数化构建最终形成天沟模型。最终基于天沟模型进行连接件设计，应用腰孔进行误差调节控制，基于参数化方式合理定位摆放连接件，并提供相关连接点位进行结构校核。

图4 天沟模型

（2）为了更好地拟合蝴蝶周身曲面的平滑性，更好地模拟蝴蝶优美的体态，铝合金钢丝网钢管骨架优化成为了重中之重。为了拟合表皮曲面形态，本次工程优化采用三次参数曲线（Hermite曲线）拟合表皮与钢构向量方向相交的样条曲线。曲线通过两个点控制曲线段的两个端头定位，通过调整两个方向向量控制曲线曲率。根据曲率分析曲线的突变区域并设为临界点，依据临界点将曲线按照曲率区间分段并进行区域划分，划分后的区段通过Grasshopper模块中curve中的Arc SEG计算单元，根据不同区段按照曲率的连续性进行圆弧拟合，由两点控制弧段的曲线定位，用一个方向向量控制弧形曲率和半径，为后期加工单曲弯弧半径提供方便。

（3）所有外皮骨架优化完毕之后，根据优化后的半径进行模数化划分，并进行模数化归类拟合，以最终拟合后的圆管为参照，建立铝合金丝勾花网模型。其中，铝合金丝勾花网有一定的延展性，本项目采用Kangaroo2的力学模块进行模拟分析。通过模态力学分析，形成匹配设计表皮曲率的铝合金丝勾花网模型，最终提取相关数据形成Excel数据文件、CAD图纸、编号图等，提供给加工厂和施工单位，作为材料加工和现场施工的合理数据。优化后模型，如图5所示。

图5 优化后最终模型

5 结 语

针对本文所面临的异形结构拟合优化问题，结合工程实例得出如下结论。

（1）Rhino.Inside.Revit插件为Revit软件提高了设计精度，为LOD的模型深度提供了良好的基础。其中，Grasshopper模块的计算速度、开源程度、基于Python的程序运行速度、开源资料要优于其他参数化软件，并减少了对软件二次开发的依赖程度，进而更加灵活地为项目提供所需要的设计需求。

（2）Revit平台可以为每一个构件植入设计所需的参数信息，为后期的加工、施工、运维等提供了良好的数据接口，使各专业之间的协作接口更加灵活。

（3）通过Grasshopper模块程序更加方便地优化了传统设计方式不能完成的设计任务，提高了设计效率，为BIM技术和非线性建筑设计发展提供了更加坚硬的契机。