Gr asshopper 在钢结构建模和施工图绘制中的应用

周浩，冯金仁，宋必达，邵喜诚

（中国建筑第五工程局有限公司，长沙 410000）

1 引言

参数化设计在建筑领域的应用始于20 世纪80 年代[1]，进入21 世纪后，得益于计算机技术的飞速发展，参数化设计正对当今建筑界产生日益显著的影响。 借助参数化设计软件，建筑、结构设计师能充分利用计算机强大的数据处理能力，以更高效、更多样、更精准的方式来完成建筑作品的设计。 参数化设计进入我国后，已在多个实际工程案例中得到了运用[2-4]。 本文以Rhino+Grasshopper 参数化程序为例，介绍了其在结构模型建立、结构施工图绘制等方面的应用。

2 钢结构中的应用

2.1 张弦结构中的应用

在张弦结构中，可以利用编制的电池组调节任意参数，如图1 所示。 可调节参数有屋盖长度、宽度、矢高、沿长度方向的段数，张弦梁撑杆数、拉索垂度，屋盖支撑道数、间距、位置，上弦梁、撑杆、拉索、支撑和系杆的截面尺寸等，从而得到需要的结构体系如图2 所示。 通过提取线段模型，可以方便地导入结构分析程序，完成建模计算，十分有利于方案比选。

图1 张弦梁体系电池组

2.2 螺旋楼梯中的应用

在公共建筑中，螺旋楼梯被大量采用，采用常规建模软件建模耗费大量时间，尤其对于壳元模型，手工建模基本无法实现。采用Grasshopper 参数化建模快捷，修改方便。以某项目为例，螺旋楼梯电池组如图3 所示。 参数化网格线模型、计算模型及应力云图如图4 所示。

图3 螺旋楼梯电池组

图4 计算模型

2.3 异形曲面钢结构中的应用

在大跨空间结构中， 建筑常因造型的需要而做成异形的不规则曲面，采用传统方法建立结构模型，建模工作量巨大、效率低下且难以做到与建筑的曲面准确地吻合。 特别是在方案比选阶段，调整结构方案、随建筑曲面形状的修改而修改结构模型等都要花费大量的时间与精力。 若采用Grasshopper 参数化建模，则可极大地节约建模时间，提高建模精准度，实现建筑设计与施工的衔接， 利用参数化模型的精准性来指导施工现场钢结构定位。

以某展示中心外棚罩为例，首先在Grasshopper 中编写相应电池组如图5 所示，拾取建筑专业提供的异形曲面，设定好主/ 次桁架的间距、桁架高度，则可自动根据曲面生成主次桁架的弦杆和腹杆， 如图6 所示。 然后导入3D3S 或Midas gen中，赋予杆件截面和材料特性，输入荷载和约束条件，即可进行结构计算，位移云图如图7 所示。

图5 异形曲面桁架电池组

图6 异形曲面桁架参数化网格线

图7 异形曲面桁架3D3S 位移云图

3 节点有限元分析中的应用

在节点有限元分析中，为了论证节点的安全可靠，需要做大量的参数分析确定合理的截面及节点构造。 若采用传统有限元分析软件建模， 对于不同的节点尺寸及构造需要反复建模，烦琐且容易出错。 若采用Grasshopper 参数化建模，结合Rhino 导出相应模型文件至有限元分析软件中 （如Ansys workbench、Abaqus、Midas gen 等），则论证效率可大大提高。

3.1 空间桁架桥节点

本节结合Ansys workbench 有限元分析软件[5]，以某桁架桥为例，说明其应用流程。 首先在Grasshopper 中编写相应电池组如图8 所示，建立的网格线模型如图9 所示；然后赋予弦杆和腹杆截面尺寸，bake 至Rhino 中后进行修整， 全桥Rhino模型如图10 所示。

图8 桁架桥参数化电池组

图9 全桥Gr asshopper 参数化网格线

图10 全桥Rhi no 模型

在Rhino 中调整完成后，导入Ansys workbench 中的DM建模模块。 赋予壳元厚度， 并根据模型特点划分网格如图11所示，施加荷载和边界条件，设置好计算参数并进行有限元求解。 有限元结果应力云图如图12 所示。

图11 有限元模型网格划分

图12 应力云图

该项目已经完成施工图，桁架桥跨度为33 m、桥宽约3 m，桁架桥为人行桥，桥面采用钢格栅板，施工过程中的桁架桥如图13 所示。

图13 施工过程中的桁架桥

3.2 钢框架- 支撑结构节点

以某钢框架-支撑结构的节点为例， 首先在Grasshopper中编写构件节点电池，建立圆管、H 形梁柱、异形柱的构件模型如图14 所示， 导入有限元分析软件中并赋予相应属性，有限元模型如图15 所示。

图14 节点Rhi no 模型

图15 有限元模型

4 施工图中的应用

在结构施工图制图中，可利用参数化绘图大大提高效率。以钢结构轻钢屋面檩条布置图为例， 先以一个柱距半跨范围为基本单元，采用图16 所示参数化电池组，可以分别调整柱距、跨度、屋脊第一根檩条起始距离、檩距、檩条数量，也可以根据柱距设置不同的拉条道数。 把基本单元打包成电池组，分别设置不同的柱距；然后在Rhino 中分别设置好相应图层，最后把不同杆件分别bake 至Rhino 中，如图17 所示。 采用此方法可实现大规模轻钢屋面的参数化制图，如门式刚架屋面、桁架屋面等。

图16 基本单元电池组

图17 檩条布置图

5 结语

本文以Rhino 和Grasshopper 参数化程序为例，详细讲解了其在空间钢结构、异形钢结构、节点分析及施工图绘制中的应用流程和方法，可以为结构工程师带来极大的便利，也为实现更具创新的结构提供了一种有效手段。