Rhino在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

劉祥南

湖南省建筑設(shè)計(jì)院有限公司，湖南長(zhǎng)沙 410000

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展，建筑造型越來(lái)越多樣化，建筑內(nèi)部空間關(guān)系越來(lái)越復(fù)雜。傳統(tǒng)的軟件已經(jīng)不能滿足復(fù)雜建筑設(shè)計(jì)的要求。Rhino（犀牛）軟件，一款用于工業(yè)設(shè)計(jì)的三維建模軟件，有著強(qiáng)大的三維建模能力，而且它體積小巧、運(yùn)行快，對(duì)電腦硬件要求低。近幾年，Rhino開(kāi)始應(yīng)用到建筑行業(yè)，深受設(shè)計(jì)師的喜愛(ài)。文章結(jié)合作者本人的項(xiàng)目經(jīng)歷，闡述Rhino在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及其優(yōu)勢(shì)。

1 Rhino兼容性強(qiáng)，方便專(zhuān)業(yè)間的對(duì)接

Rhino兼容性強(qiáng)，可快速導(dǎo)入導(dǎo)出的文件類(lèi)型近20多種。不僅可以導(dǎo)入CAD圖紙，3Dmax、sketchup等常用的建筑三維模型，還可以導(dǎo)入將盈建科、pkpm、midas等結(jié)構(gòu)模型。Rhino強(qiáng)大的兼容性可以實(shí)現(xiàn)不同類(lèi)型文件的匯總，在這里可以輕松地實(shí)現(xiàn)建筑設(shè)計(jì)中不同專(zhuān)業(yè)間的三維協(xié)調(diào)。

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程是建筑設(shè)計(jì)師將三維模型以平、立、剖面圖的形式來(lái)表達(dá)，結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)此圖紙來(lái)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并完成建模計(jì)算。對(duì)于復(fù)雜建筑來(lái)說(shuō)，這種模式難度大、設(shè)計(jì)效率低；對(duì)于特別復(fù)雜建筑就很難甚至不可能用這種模式來(lái)做設(shè)計(jì)。而如果應(yīng)用Rhino來(lái)做建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這些問(wèn)題就迎刃而解。將建筑模型、建筑平面圖都導(dǎo)入到同一個(gè)Rhino模型當(dāng)中。在平面圖中討論結(jié)構(gòu)方案，結(jié)構(gòu)方案確定后在三維模型中進(jìn)行結(jié)構(gòu)建模。建筑模型與結(jié)構(gòu)模型無(wú)縫對(duì)接，最大程度地減少了由于圖紙表達(dá)、理解而引起的設(shè)計(jì)錯(cuò)誤。

對(duì)空間復(fù)雜的建筑而言，專(zhuān)業(yè)間的碰撞檢查是很難在平、立、剖面圖中進(jìn)行的。如果用revit等大型BIM軟件來(lái)進(jìn)行碰撞檢查成本很高，建一個(gè)Revit模型工作量很大，而且revit對(duì)電腦配置要求很高。相對(duì)而言，在Rhino中進(jìn)行碰撞檢查就容易很多，建筑結(jié)構(gòu)模型都可以從其他軟件中導(dǎo)入，工作量很小，Rhino對(duì)電腦配置要求也低，運(yùn)行很快。碰撞發(fā)現(xiàn)問(wèn)題可以直接在Rhino中對(duì)模型進(jìn)行修改，然后導(dǎo)出到原來(lái)的模型當(dāng)中，非常方便。尤其適合方案、初步設(shè)計(jì)階段的碰撞檢測(cè)。

2 支持點(diǎn)、線、面、體等不同類(lèi)型的幾何體

在CAD軟件中最常用的圖元是點(diǎn)、線。而Rhino中不僅有點(diǎn)、線還有面、網(wǎng)格、體。不同類(lèi)型的幾何體之間可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，相互運(yùn)算。比如，線拉伸可以生成平面，面拉伸可以形成體；面與面之間相交運(yùn)算可以得到直線，線與面之間相交運(yùn)算可以得到點(diǎn)。以一個(gè)簡(jiǎn)單的坡屋面屋頂為例，介紹Rhino中建模的過(guò)程。

圖1 某小學(xué)體育館sketchup模型

圖1 為某小學(xué)的體育館sketchup模型，建筑屋面為三個(gè)面組成的剖屋面，屋面采用網(wǎng)架結(jié)構(gòu)。輕鋼屋面在結(jié)構(gòu)完成面之上依次有檁拖，主、次檁條，建筑的面層。這樣做下來(lái)建筑完成面與結(jié)構(gòu)完成面之間會(huì)有600mm左右的高差，再加上結(jié)構(gòu)上弦桿件本身的厚度，結(jié)構(gòu)中心線到建筑完成面之間有750mm的垂直距離。坡屋面建模的第一步是結(jié)構(gòu)找型，即對(duì)建筑模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化處理，找出結(jié)構(gòu)中心線所在的面（下文簡(jiǎn)稱結(jié)構(gòu)中心面）。

如果用傳統(tǒng)的CAD建模只能靠建筑提供的定位點(diǎn)來(lái)找出建筑屋脊線，然后通過(guò)屋脊線來(lái)定位其他的結(jié)構(gòu)線。這種方法容易因?yàn)閿?shù)據(jù)的精度不夠?qū)е卤緫?yīng)該共面的直線不共面。本應(yīng)該共面的線不共面了，它們之間就沒(méi)了交點(diǎn)。這樣的線模型導(dǎo)入到有限元軟件中會(huì)導(dǎo)致原本應(yīng)該交匯在一起的兩個(gè)單元沒(méi)有共節(jié)點(diǎn)，進(jìn)而導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果偏離真實(shí)值。

在Rhino中有了面的概念，可以根據(jù)建筑圖來(lái)建立建筑屋面，甚至可以直接把建筑模型導(dǎo)入進(jìn)來(lái)，提取建筑屋面。Rhino中還可對(duì)面進(jìn)行曲率檢測(cè)，更好地判別一個(gè)面是曲面還是平面，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，可以及時(shí)地修改調(diào)整。建筑屋面建立完成后可以通過(guò)曲面的偏移，準(zhǔn)確地求得結(jié)構(gòu)中心面。在這個(gè)面上進(jìn)行結(jié)構(gòu)線的布置，可以保證建立出來(lái)的線都在這個(gè)面上，杜絕兩條本應(yīng)該相交的線卻找不到交點(diǎn)的情況。

3 操作簡(jiǎn)單，可視化強(qiáng)

Rhino中提供多種操作方式，除了像CAD一樣用用命令操作外，很多命令還可以通過(guò)操作軸來(lái)實(shí)現(xiàn)。操作軸可以實(shí)現(xiàn)物體的挪動(dòng)、復(fù)制、拉伸、旋轉(zhuǎn)。命令與操作軸結(jié)合使用，很方便。建立空間結(jié)構(gòu)模型經(jīng)常需要調(diào)整模型視角，CAD中有旋轉(zhuǎn)但是旋轉(zhuǎn)很慢，大一點(diǎn)的模型旋轉(zhuǎn)容易死機(jī)。Rhino中可以輕松的實(shí)現(xiàn)俯、仰、前、后、左、右視圖及三維視圖相互切換。還可以同時(shí)打開(kāi)多個(gè)視口。視角多樣化，建模很方便。

圖2 投影法求得的結(jié)構(gòu)控制線

Rhino中建模操作方法多樣化，在找好的結(jié)構(gòu)中心面上建立結(jié)構(gòu)線有多種方案。一種是先找準(zhǔn)結(jié)構(gòu)線的起點(diǎn)和終點(diǎn)，然后在點(diǎn)與點(diǎn)之間拉線。第二方法是在建筑平面圖中畫(huà)好結(jié)構(gòu)線，然后把畫(huà)好的線投影到結(jié)構(gòu)面上。這樣的方法更適合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師的思路，先在平面圖中定方案，然后再動(dòng)手建模。第三種方法是通過(guò)建立輔助面，通過(guò)輔助面與結(jié)構(gòu)中心面相交運(yùn)算來(lái)得到想要的曲線。

4 與Grasshopper結(jié)合使用，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模

前面的敘述只是Rhino自帶的功能，其實(shí)Rhino最大的魅力在于它的開(kāi)放性。Rhino與插件Grasshopper相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模。還是上面那個(gè)案例，當(dāng)結(jié)構(gòu)線都定了后，接下來(lái)的工作就是在結(jié)構(gòu)線上找出網(wǎng)架上弦節(jié)點(diǎn)，然后按一定的規(guī)律復(fù)制上弦節(jié)點(diǎn)得到我們需要的下弦節(jié)點(diǎn)，最后按規(guī)律用線把這些點(diǎn)連起來(lái)，這樣網(wǎng)架線模型就建完了。這個(gè)過(guò)程看起來(lái)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際操作很繁瑣，大量重復(fù)性的工作。如果模型需要調(diào)整，那么這個(gè)過(guò)程要重走一遍，繁瑣的工作又要重復(fù)一遍。

圖3 Grasshopper建網(wǎng)架程序

如果采用Grasshopper參數(shù)化建模問(wèn)題就簡(jiǎn)單了。在Rhino中找到結(jié)構(gòu)中心面后，所有操作通過(guò)Grasshopper來(lái)完成。通過(guò)Grasshopper的可視化編程，把建立網(wǎng)架的程序編寫(xiě)完，建立網(wǎng)架線模的工作幾乎可以一鍵完成。最重要的是后期如果因?yàn)榻ㄖ蛘咂渌蛐枰{(diào)整。簡(jiǎn)單的修改程序的輸入?yún)?shù)，即可快速的得到新的模型，把大量的重復(fù)工作交給程序來(lái)完成，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)效率大大的提高。Grasshopper建網(wǎng)架程序如圖2所示。

當(dāng)然Grasshopper的功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，借助Grasshopper編程功能，可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)優(yōu)化，可以在Rhino里完成結(jié)構(gòu)的試算，可以實(shí)現(xiàn)Rhino與結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件的無(wú)縫對(duì)接等。Rhino+Grasshopper組合的功能是很強(qiáng)大的，只要編程功底好，任何功能都能實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)

Rhino相比于傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)軟件有兼容性強(qiáng)、支持幾何類(lèi)型多、操作靈活、可視化強(qiáng)等特點(diǎn)。相比于大型BIM軟件具有體型小、對(duì)電腦配置要求低、運(yùn)行速度塊的優(yōu)勢(shì)。Rhino與grasshopper相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì)，可以通過(guò)二次開(kāi)發(fā)無(wú)限的擴(kuò)展Rhino的功能。Rhino是一款強(qiáng)大的三維建模軟件，是一款更適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件。作者結(jié)合實(shí)際案例，分享自己的使用心得，希望能給廣大建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師認(rèn)識(shí)，學(xué)習(xí)Rhino提供參考。