Rhino在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用

劉祥南

湖南省建筑設(shè)計院有限公司，湖南長沙 410000

隨著我國經(jīng)濟水平的發(fā)展，建筑造型越來越多樣化，建筑內(nèi)部空間關(guān)系越來越復雜。傳統(tǒng)的軟件已經(jīng)不能滿足復雜建筑設(shè)計的要求。Rhino（犀牛）軟件，一款用于工業(yè)設(shè)計的三維建模軟件，有著強大的三維建模能力，而且它體積小巧、運行快，對電腦硬件要求低。近幾年，Rhino開始應(yīng)用到建筑行業(yè)，深受設(shè)計師的喜愛。文章結(jié)合作者本人的項目經(jīng)歷，闡述Rhino在建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計中的應(yīng)用及其優(yōu)勢。

1 Rhino兼容性強，方便專業(yè)間的對接

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

傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程是建筑設(shè)計師將三維模型以平、立、剖面圖的形式來表達，結(jié)構(gòu)工程師根據(jù)此圖紙來進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并完成建模計算。對于復雜建筑來說，這種模式難度大、設(shè)計效率低；對于特別復雜建筑就很難甚至不可能用這種模式來做設(shè)計。而如果應(yīng)用Rhino來做建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計，這些問題就迎刃而解。將建筑模型、建筑平面圖都導入到同一個Rhino模型當中。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行結(jié)構(gòu)建模。建筑模型與結(jié)構(gòu)模型無縫對接，最大程度地減少了由于圖紙表達、理解而引起的設(shè)計錯誤。

對空間復雜的建筑而言，專業(yè)間的碰撞檢查是很難在平、立、剖面圖中進行的。如果用revit等大型BIM軟件來進行碰撞檢查成本很高，建一個Revit模型工作量很大，而且revit對電腦配置要求很高。相對而言，在Rhino中進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入，工作量很小，Rhino對電腦配置要求也低，運行很快。碰撞發(fā)現(xiàn)問題可以直接在Rhino中對模型進行修改，然后導出到原來的模型當中，非常方便。尤其適合方案、初步設(shè)計階段的碰撞檢測。

2 支持點、線、面、體等不同類型的幾何體

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

圖1 某小學體育館sketchup模型

圖1 為某小學的體育館sketchup模型，建筑屋面為三個面組成的剖屋面，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。這樣做下來建筑完成面與結(jié)構(gòu)完成面之間會有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，即對建筑模型進行適當?shù)暮喕幚恚页鼋Y(jié)構(gòu)中心線所在的面（下文簡稱結(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來找出建筑屋脊線，然后通過屋脊線來定位其他的結(jié)構(gòu)線。這種方法容易因為數(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，它們之間就沒了交點。這樣的線模型導入到有限元軟件中會導致原本應(yīng)該交匯在一起的兩個單元沒有共節(jié)點，進而導致計算結(jié)果偏離真實值。

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

3 操作簡單，可視化強

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操作軸來實現(xiàn)。操作軸可以實現(xiàn)物體的挪動、復制、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，大一點的模型旋轉(zhuǎn)容易死機。Rhino中可以輕松的實現(xiàn)俯、仰、前、后、左、右視圖及三維視圖相互切換。還可以同時打開多個視口。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。一種是先找準結(jié)構(gòu)線的起點和終點，然后在點與點之間拉線。第二方法是在建筑平面圖中畫好結(jié)構(gòu)線，然后把畫好的線投影到結(jié)構(gòu)面上。這樣的方法更適合結(jié)構(gòu)設(shè)計師的思路，先在平面圖中定方案，然后再動手建模。第三種方法是通過建立輔助面，通過輔助面與結(jié)構(gòu)中心面相交運算來得到想要的曲線。

4 與Grasshopper結(jié)合使用，實現(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Rhino最大的魅力在于它的開放性。Rhino與插件Grasshopper相結(jié)合，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化建模。還是上面那個案例，當結(jié)構(gòu)線都定了后，接下來的工作就是在結(jié)構(gòu)線上找出網(wǎng)架上弦節(jié)點，然后按一定的規(guī)律復制上弦節(jié)點得到我們需要的下弦節(jié)點，最后按規(guī)律用線把這些點連起來，這樣網(wǎng)架線模型就建完了。這個過程看起來很簡單，但實際操作很繁瑣，大量重復性的工作。如果模型需要調(diào)整，那么這個過程要重走一遍，繁瑣的工作又要重復一遍。

圖3 Grasshopper建網(wǎng)架程序

如果采用Grasshopper參數(shù)化建模問題就簡單了。在Rhino中找到結(jié)構(gòu)中心面后，所有操作通過Grasshopper來完成。通過Grasshopper的可視化編程，把建立網(wǎng)架的程序編寫完，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為建筑或者其他原因需要調(diào)整。簡單的修改程序的輸入?yún)?shù)，即可快速的得到新的模型，把大量的重復工作交給程序來完成，結(jié)構(gòu)設(shè)計效率大大的提高。Grasshopper建網(wǎng)架程序如圖2所示。

當然Grasshopper的功能遠遠不止這些，借助Grasshopper編程功能，可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的自動優(yōu)化，可以在Rhino里完成結(jié)構(gòu)的試算，可以實現(xiàn)Rhino與結(jié)構(gòu)計算軟件的無縫對接等。Rhino+Grasshopper組合的功能是很強大的，只要編程功底好，任何功能都能實現(xiàn)。

5 結(jié)語

Rhino相比于傳統(tǒng)二維設(shè)計軟件有兼容性強、支持幾何類型多、操作靈活、可視化強等特點。相比于大型BIM軟件具有體型小、對電腦配置要求低、運行速度塊的優(yōu)勢。Rhino與grasshopper相結(jié)合可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計，可以通過二次開發(fā)無限的擴展Rhino的功能。Rhino是一款強大的三維建模軟件，是一款更適合復雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件。作者結(jié)合實際案例，分享自己的使用心得，希望能給廣大建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計師認識，學習Rhino提供參考。