周 兴

中建不二幕墙装饰有限公司 湖南 长沙 410007

随着社会的发展，建筑材料和营造技术取得了极大的进步，使得人们对建筑的需求从原始的功能需求过渡到审美需求上。审美需求极大地激发了建筑师的设计灵感，使得当前城市涌现出许多有别于传统建筑形式的异形建筑，其复杂的建筑造型在给我们带来美的享受的同时，也给幕墙行业带来了新的设计思潮和技术革新，相关的生产方式和生产工具也有了极大的更新[1-5]。参数化设计便是其中之一。

本文探讨的参数化设计是基于Grasshopper（简称GH）平台上的幕墙设计应用，旨在为幕墙设计提出一种能兼顾建筑找型和机械制造的参数化设计方法。

1 Grasshopper参数化设计原理

1.1 工作原理

Grasshopper是基于Rhino（犀牛）软件的一款参数化设计软件。通过Rhino软件将建筑形体转化为Nurbs（非均匀有理B样条）曲面或者是Mesh（网格）三维模型，然后通过GH获取建筑造型的相关控制参数，将所有建筑信息具象分解为点线面等数学对象，如风荷载可以转化为带方向的矢量等。通过提取相关对象的数学属性，根据一定的构造逻辑，串联起GH平台封装完的代码模块（即小电池），进行参数化设计。例如，可以获取幕墙面与水平面的夹角，来驱动幕墙龙骨的角度。

还可以通过改变源头数据，调整相关参数，实现快速批量处理建模工作。对于幕墙行业的高精度加工方面，可以导出.STEP格式（工业产品交互标准），对接CNC加工中心，实现高精度无纸化加工。

参数化设计可以将所有的设计过程保留下来，过程中所产生的数据，可作为其他相关工作的依据，为过程中的外部数据导入与导出、方案变更以及工作协调提供合理的接口。

1.2 参数化设计步骤

Grasshopper参数化设计在幕墙上的运用主要分为建筑找型和高精度加工这2个方面。综合可分以下5步：

1）数据分析：获取建筑外表皮上的相关控制参数，如倾角、夹角、坐标点等。分析这些数据，确定驱动参量，然后根据幕墙施工图，确定相关做法。

2）模图处理：根据步骤1确定相关方案并整理模图，建立相关图层管理体系，简化无用的截面特征。

3）面板属性处理：根据步骤1中获取的基本数据，以主龙骨为主要定位对象，确定相关构件定位坐标系，确定基础加工特征，如孔位等，并以用户字典的形式存储到相应的面板中，以备后期调用。

4）龙骨放样：调用面板中存储的定位坐标系，根据图纸，将相应龙骨截面定位到空间位置上，然后通过挤出功能即可得到龙骨的实体模型。相应的实体构件，由程序自动生成唯一编码，编码应包含龙骨型号、面板编号、自身流水号等。

5）模型使用：可以利用模型辅助测量放线，批量导出构件加工图以及幕墙装配明细，对接CNC数据中心，利用Naviswork软件进行多专业交互等（图1）。

图1 幕墙参数化设计流程

2 项目实例

根据以上介绍的原理和步骤，下面将对多角度组合体实例项目的参数化设计进行研究和探讨。

2.1 项目背景

本项目位于上海市浦东新区，东至A0201地块边缘，南至海洋一路，西至规划HY-1路，北至海港大道生态防护绿地边界线，总建筑面积约146 731 m2。建筑体量上分为1个裙楼和3个塔楼，其中裙房3、4层以上为塔楼部分。建筑外形呈晶体造型，3个塔楼共计48个倾斜面，极具现代气息。

由于本工程的建筑形体为多角度拼接的晶体形式，在室内外方向存在内外倾角，水平方向扭转，存在水平夹角，在设计过程中存在多种角度组合的情况。因此，本工程采用了专业三维软件Rhino＋Grasshopper进行程序式设计，施工时严格按照设计提供的Rhino模型控制最终的幕墙分格和定位图。利用BIM技术使整个工程得以顺利施工（图2）。

图2 项目效果图

2.2 项目实施

根据以上介绍的原理和步骤，本项目可通过以下步骤实施。

2.2.1 数据分析

对于多角度晶体，水平和竖直方向存在多种角度组合这一情况，对幕墙表皮进行优化和数据分析，对面板的水平倾角和水平夹角2个参量进行分析和统计，针对数据范围的分布情况，将塔楼水平倾角角度分为69°、81°、88°、90°、94°、99°共6个区域，每个角度涵盖±2.5°的区域范围，将塔楼水平夹角角度分为88°、90°、92°共3个区域，根据所得的角度范围，快速进行角度组合，合理划分型材角度范围，优化型材种类和节约开模成本。

关于驱动参量的选取，由于本项目幕墙面在水平方向和竖直方向均存在夹角，水平方向的转角（即水平夹角）影响竖向型材的角度选模。如立柱，水平夹角可以用正视方向（立柱方向平行正东、正西等地理位置上的正视方向）与幕墙面所成的夹角求得，根据分析的结果，立柱共开有88°、90°、92°三个角度；竖直方向倾角（即水平倾角）影响横向型材的角度选模，如横梁，水平倾角可以用水平面（世界坐标的xy平面）与幕墙面所成的夹角求得，共开有69°、81°、88°、90°、94°、99°六个角度。关于折线位置的面板，由于面板被分为上下两部分，各自有着不同的水平倾角和水平夹角，需要对它的参数进行区分，将水平夹角和水平倾角分别输入相应的程序中，通过判断语句得到相应的型材模号，完成多角度组合的选模工作。

2.2.2 模图处理

处理施工节点和型材模图。将施工节点进行简化，去掉辅材图元，简化型材模图的截面，按照模号以图层的方式进行管理。将幕墙定位信息、孔位信息、物料属性等信息以用户字典的形式存储到相应的型材截面中。

2.2.3 幕墙面板属性的处理

在获取基本的建筑信息后，需要结合设计图纸，提取各个幕墙构件的空间定位，即空间坐标，对于前期能够确定的工艺特征，如避位、孔位以及一些辅助手段也将与定位坐标一起存储到相应的面板中。

这些数据的获取是一个动态的过程，并且是不断更新的，过程中有很多外部数据的导入，更多的数据是来自建模过程中适配产生的。

2.2.4 幕墙构件放样

参数化的本质就在于求同存异，一个项目形体再复杂，系统再繁多，总有相同或相似的地方，大到系统面板，小到幕墙构件，总能找到他们的共同点。本项目幕墙共分为两大类，即标准平板和折线单元，分别编制了2套程序。根据幕墙的构成，将其分解成单个构件，即横梁、立柱等，每个构件都有相应的程序。

Grasshopper独特的数据结构机制，可以让我们批量处理建模工作，每个程序都有很强的普适性，后期直接替换源头数据即可生成相应的幕墙构件，减少重复编程工作。Rhino高精度的表达能力，能够使模型达到LOD500的等级，满足幕墙构件的高精度加工要求。

3 成果运用

3.1 批量生成加工图

本工程通过对幕墙面与水平面之间夹角的分析，对幕墙进行分区，根据幕墙区域划分，可以快速地区分相似的构件，只需对其中的一个构件进行加工图处理，把变值做成参量，将其当成模板，后续利用程序按照模板中所需参量从模型中批量导出，所有构件的加工图均可以一图一表的形式提供给加工厂。

3.2 仿真加工

对于精度要求高的复杂部位，即便是建立了实体模型，也很难将模型中的铣切信息用二维的CAD图纸表达出来。对此类情况，我们利用Grasshopper将生成好的构件批量导成.STEP格式，再通过CAM仿真加工模拟，对于构件上的连接孔位以及避位等，可以直接从模型读取相关信息，无需在型材加工图中体现，减少了工作量，最后运用CNC数据中心精确机加工，并进行铣切特征校核，保障加工精度要求。

3.3 测量放线

本工程在测量放线上也是一个难点，塔楼倾斜面和多面交接处相贯位置多，裙楼整体外轮廓长达约780 m，且立面整体由各外倾及内倾斜面拼接组成，立面造型变化多，立柱长度不一，控制点位多。为了保障安装定位的准确性，利用全站仪建立严密的控制网。根据建设方或总包提供的起始点，建立首级平面控制网，在首级控制网上进行控制点的二、三级加密，高程采用四等水准布控，在二、三级控制网布设好后，应先对主体钢结构及土建结构进行复测，利用全站仪对土建钢架、结构柱、墙面、钢结构柱和梁的特征点位进行复测。根据实际的空间坐标点测量数据再返回到模型中，对模型进行调整，建立现场真实的三维可视化模型。实体模型上附带的大量坐标定位信息，可以给现场测量人员提供与实际相符的三维坐标点数据，便于现场测量人员精准放线，控制幕墙精度，同时也为幕墙后续下料加工提供设计依据。

3.4 安装模拟

本工程存在大量的异形单元体，这些特殊的异形单元板块在吊装时由于受力不均，可能导致板块接缝处出现“炸口”现象。针对此问题，我们通过BIM技术对异形构件进行信息化预拼装，通过受力计算分析找出最佳吊点，进行方案模拟吊装。方案可行性通过后，在车间进行单元板预拼试吊装，满足要求后，方可大批量加工生产。对于现场安装，我们利用BIM可视化进行模拟，合理优化吊装方案，特别是转角部位的吊装顺序。

4 结语

本文首先简要介绍了当前建筑幕墙行业的形势，阐述了参数化设计的原理以及运用的软件，并详细介绍了幕墙参数化的实施步骤。结合一个晶体造型项目工程的参数化实施，初步得到一种基于Grasshopper平台上的幕墙参数化设计方法。该方法具有以下特点：

1）强大的自由造型功能能够满足当下日益复杂的建筑形体的表达。

2）Grasshopper结合Rhino能够满足幕墙行业的高精度加工要求。

3）Grasshopper的数据结构功能能够批量地处理设计工作，实现设计自动化。

4）Grasshopper将建筑资料具象为数字化，极大地增强了幕墙设计的普适性。