参数化技术在上海宝山再生能源利用中心造型塔建造中的应用.pdf

智能施工NO.07 2023126智能城市 INTELLIGENT CITY参数化技术在上海宝山再生能源利用中心造型塔建造中的应用王宇浩 黄联滚 高鹏飞 李佳俊（浙江中南建设集团有限公司，浙江 杭州 310000）摘要：上海宝山再生能源利用中心项目的造型塔内部结构与外部装饰大面造型复杂，面板种类较多。在造型塔幕墙系统方案设计、优化、出加工图的过程中大量应用了参数化技术，利用Rhinoceros软件加Grasshopper可视化编程插件实现根据方案图建立符合要求的造型塔双曲面造型图，进行内部钢结构的碰撞检测以及布置龙骨、连接件、连接钢板等自动化操作，代替传统手工操作，节省了人力与时间，提高了作图的精确性。关键词：造型塔；参数化；Rhinoceros；Grasshopper中图分类号：TU741 文献标识码：A 文章编号：2096-1936（2023）07-0126-03DOI：10.19301/ki.zncs.2023.07.041Application of parameterization technology in the construction of styling tower of Shanghai Baoshan Renewable Energy Utilization CenterWANG Yu-hao HUANG Lian-gun GAO Peng-fei LI Jia-junAbstract：The interior structure and exterior decoration of the design tower of the Shanghai Baoshan Renewable Energy Utilization Center project are complex,with a variety of panel types.In the process of designing,optimizing and producing the working drawing of the modeling tower curtain wall system scheme,a large number of parametric technologies were applied.Rhinoceros software and Grasshopper visual programming plug-in were used to establish the Hyperboloid modeling drawing of the modeling tower according to the scheme drawing,carry out collision detection of the internal steel structure,arrange keel,connectors,connecting steel plates and other automatic operations,instead of traditional manual operations,saving manpower and time,Improved the accuracy of the drawing.Key words：styling tower;parameterization;Rhinoceros;Grasshopper参数又称参变量，在数学概念中是为解释因变量与自变量关系而存在的变量形式，重在描述变量之间的关系或变量之间存在的运作形式，能够控制变量之间的变化1。造型各异的建筑设计、建造离不开参数化软件的应用。Rhinoceros软件建立的曲线与曲面具有Nurbs特性，加上Grasshopper可视化编程插件的辅助计算，从建筑外观调整到分格划分，从面板效果排布到龙骨优化，从面板板块的深化到板块的加工制造等过程，均可应用参数化代替传统手工操作，提高工作效率，拓展建造方案，可通过对建筑造型精确控制与内部结构的联动调整，提前在模型上验证思路和方案的可能性与合理性2。新兴的数字设计在设计的想象力和表达能力上都有巨大突破，设计成果在计算机中表达方式的拓展，势必对实体的建造过程提出了新的要求3。收稿日期：2023-04-26作者简介：王宇浩，本科，工程师，研究方向为参数化建模在幕墙建造中的应用。引用本文：王宇浩,黄联滚,高鹏飞,等.参数化技术在上海宝山再生能源利用中心造型塔建造中的应用J.智能城市,2023,9(7):126-128.智能施工NO.07 2023127智能城市 INTELLIGENT CITY1上海宝山再生能源利用中心造型塔建造参数化应用现状上海宝山再生能源利用中心造型塔前期采用参数化操作，利用Rhinoceros软件加Grasshopper可视化编程插件编制了主体钢结构与方案表皮模型碰撞检测、分格划分、表面效果排布、龙骨生成及优化、面板加工图生成五个核心程序运算模块，大幅度减少了手工操作时间，提高了出图效率、图纸的精确度，减少了由于人工操作的失误。造型塔效果图如图1所示。2造型塔建造中参数化软件的应用过程2.1步骤一：造型塔与方案表皮的碰撞检测造型塔的方案表皮与主体钢结构的碰撞检测是所有后续工作的前提，造型塔内部钢结构属于已有结构。在现场造型塔附近用全站仪建立坐标系，再用仪器对造型塔内部钢结构骨架进行扫描，根据扫描后的点云数据，利用Rhinoceros软件重建钢结构模型，将方案表皮模型套进钢结构模型图纸内，对方案表皮的包裹性进行检测，表皮与钢结构距离必须保证表皮背后主龙骨能顺利安装。如果有碰撞现象发生，则根据方案图造型重建表皮模型。造型塔与方案表皮碰撞检测如图2所示。2.2步骤二：对新建表皮进行分格划分如何合理划分面板分格是模型深化的重点，既要符合建筑的美观需求，又要兼顾面板的加工制造工艺4。表皮大面是双曲造型，划分的分格还需要满足尽可能优化成单曲面板或平板进行加工的要求，施工完成以后简洁美观大方，造型上又能保持曲面顺滑流畅无折痕。分格划分会影响面板背后主龙骨的造型，作为幕墙直接与面板接触的第一道主龙骨，要求形状精准，结合成品钢方管的二次加工工艺，包括顶弯、拉弯、辊筒辊弯等弯曲方法，这种情况下就不能有双向曲率，才能保证钢方管弧度精确，施工安装时用全站仪打点安装才能精准。针对以上要求，采用Grasshopper可视化编程插件编写了符合本项目要求的非常规划分分格程序模块。首先选择大面较直的一条竖向边线，作为基线在大面上根据拟定好的距离偏移曲线，再利用延长曲线工具将较短的曲线延长至大面轮廓线。以层高线作为水平面，上述延长后的曲线群与多个水平面相交，可以算出每条曲线上的交点并进行排序。每条曲线上的点彼此连接生成不闭合多段线，在多段线的拐点处打断多段线，生成以层高位置为基点的多段直线。在模型任意位置建立一个可旋转向量，再以多段直线为基准线，以可旋转向量为方向，挤压出多个平面。旋转向量时，注意观察挤压出的平面与大面的交线，交线相互之间顺滑程度满足要求即可停止旋转向量，此交线为面板背后竖龙骨的前壁中心线对应曲线，也是表皮的竖向分格线。既能保证竖龙骨钢方管加工时的单向弯曲性，又能保证竖向分格线在观感上顺滑。连接竖向分格线为一条通长直线，根据拟定的高度方向分缝位置，在每个拟定高度处根据曲线t值生成坐标点，连接同一高度位置的点生成一条多段线，此线即为水平方向分割线。用竖向与水平方向分格线对表皮大面进行分割，能够计算初始面板小板块，根据面板间胶缝的大小，在曲面内向里偏移切割后初始面板小板块的轮廓线，用偏移后的轮廓线再次对初始面板小板块进行切割，生成最终需要的面板板块。2.3步骤三：随机标定板块颜色造型塔一共分为5种面板颜色，在高度方向上在特定高度区域内随机排布，从上到下颜色逐渐加深5。以Z轴坐标加高度方向的高度区间为计算参数，编写对板块颜色进行随机排布的程序模块，为了更容易区别每种颜色，图纸可以用色差较大的颜色来显示。2.4步骤四：深化板块生成面板加工图上述板块全部为双曲板块，直接加工生产，经济资源、时间资源消耗较大。可以对板块进行优化，尽可能把双曲板块优化为单曲板块，单曲板块优化为平板，据此利用Grasshopper可视化编程插件图1造型塔效果图图2造型塔与方案表皮碰撞检测智能施工NO.07 2023128智能城市 INTELLIGENT CITY编写了板块优化、导出加工图程序模块。利用此模块可以把曲率符合要求的双曲板优化为单曲板，小曲率单曲板优化为平板，大幅度提高了板块的生产速度，减少了资源浪费。双曲板优化成单曲板的核心是计算出板块的滚压线，针对曲率较小的双曲板，通常做法是在双曲板块中心点位置计算此位置双曲板块的曲率圆，为了优化后板块更接近原始板块，2个曲率圆取半径较小的曲率圆作为板块的滚压线，以此曲率圆为轮廓线生成一个完整的柱面，再计算出原始双曲板块角点在柱面上的最近点，利用Grasshopper可视化编程插件中的求两点在曲面上的最短距离模块，可算出最终可以加工的单曲面板块轮廓线，对柱面进行裁切可得到最终可以加工的单曲面板。对单曲板块标注板块编号各边长度、滚压线方向、折边角度、角码排布方式，可在加工厂进行面板的加工生产。针对小曲率单曲板，在背后龙骨有曲率的情况下可以按平板进行加工，施工时紧贴龙骨固定，可实现单曲曲率变化6。2.5步骤五：主龙骨优化生成加工图利用已经生成的竖龙骨前壁中心线对应的曲线生成龙骨，表皮大面为双曲，但生成的龙骨要求单曲，难点是如何利用曲线位置面板的法线方向生成一根前壁尽可能平行于双曲表皮的竖向主龙骨，可以理解为竖向主龙骨前壁尽可能平行于双曲面表皮，整体在平行于竖向主龙骨侧壁的平面内弯曲。利用Grasshopper可视化编程插件编写生成立柱与导出加工图的程序模块。首先算出曲线两端点位，用两个端点做一条直线，计算出曲线与相对应直线的最远距离，按工程项目的外观要求设置一个阈值，距离超过阈值的按单向弯曲立柱处理，生成立柱前可以对曲线取特征点，计算出最接近的平面圆弧曲线，圆弧曲线与相对应原曲线偏差较小，可用平面圆弧曲线代替原曲线7。针对单向弯曲立柱，首先将曲线均分为多个点位，具体点位数量可以根据双曲面表皮的区域特性调节，算出每个点位处双曲面表皮的法向，在曲线最底端计算出法向的向量作为Y轴，再取曲线最底端的法线方向作为X轴，用获得的X轴与Y轴生成一个单位坐标平面，对此坐标平面绕Y轴旋转90，可生成一个满足主龙骨立柱要求的单位坐标平面，在此平面上可利用参数画出立柱轮廓线，利用插件中的延曲线挤出工具生成符合要求的主龙骨立柱，利用之前满足主龙骨立柱要求的单位坐标平面，可快速在立柱上定位，开螺栓孔8。生成的立柱用Grasshopper可视化编程插件按立柱位置、编号规律地平放到加工图框中，算出在相应图框里的侧面投影线，对尺寸、弯折点、弧长、半径、曲线长度、特征点曲率等进行标注，即可在加工厂进行加工生产。3结语利用参数化可以对整个建筑进行仿真，只要编制程序模块时思路和逻辑正确，参数化软件能够及时反馈思路与方案的结果。建造上海宝山再生能源利用中心造型塔时，利用Rhinoceros软件以及Grasshopper可视化编程插件，节省了大量的人力、物力，验证了安装方案的可行性，材料加工生产的可行性，提高了材料加工的准确性。幕墙的方案图和深化图、材料的加工生产、现场施工安装等环节，都有参数化软件的参与。随着参数化软件的发展，软件功能的拓展，建筑工程的整个生命周期都可以应用参数化软件。参考文献1 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