Rhino在建筑结构设计中的应用

刘祥南

湖南省建筑设计院有限公司，湖南长沙 410000

随着我国经济水平的发展，建筑造型越来越多样化，建筑内部空间关系越来越复杂。传统的软件已经不能满足复杂建筑设计的要求。Rhino（犀牛）软件，一款用于工业设计的三维建模软件，有着强大的三维建模能力，而且它体积小巧、运行快，对电脑硬件要求低。近几年，Rhino开始应用到建筑行业，深受设计师的喜爱。文章结合作者本人的项目经历，阐述Rhino在建筑结构设计中的应用及其优势。

1 Rhino兼容性强，方便专业间的对接

Rhino兼容性强，可快速导入导出的文件类型近20多种。不仅可以导入CAD图纸，3Dmax、sketchup等常用的建筑三维模型，还可以导入将盈建科、pkpm、midas等结构模型。Rhino强大的兼容性可以实现不同类型文件的汇总，在这里可以轻松地实现建筑设计中不同专业间的三维协调。

传统的结构设计过程是建筑设计师将三维模型以平、立、剖面图的形式来表达，结构工程师根据此图纸来进行结构设计，并完成建模计算。对于复杂建筑来说，这种模式难度大、设计效率低；对于特别复杂建筑就很难甚至不可能用这种模式来做设计。而如果应用Rhino来做建筑结构设计，这些问题就迎刃而解。将建筑模型、建筑平面图都导入到同一个Rhino模型当中。在平面图中讨论结构方案，结构方案确定后在三维模型中进行结构建模。建筑模型与结构模型无缝对接，最大程度地减少了由于图纸表达、理解而引起的设计错误。

对空间复杂的建筑而言，专业间的碰撞检查是很难在平、立、剖面图中进行的。如果用revit等大型BIM软件来进行碰撞检查成本很高，建一个Revit模型工作量很大，而且revit对电脑配置要求很高。相对而言，在Rhino中进行碰撞检查就容易很多，建筑结构模型都可以从其他软件中导入，工作量很小，Rhino对电脑配置要求也低，运行很快。碰撞发现问题可以直接在Rhino中对模型进行修改，然后导出到原来的模型当中，非常方便。尤其适合方案、初步设计阶段的碰撞检测。

2 支持点、线、面、体等不同类型的几何体

在CAD软件中最常用的图元是点、线。而Rhino中不仅有点、线还有面、网格、体。不同类型的几何体之间可以实现转换，相互运算。比如，线拉伸可以生成平面，面拉伸可以形成体；面与面之间相交运算可以得到直线，线与面之间相交运算可以得到点。以一个简单的坡屋面屋顶为例，介绍Rhino中建模的过程。

图1 某小学体育馆sketchup模型

图1 为某小学的体育馆sketchup模型，建筑屋面为三个面组成的剖屋面，屋面采用网架结构。轻钢屋面在结构完成面之上依次有檩拖，主、次檩条，建筑的面层。这样做下来建筑完成面与结构完成面之间会有600mm左右的高差，再加上结构上弦杆件本身的厚度，结构中心线到建筑完成面之间有750mm的垂直距离。坡屋面建模的第一步是结构找型，即对建筑模型进行适当的简化处理，找出结构中心线所在的面（下文简称结构中心面）。

如果用传统的CAD建模只能靠建筑提供的定位点来找出建筑屋脊线，然后通过屋脊线来定位其他的结构线。这种方法容易因为数据的精度不够导致本应该共面的直线不共面。本应该共面的线不共面了，它们之间就没了交点。这样的线模型导入到有限元软件中会导致原本应该交汇在一起的两个单元没有共节点，进而导致计算结果偏离真实值。

在Rhino中有了面的概念，可以根据建筑图来建立建筑屋面，甚至可以直接把建筑模型导入进来，提取建筑屋面。Rhino中还可对面进行曲率检测，更好地判别一个面是曲面还是平面，发现问题，可以及时地修改调整。建筑屋面建立完成后可以通过曲面的偏移，准确地求得结构中心面。在这个面上进行结构线的布置，可以保证建立出来的线都在这个面上，杜绝两条本应该相交的线却找不到交点的情况。

3 操作简单，可视化强

Rhino中提供多种操作方式，除了像CAD一样用用命令操作外，很多命令还可以通过操作轴来实现。操作轴可以实现物体的挪动、复制、拉伸、旋转。命令与操作轴结合使用，很方便。建立空间结构模型经常需要调整模型视角，CAD中有旋转但是旋转很慢，大一点的模型旋转容易死机。Rhino中可以轻松的实现俯、仰、前、后、左、右视图及三维视图相互切换。还可以同时打开多个视口。视角多样化，建模很方便。

图2 投影法求得的结构控制线

Rhino中建模操作方法多样化，在找好的结构中心面上建立结构线有多种方案。一种是先找准结构线的起点和终点，然后在点与点之间拉线。第二方法是在建筑平面图中画好结构线，然后把画好的线投影到结构面上。这样的方法更适合结构设计师的思路，先在平面图中定方案，然后再动手建模。第三种方法是通过建立辅助面，通过辅助面与结构中心面相交运算来得到想要的曲线。

4 与Grasshopper结合使用，实现结构参数化建模

前面的叙述只是Rhino自带的功能，其实Rhino最大的魅力在于它的开放性。Rhino与插件Grasshopper相结合，可以实现结构的参数化建模。还是上面那个案例，当结构线都定了后，接下来的工作就是在结构线上找出网架上弦节点，然后按一定的规律复制上弦节点得到我们需要的下弦节点，最后按规律用线把这些点连起来，这样网架线模型就建完了。这个过程看起来很简单，但实际操作很繁琐，大量重复性的工作。如果模型需要调整，那么这个过程要重走一遍，繁琐的工作又要重复一遍。

图3 Grasshopper建网架程序

如果采用Grasshopper参数化建模问题就简单了。在Rhino中找到结构中心面后，所有操作通过Grasshopper来完成。通过Grasshopper的可视化编程，把建立网架的程序编写完，建立网架线模的工作几乎可以一键完成。最重要的是后期如果因为建筑或者其他原因需要调整。简单的修改程序的输入参数，即可快速的得到新的模型，把大量的重复工作交给程序来完成，结构设计效率大大的提高。Grasshopper建网架程序如图2所示。

当然Grasshopper的功能远远不止这些，借助Grasshopper编程功能，可以实现结构的自动优化，可以在Rhino里完成结构的试算，可以实现Rhino与结构计算软件的无缝对接等。Rhino+Grasshopper组合的功能是很强大的，只要编程功底好，任何功能都能实现。

5 结语

Rhino相比于传统二维设计软件有兼容性强、支持几何类型多、操作灵活、可视化强等特点。相比于大型BIM软件具有体型小、对电脑配置要求低、运行速度块的优势。Rhino与grasshopper相结合可以实现结构的参数化设计，可以通过二次开发无限的扩展Rhino的功能。Rhino是一款强大的三维建模软件，是一款更适合复杂结构设计的软件。作者结合实际案例，分享自己的使用心得，希望能给广大建筑结构设计师认识，学习Rhino提供参考。