作者：Dixon

McNeel Asia 技術(shù)支持

Rhino 中國技術(shù)支持與推廣中心負責(zé)人

Shaper3d（西普設(shè)計咨詢）聯(lián)合創(chuàng)始人

Rhino原廠GH課程與開發(fā)負責(zé)人

前言

Kangaroo能做什么

Kangaroo力學(xué)模擬插件是Grasshopper參數(shù)化設(shè)計軟件里一個備受關(guān)注的插件，一個重要的原因就是現(xiàn)在建筑學(xué)當(dāng)中很多用傳統(tǒng)方法比較難處理的部分，例如， 能夠貼合曲面形狀的規(guī)格化零件，所謂規(guī)格化即是讓每一塊零件的形狀是相同的，例如相同幾何形狀的鋁板或者玻璃，或者相同長度的鋼結(jié)構(gòu)。規(guī)格化問題對于實際建造有非常重要的作用，一方面規(guī)格化的幾何形體可以美化造型，另外一方面規(guī)格化的幾何形體也利于工廠的批量化加工生產(chǎn)，顯著降低建造成本，以及施工環(huán)節(jié)的管理復(fù)雜度，使得一些前衛(wèi)卻難以建造的建筑設(shè)計方案得以實施。

對于規(guī)格化的優(yōu)化工作，Kangaroo是一個很重要的解決工具，他通過設(shè)計力學(xué)平衡的方法來達到幾何形體的規(guī)格化優(yōu)化，能快速和有效的解決其他方法難以處理的這一類問題。

對于Kangaroo的學(xué)習(xí)，我們認為剛開始用戶可以多分析一些常用材料的力學(xué)特性，模擬一些常見材料的特性，建立熟悉力學(xué)的分析方法和規(guī)則，并再過程中熟悉軟件的使用。而后可以嘗試把這種力學(xué)平衡觀念用于實際建筑學(xué)的幾何優(yōu)化當(dāng)中。

以下這篇小教學(xué)就是針對鋼絲材料的一個分析和模擬過程，適合對Kangaroo有一點使用經(jīng)驗的用戶，要求用戶知道Kangaroo軟件的用法和基本規(guī)則。但即使你是初學(xué)者，也可以通過這個小教學(xué)了解軟件使用過程中的思維分析過程，畢竟參數(shù)化設(shè)計過程中最重要的還是思路。

鋼絲材料的模擬

最近我們的學(xué)員群里有同學(xué)在研究如何使用Grasshopper的Kangaroo力學(xué)插件模擬圖片上這種類似鋼絲材料的彎曲效果。我們也花了點時間做了一下，程序挺簡單，效果挺有趣。因此我們把這個小程序的制作過程做簡要介紹，希望對正在學(xué)習(xí)Kangaroo物理學(xué)插件的朋友有一點幫助。感興趣的朋友也可以關(guān)注Rhino原廠開設(shè)的Grasshopper參數(shù)化設(shè)計課程。

教學(xué)

材料特性分析：對于鋼絲材料，它有一個明顯的特性就是容易彎曲，并且彎曲過后可以回彈（回復(fù)原始形狀）。因此我們主要從彎曲的角度來模擬材料的力學(xué)特性。需要用到Kangaroo里面的bend 工具。但bend工具的使用方法較為繁瑣，在實體課程中會有較為詳細的介紹。在本篇教學(xué)中我們直接使用基于bend工具打包好的PolyLineBend工具，PolyLineBend工具用于模擬常見的線形材料的彎曲特性，使用方法較為簡單。

首先我們需要生成一根直線（line），將這根直線作為一跟初始的鋼絲進行模擬，在line中點右鍵，點擊跳出菜單中的 set one line ，然后在Rhino的Front視圖中畫一根水平線，如圖所示。

然后我們需要將這根直線處理為內(nèi)部很多點連接成的多重直線，為什么呢？因為在力學(xué)模擬計算中，為了模擬材料受力之后的形狀，需要深入到“微觀”來處理：需要在原始材料的幾何形狀上設(shè)置很多點，并計算這些點受力之后的新的位置，最后把這些點按照原來的連接方式重新還原成生成幾何形體，從而得到整個材料受力之后的形狀。

??對于這根鋼絲也是一樣，需要在形體上找到很多點，并連接成多重直線（多重直線反映了這些點的連接順序）。所以在這里我們首先把曲線等分為30段，然后把生成的點重新連接成多充直線，如下圖所示。

接下來把多重直線接入 PolyLineBend 的PolyLine端口， BendStrength是定義材料的回彈力度，對于鋼絲來說，他的回彈力度還是比較大的，所以我們設(shè)置為1000（默認值為100），

AngleFactor是設(shè)置材料的原始彎曲角度，他是一個比例值，0表示筆直，也即是說這跟材料在不受外力的情況下會恢復(fù)為筆直的形狀。如下圖所示。這樣材料彎曲力就定義好了。

接下來將設(shè)置好的彎曲力接入Kangaroo的力學(xué)計算核心模塊，如圖所示：

在材料彎曲特力設(shè)置好之后，我們需要在給材料定義一個更加基本的力:Springs(彈性力)。需要強調(diào)的是，彈性力是任何材料的一個最基本的特性，任何材料都有彈性力，因此對于模擬材料來說，彈性力是必須定義的，如果不定義彈性力，Kangaroo是不能正確計算出結(jié)果的，甚至計算中會出錯。

彈性力大小的理解是很重要的，在本篇教學(xué)中因為不是主要介紹的部分，所以簡要介紹一下，詳細的介紹在我們試題課程和后續(xù)的教學(xué)中會有。

??不同材料的彈性力差異很大，并且可能跟大部分人的認知有差異，例如，您認為一根繩子和一根皮筋，哪一種材料的彈性力大呢？可能很多朋友會認為是皮筋的彈性力大，但恰恰相反，繩子的彈性力遠遠大于皮筋。我們可以這樣理解：例如相同粗細和長度的繩子和皮筋一端都掛了一個重量相同的球體，在靜止的情況下，我們很容易根據(jù)經(jīng)驗想象到皮筋會被拉得比較長，繩子被拉長比較少甚至微乎其微，以至于您認為繩子長度沒有發(fā)生變化。那么分析一下，球體的重量是一樣的，因此對于繩子和皮筋來說他們受到的拉力大小是相同的，在相同拉力的情況下，皮筋被拉長很多，而繩子只是拉長了一點點。說明皮筋彈力小（容易產(chǎn)生伸縮，就像一根很細的彈簧，彈力小，受力容易變形），繩子彈力大（不容易伸縮，就像一根很粗的彈簧，受力變形?。?/p>

簡而言之，如果我們希望模擬的材料的長度不發(fā)生明顯的變化（例如繩子和布料），那么我們需要給材料定義比較大的彈性力。反之如果希望材料有明顯的長度變形特性（例如皮筋和氣球），那么需要定義相對小的彈性力。

在本例中，根據(jù)我們的經(jīng)驗，鋼絲是容易彎曲但是不容易被拉長（幾乎觀察不到明顯的伸縮），因此我們要給予材料的伸縮力比較大，將stiffness改為2000.（本例中默認值1000效果也不錯）

另外我們還需要設(shè)置兩個必須的端口：connection 和 rest length

connection這里必須輸入直線（line），line在這里被定義為一個伸縮力。兩個點之間如果有伸縮力存在，那么這兩個點之間必須連接為line并輸入到connection端口。因此對于這根線性材料，相鄰的點之間存在伸縮力（想想一下鏈條，一個掛住一個，一個拉一個），因此我們需要把前面做好的多重直線炸開變成很多段line，一起輸入到connection中。

rest length代表這些有伸縮力的點之間的初始長度（放松的長度），也即是他們不受到任何外力時候靜止的長度（類似彈簧本來的長度），在這里我們直接把每一根line的長度測出來直接輸入進去，表示當(dāng)前我們看到的這個線性材料的長度就是初始長度。（我們不希望看到模擬后這根材料的長度發(fā)生明顯變化，因此設(shè)置當(dāng)前長度為放松的長度）。

最后把設(shè)置好的彈性力也輸入到Kangaroo的 force objects中（所有的力都匯入force objects中進行力的綜合計算），注意把force objects端口點右鍵，設(shè)置為flatten，確保所有力會混合在一起計算力的平衡。

連接如下：

到目前為止，這根鋼絲的伸縮力和彎曲力特性都設(shè)置好了，但是因為目前這根鋼絲沒有受到外力，而且初始形狀就是筆直的，所以如果現(xiàn)在讓測序開始模擬計算是看不到任何變化的。所以我們需要給他施加一個外力，或者讓它的初始形狀不是直線，那么他才會模擬出對應(yīng)的受力形狀。

我們可以考慮現(xiàn)實情況，如果我么你要把一根鋼絲彎曲要怎么做？是不是捏住鋼絲的兩頭，并且用力彎曲鋼絲頭部的方向，這樣鋼絲就開始彎曲。那么如何在程序中模擬達到我們要的效果呢？

我們可以修改程序中鋼絲兩端的點的位置，以達到改變鋼絲初始兩端的方向的效果，這樣鋼絲在模擬時候就會發(fā)生變形。如下圖所示：

因此，我們需要將鋼絲兩端，每一端的前兩個點，一共4個點找出來，做一些角度調(diào)整，來控制曲線的彎曲。使用如下圖的方式取出這幾個點：

為了簡化控制，在這里我僅對左邊一端做角度控制，控制的方法是，讓左端端的靠內(nèi)部的點圍繞外部的點旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到其他角度即可。如下圖所示：

接下來，我們把左端的兩個點加入一個往右移動的功能，為什么要這樣做呢？因為如果我們保持端點不動，那么如果調(diào)整了左邊點的角度，鋼絲從直線變成曲線，長度就會變長，但是因為鋼絲的伸縮力很大，現(xiàn)實情況下是看不到這么明顯的拉長的，因此如果哦我們不適當(dāng)?shù)淖屼摻z兩端縮小距離，那么后面我們在做彎曲的時候，就看不到正常的鋼絲彎曲的效果。

如下圖示加入了往右移動的程序部分：

到目前為止我們得到了兩端的4個點，并且可以控制左端的兩個點的位置和角度，接下來我們需要把這4個點“釘住”，也就是固定住，讓這4個點在模擬計算的時候不論受到多大的力始終不會動，就好像現(xiàn)實中我們用手捏住鋼絲兩端的點，保持位置和角度不動，這樣鋼絲可以彎曲成固定的形狀。

那么如何定義者4個點的位置不動呢，我么你可以吧這4個點輸入到 AnchorPoints端口中，作為錨點，錨點在物理計算中作為一個固定點來使用，不論多大的力都不會動。但我們可以再程序外部通過剛才寫的旋轉(zhuǎn)和移動的方法控制它的位置，以此來調(diào)整初始時候的鋼絲兩端的角度和位置。連接如下圖圖所示：

這樣基本上材料的特性力和外部彎曲初始控制都設(shè)置好了，最后還一點就是要設(shè)置輸出的幾何體。是什么意思呢？前面說過，Kangaroo計算的只是材料內(nèi)部的點，那么我們要用這些點吧原來的材料形狀還原。因此呢，這里我們需要把那些line輸入到Kangaroo的核心中，Kangaroo會根據(jù)計算的點和line的關(guān)系，自動還原更新形狀后的幾何體，如下連接方式如下：

這樣整個程序就寫好了，最后把不需要看到預(yù)覽的電池的顯示預(yù)覽關(guān)閉，僅僅保留你想要看到效果的幾個電池的預(yù)覽。最后完整的程序如下圖所示：

整個程序并不復(fù)雜，但是這當(dāng)中涉及到的思路的解釋，和Kangaroo定義規(guī)則的說明是很多的。即便是這樣的解釋仍然是不夠系統(tǒng)的，對于初學(xué)者來說仍然會有理解上的難度。

最后做一點處理，將兩個slider集合到一個移動控制面板中，方便后面的效果調(diào)整，在兩個slider上點右鍵，選擇push to remote panel ，然后再菜單的view中選擇 remote conrtol panel，打開浮動控制面板，如下圖所示：

接下來，就可以進行模擬了，雙擊Kangaroo的核心，會跳出模擬控制面板，如下圖所示：

把兩個面板都拖到Rhino界面中，再開始模擬前，或者需要重新模擬前，請務(wù)必確認兩個slider都處在0的位置（原始位置），然后點擊三角形箭頭開始模擬，滑動滑塊，即可以看到對應(yīng)的彎曲模擬效果。

如下圖為幾個不同的彎曲成環(huán)的效果。

演示1

演示2

演示3

演示4

演示5

演示6

關(guān)注Rhino原廠微信公眾號，獲取更多資訊