1. 介绍
自 20 世纪 80 年代末和 90 年代以来，建筑业出现了一次转变，一种新的建筑设计方法开始出现，其中人们更喜欢可变和自适应的形式，而不是传统的刚性形式的简单重复。
鉴于这些新的要求，相较于显式建模技术，这种生成算法建模技术更加高效。 此外，启发式设计和数值分析法已变得越来越紧密，以便对结果进行性能优化 (Schumacher [6])。
虽然现在已经有一些用于结构分析的参数化工具，例如 Grasshopper 的 Karamba3D 插件 (Preisinger {%!#Refer [4]]])，但它们通常无法提供与商业有限元软件一样稳健；因此仍然需要使用商用的有限元软件进行重新分析。
出于这些原因，作者与 Bollinger + Grohmann 合作开发了一个新的 Grasshopper 插件，以便为有限元商业软件 RFEM 5 生成有效的参数化接口。 该插件称为参数化有限元工具箱 (Apellániz {%!
2. 工作流程
使用 API 可以启动一个新的 RFEM 应用程序，但是工具箱的编译方式使得必须有正在运行的 RFEM 模型才能与之交互。 本部分根据数据从 Grasshopper 到 RFEM 反向传输或涉及附加功能，介绍使用工具箱的工作流程。
2.1.从 Grasshopper 到 RFEM 的工作流程
大多数工具箱组件都引用一个特定的 RFEM 对象。 图 3 显示了在 Grasshopper 中定义杆件对象并将其导出到 RFEM 的过程。 大部分对象组件都需要 Grasshopper 的几何形状和一些基本信息，例如截面编号。
更多高级的可选输入参数，例如杆件类型、铰等，可以通过可扩展菜单进行显示。 该对象是在 Grasshopper 内部创建的，因此这一步不需要连接 RFEM。 其属性可以在 Grasshopper 面板中显示，也可以在 RFEM 参数中设置。
为了将数据导出到RFEM，需要将这些对象插入到“设置数据”组件中，并将“运行”参数设置为真。 使用显式组件导出的优势在于，现在可以将导出到 RFEM 中计算成本相对较高的过程集中在一个步骤中完成。
用户可以使用“索引”- [SCHOOL.INSTITUTION]
2.2.从 RFEM 到 Grasshopper 的工作流程
同样的，数据可以从 Grasshopper 导入 RFEM 通过“获取数据”组件，只需指定要导入的对象的种类。 如果不是某种类型的所有现有对象都应该被导入，用户可以使用带有几个可用参数的筛选组件来指定要导入的确切对象，从而减少所需的执行时间。
导入的对象可以使用相同的对象组件进行分析，但是在“反汇编”模式下，这样不是从特定的输入参数创建 RFEM 对象，而是从特定的输入对象获得对象属性。 也可以通过将 RFEM 对象导入 Grasshopper 容器，将其直接转换为 Grasshopper 几何体。 我们将在 3.3 和 3.5 节中进一步介绍该工作流程。
也可以将计算结果从 RFEM 导入到 Grasshopper 中，通过“计算结果”和“优化截面”组件。 这对于使用 Rhino 的可视化选项来显示这些结果，并使用 Grasshopper (Rutten {%!#Refer [5]]]) 中提供的任何演化求解器进行可能的结构优化可能是有趣的。结果作为适应度函数，原始输入参数作为基因。
所有对象组成部分都有一个修改菜单，使用该菜单可以在优化环中修改 RFEM 对象的属性。 尽管与使用在 Grasshopper 插件（例如 Karamba3D）中编译的有限元求解器的类似方法相比，这种优化工作流程的计算成本更高，这些插件不需要从外部应用程序导出和导入数据，但是当需要高级计算选项和基于代码的检查时，它仍然是一个有意义的方法。必要。
2.3.附加功能
目前，除了这种基于对象的逻辑之外，还提供了一些工具箱功能：
- 拉伸杆件： 通过一个组件，可以在 Grasshopper 中获得杆件对象的3D形状，如图4和图9所示。 可以是NURBS和网格单元形式的输出几何。
- LCA的输入： 通过一个单独的组件，可以根据分配的材料细分所有 RFEM 对象的质量和几何形状，这可以作为如第 3.5 节中所述的 RFEM 模型生命周期评估的输入。
3. 项目
3.1.码头桥
下图所示的人行桥位于布鲁塞尔，是由钢板相互连接组成的结构。 对这种复杂的几何形状进行的建模不是使用实际的计算软件 RFEM，而是使用 Rhinoceros，因为 Rhinoceros 在定义曲线和面单元相交等方面功能更加强大。
为了避免相邻面的边界线重复，在 Grasshopper 中检查了模型几何形状，这些边界线具有完全相同的定义控制点。
尽管 RFEM 具有从 Rhino 模型导入几何文件的标准功能，但是使用工具箱不仅可以导入几何元素，还可以导入具有力学属性甚至荷载的实际结构元素。
3.2. My-Co 凉亭
该研究项目的结构体系是胶合板网壳。 这种自由曲面结构的计算模型是在 Grasshopper 中定义的，这为极大地加快了建模过程提供了以下好处：
- 在计算壳结构时，需要将杆件定义为线性单元，而不是建筑模型中的面和体积单元。 该转换任务是通过 Grasshopper 中的参数化算法自动完成的，因此 RFEM 模型的输入几何形状已经在 Grasshopper 中定义。
- 然后可以对导入的几何形状进行分析和预处理。 杆件的方向也可以在 Grasshopper 算法中自动定义。
- 风荷载的定义也在 Grasshopper 中进行，以便自动定义荷载扇区甚至荷载值。 该工具箱还考虑了 RFEM 中杆件局部坐标轴的未来方向，因此荷载值可以根据正确的方向来定义为正值或负值（注意施加的荷载蓝色和紫色选项卡在图8中的颜色）。
- 在 Grasshopper 中也会自动定义节点支座的方向，这样沿右轴的反力可以用于设计底板的连接。
3.3. ArcelorMittal Headquarters
ArcelorMittal 总部的建筑结构大部分为外露钢结构。 在该项目中，在从 RFEM 到 Grasshopper 的方向上使用了工具箱（见章节 2.2），以便对如此大型结构的计算结果进行分析和筛选，并且不仅可以正确地可视化计算结果，而且可以钢杆件，以便设计连接构件并为计算报告生成可视化渲染（见第 2.3 节）。
3.4.莱比锡红牛体育场扩建
莱比锡红牛体育场的扩建工程是一项复杂的工程，因为在规划新的建筑构件时必须要考虑到现有的结构（见图 6）。 因此，新增加的基础设计为微型桩，几乎所有的桩都有不同的倾角，以便不影响现有的基础构件和隧洞。
微型桩是在包含了现有结构的 Rhino 模型中定义的，然后导入到 RFEM 中。 该工具箱允许通过 Grasshopper 平面自定义节点支座的方向，与通过方向角度定义节点的标准工作流程相比，这可以说是一种更加用户友好的方法。
3.5. Multi-Modal Optimizations
最后，必须指出的是，该 Grasshopper 插件可以与其他现有的 Grasshopper 插件结合进行多模态设计和优化。 图 11 显示了使用参数化 FEM 工具箱和 Grasshopper 集成的一次点击生命周期评价 (Apellániz, Pasanen and Gengnagel) 对柏林的一座办公楼的结构体系进行的多振型优化]）。
4. 概述总结
在可视化编程环境中实现结构分析工具，已经以 Grasshopper 插件的形式成功地在设计过程中实现。 然而，参数化 FEM 工具箱并不为 Grasshopper 提供有限元求解器，但它建立了与有限元程序 RFEM 的连接，在那里进行结构分析。
虽然这种方法计算成本较高，但是具有强大的商业有限元软件的功能。 此外，我们还使用了成熟且广泛使用的分析软件，进行同行评议。 到目前为止，作者还不知道有任何其他 Grasshopper 插件可以像本文介绍的那样实现有限元程序的 API。
参数化有限元工具箱自发布以来，已经证明了其在众多项目中改进设计过程的能力。 不仅是通过算法生成的几何形状 (Preisinger et al. [3])，它还广泛用于非标准结构项目。
自发布以来，用户的反馈对软件的进一步开发产生了巨大的影响。 此外，RFEM 的软件制造商德儒巴也与您联系，为 RFEM 未来版本的 API 开发提供反馈。 为了保证软件的稳定性，并为用户提供一个功能强大的设计软件，
作者
Diego APELLáNIZ
B+G Ingenieure Bollinger und Grohmann GmbH；
Alt-Moabit 103, 10559 Berlin；
[email protected]