Grasshopper参数化技术：从基础建模到数字设计

参数化技术的兴起由来已久，相关从业者对其的理解也日益加深。从繁复自由的形式到约束关联的逻辑，我们可以从各个维度领略到参数化技术的魅力。参数化技术反映了当下建筑设计实践中重要的思潮和操作手段，参数化技术的普及与发展也有效回应了建筑设计所应承担的环境责任与社会责任等，从而使得技术本身体现出更为宏大的使命。参数化技术的初学者应着眼于夯实技术基础。使用参数化的方法做设计，就是将编程的思维引入设计中，使用算法逻辑来生成模型。这样的设计方法可以将建筑的形态、功能和构造通过算法逻辑来描述，不仅能拓展建筑师对形式的操控能力，也能使建筑设计更为理性、更具适应性。Grasshopper是一个应用广泛的参数化设计平台，采用了图形化编程的设计方法，很多常用算法都被封装在其模块中，并在图形化的界面中进行组合，因此Grasshopper使用简便且效率很高。此外，Grasshopper有众多插件可以将不同的几何建模、物理模拟、性能优化的算法引入其系统，拓展其功能，而且插件数量在快速增加。因此，Grasshopper 是一个在方案创作和日常设计中都非常有价值的工具。本书作为一本讲解Grasshopper参数化技术的书籍，对Grasshopper从参数化建模基础到数字化设计方法进行了全面、系统的演绎，同时结合充分的设计案例解读，力求让读者对参数化建模方法和设计思维有较为深入的理解。本书Part A包括第1~4章，主要讲解Grasshopper的建模方法。Part B包括第5~6章，对参数化建筑性能模拟与优化的方法进行了全面的介绍。Part C包括第7章，对参数化建筑设计案例进行解读，使读者对Grasshopper参数化技术有更深入的理解，并能够举一反三，从而创作出更为优秀、高效的设计方案。本书的主要编写人员包括燕海南、杨艳、曹雅男、王军、杨东来、陈启宁、李家祥、陈瑾民、唐超、金叶宁楌等。在编写过程中参考了相关书籍、网站等的资源，并在书中进行了说明。在此一并表示感谢！由于编者水平有限且时间紧张，本书难免存在错漏之处，恳请相关专家不吝赐教，提出宝贵的建议！如想与编者沟通，请通过电子邮箱(yanhainan2013@gmail.com)联系。编者2021年5月

Grasshopper(简称GH)是一款可视化编程语言，它基于Rhino平台运行，是数据化设计方向的主流软件之一，同时与交互设计也有重叠的区域。与传统设计方法相比，GH的*大的特点有两个:一是可以通过输入指令，使计算机根据拟定的算法自动生成结果，算法结果不限于模型，视频流媒体以及可视化方案。二是通过编写算法程序，机械性的重复操作及大量具有逻辑的演化过程可被计算机的循环运算取代，方案调整也可通过参数的修改直接得到修改结果，这些方式可以有效的提升设计人员的工作效率。本书分为三个部分的内容，部分主要讲解Grasshopper建模的相关原理与技巧；第二部分的内容主要讲解建筑采光、辐射、风环境和能耗的相关模拟方法和设计优化流程；第三部分主要解读了相关的参数化建筑设计案例。

Grasshopper(简称GH)是一款可视化编程语言，它基于Rhino平台运行，是数据化设计方向的主流软件之一，同时与交互设计也有重叠的区域。与传统设计方法相比，GH的*大的特点有两个:一是可以通过输入指令，使计算机根据拟定的算法自动生成结果，算法结果不限于模型，视频流媒体以及可视化方案。二是通过编写算法程序，机械性的重复操作及大量具有逻辑的演化过程可被计算机的循环运算取代，方案调整也可通过参数的修改直接得到修改结果，这些方式可以有效的提升设计人员的工作效率。本书分为三个部分的内容，部分主要讲解Grasshopper建模的相关原理与技巧；第二部分的内容主要讲解建筑采光、辐射、风环境和能耗的相关模拟方法和设计优化流程；第三部分主要解读了相关的参数化建筑设计案例。

南京大学的博士，专筑讲坛（https://mp.weixin.qq.com/s/r6Gq8SU_E9b9jR7VUd-_yw）、RAC设计课堂（https://mp.weixin.qq.com/s/00taBx0nYSkgA9N4tJNYrw）和广州观内外机构（https://mp.weixin.qq.com/s/N484A935M-aK7bTVoeT-oQ）的参数建模课程讲师，同时运营了专门讲参数化建模和参数化建筑设计的微信公众号“云犀笔记”和个人网站www.parametric-design.cn

PART AGrasshopper参数化建模与分析

第1章Grasshopper入门2

1.1Grasshopper的用户操作界面2

1.1.1界面介绍2

1.1.2中轴键菜单3

1.1.3预览3

1.2运算器与数据6

1.2.1运算器属性6

1.2.2运算器栏7

1.2.3运算器状态与颜色9

1.2.4数据装载10

1.3Grasshopper工作流及案例演示12

1.3.1设定对象12

1.3.2连线处理13

1.3.3保存与烘培15

1.3.4分割曲线16

1.3.5移动对象16

第2章在Grasshopper中管理数据18

2.1数据管理18

2.1.1树状数据结构18

2.1.2Panel运算器与Param Viewer运算器18

2.1.3数据配对19

2.2List数据管理21

2.2.1List组常用运算器介绍21

2.2.2Sequence组常用运算器介绍23

2.2.3Domain组常用运算器介绍28

2.3高级数据管理30

2.3.1树状数据结构30

2.3.2用于操作数据树的常用运算器介绍33

2.3.3编织案例37

第3章控制Grasshopper中的线与面41

3.1点、向量、平面41

3.1.1点相关运算器介绍413.1.2向量相关运算器介绍42

3.1.3平面相关运算器介绍43

3.2曲线生成与分析45

3.2.1NURBS曲线45

3.2.2曲线的参数化表示46

3.2.3Grasshopper曲线分析——寻找曲线上的点47

3.2.4Grasshopper曲线分析——划分曲线50

3.3曲面生成与分析52

3.3.1曲面的参数化表示52

3.3.2曲面生成相关运算器介绍54

3.3.3Grasshopper曲面分析——寻找曲面上的点57

3.3.4Grasshopper曲面分析——划分曲面58

3.3.5Grasshopper曲面分析——分解曲面58

3.3.6Grasshopper曲面分析——分割曲面59

第4章几何变换62

4.1几何变换的类型62

4.2欧氏变换相关运算器介绍62

4.2.1移动(Move)运算器62

4.2.2旋转(Rotate)运算器和绕轴旋转(Rotate Axis)运算器63

4.3仿射变换相关运算器介绍65

4.3.1投影(Project)运算器65

4.3.2沿物体投影(Project Along)运算器65

4.3.3缩放(Scale)运算器66

4.4其他变换相关运算器介绍68

4.4.1图形映射器(Graph Mapper)运算器68

4.4.2图像采样器(Image Sampler)运算器71

4.4.3实体变形(Box Morph)运算器71

4.5案例演示72

4.5.1嵌板案例演示72

4.5.2干扰元案例演示74

PART B参数化建筑性能模拟与优化

第5章参数化建筑性能模拟分析80

5.1Ladybug气象数据可视化80

5.1.1EPW概念介绍80

5.1.2Ladybug主要运算器介绍81

5.1.3气象数据获取方法83

5.1.4气象数据可视化主要运算器介绍83

5.1.5气象数据可视化案例(以北京市EPW气象数据为例)875.2Ladybug太阳辐射与日照分析89

5.2.1主要运算器介绍89

5.2.2太阳辐射与日照分析案例92

5.3Honeybee构建分析模型95

5.3.1主要运算器介绍95

5.3.2Honeybee构建分析模型的三种方式98

5.4Honeybee Radiance自然采光模拟99

5.4.1主要运算器介绍99

5.4.2自然采光模拟案例104

5.5Honeybee Energy建筑能耗模拟107

5.5.1原理介绍107

5.5.2主要运算器介绍108

5.5.3建筑能耗模拟案例110

5.6Butterfly风环境模拟112

5.6.1原理介绍112

5.6.2主要运算器介绍113

5.6.3室外通风模拟案例116

5.6.4室内通风模拟案例120

第6章参数化建筑性能优化与数据处理123

6.1Galapagos单目标优化工具123

6.1.1背景介绍123

6.1.2运算器介绍123

6.1.3案例演示125

6.2Wallacei多目标优化工具127

6.2.1原理与概念介绍127

6.2.2运算器介绍128

6.2.3案例演示133

6.3Octopus多目标优化工具137

6.3.1原理与概念介绍137

6.3.2运算器介绍138

6.3.3案例演示141

6.4Design Explorer数据处理与可视化工具144

6.4.1原理与概念介绍144

6.4.2运算器介绍145

6.4.3案例演示147

PART C参数化建筑设计案例解读

第7章参数化建筑设计案例解读154

7.1基于风环境优化的街区尺度建筑布局研究——以湿热地区为例

7.2基于三维Voronoi的住宅建筑形体优化设计研究165

7.3基于光热性能优化的南京市动态建筑表皮设计研究172

Grasshopper(简称GH)是一款可视化编程语言，它基于Rhino平台运行，是数据化设计方向的主流软件之一，同时与交互设计也有重叠的区域。与传统设计方法相比，GH的*大的特点有两个:一是可以通过输入指令，使计算机根据拟定的算法自动生成结果，算法结果不限于模型，视频流媒体以及可视化方案。二是通过编写算法程序，机械性的重复操作及大量具有逻辑的演化过程可被计算机的循环运算取代，方案调整也可通过参数的修改直接得到修改结果，这些方式可以有效的提升设计人员的工作效率。本书分为三个部分的内容，部分主要讲解Grasshopper建模的相关原理与技巧；第二部分的内容主要讲解建筑采光、辐射、风环境和能耗的相关模拟方法和设计优化流程；第三部分主要解读了相关的参数化建筑设计案例。

南京大学的博士，专筑讲坛（https://mp.weixin.qq.com/s/r6Gq8SU_E9b9jR7VUd-_yw）、RAC设计课堂（https://mp.weixin.qq.com/s/00taBx0nYSkgA9N4tJNYrw）和广州观内外机构（https://mp.weixin.qq.com/s/N484A935M-aK7bTVoeT-oQ）的参数建模课程讲师，同时运营了专门讲参数化建模和参数化建筑设计的微信公众号“云犀笔记”和个人网站www.parametric-design.cn

6.2Wallacei 多目标优化工具

6.2.1 原理介绍与概念定义

Wallacei（包括 Wallacei Analytics 和 Wallacei X）是一款基于遗传算法的多目标优化插件。用户可通过使用其附带的一系列分析工具以及包括算法聚类在内的各种综合选择方法，在 Grasshopper 3D 中运行进化模拟，并且实时地了解优化过程。Wallacei 为用户提供了集成多种功能的优化后处理分析模块，包括从种群中选择方案、重建和输出多种图表类型等。

Wallacei 开发团队主要由 Mohammed Makki、Milad Showkatbakhsh 和 Yutao Song 三位人员组成。而 Wallacei 的插件名字来源于 Alfred Russell Wallace，这是一位几乎和达尔文同时提出进化论的人物，由于历史上的种种原因当今人们更加记住了达尔文的名字。而该插件的开发团队则以命名的方式纪念这位进化论方面的先驱（图 6.2-1）。

Wallacei 当前的版本为 Wallacei V2.65，适配 Rhino6 使用。以下为 Wallacei 的官网及插件下载网址：

https://www.wallacei.com/

https://www.food4rhino.com/app/wallacei

6.2.2 主要运算器的输入与输出

(1) Wallacei X185

Wallacei X 是运行多目标优化计算的运算器，如下图 6.2-2 所示。Wallacei X 分为输入和

输出两部分，输入部分主要包括设计参量、优化目标、数据等；输出部分包括各代基因数据、

方案适应度、输出不同图表数据等(图 6.2-3)。 

当前生态建筑与数字建筑不断被人提及，逐渐成为当下热门的研究方向。很开心看到这方面的书籍出版，我愿意推荐这本书给大家。 --犀牛参数化平台创办者 白云生本书深入浅出地介绍了Grasshopper参数化技术以及相关应用案例，对于数字建筑领域而言是不错的入门书籍，值得推荐给广大读者。 -- 新加坡国立大学设计与工程学院建筑与环境系 严珂