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在这一节

我们将给大家介绍物理模拟

在设计中的意义

以及

Kangroo插件功能的总体介绍

同学们大家好

在本章我们给大家介绍

如何在Grasshopper当中进行物理模拟

这里要用到一个

Grasshopper的插件叫做Kangaroo

Kangaroo的英文的意思是袋鼠

我们下面说明一下

为什么要在设计中引入物理模拟

物理模拟在设计中的意义

在这里我们总结了几条

第一条是生成自然界中的形态

自然界中有很多有趣的

充满动态的空间形式

这些形态往往可以被引入到设计当中

比如说像右边这张图片里边

这种扭曲的柔软的圆柱体的形态

以及下面的这些

好像布料或者皮革的曲面的形态

那么这样的形态充满了有趣的动势

有一些艺术家会使用抛光的金属板

和陶瓷的材料来表现这样的形式

取得了很有意思的艺术效果

因此我们可以说

在数字设计当中引入物理模拟

对大家的设计是一种很有意义的拓展

第二个我们说引入物理模拟

可以形成符合力学原理的空间结构

右边这张图是一个

建筑尺度的空间艺术装置

那么我们看到这样的形态

就是使用物理模拟的方式来生成的

这样的形态不仅是形态上优美

它在结构上也是合理的

因此在尺度比较大

比如说在建筑尺度的这种设计和搭建

实际上如果能够使用物理模拟引擎

就可以实现从形态到结构一体化的设计

取得非常好的效果

那么第三条是说通过物理模拟进行系统的优化

我们看到右边这张图

这些圆环堆积在一起的效果

我们叫做circle packing

那么效果

它是尽量紧密地把这些圆环堆积在一起

这样的效果

其实它往往在形式上和空间划分的合理性上

都有它的特别之处

因此在设计中会被经常地使用

像这样的形态如何来生成

看起来它并不能简单地用我们前面学过的

参数化表皮的制作方式

那么在这里我们就可以用

Kangaroo的物理模拟引擎来生成这样的形态

来对这样的系统进行优化

这是我们总结的三条物理模拟在设计中的意义

我们说Kangaroo的物理模拟系统

是以粒子系统作为基础的

粒子系统是将现实世界抽象为很多的粒子

这些粒子具有质量

有位置还有速度

那么这些粒子一方面是在运动

另一方面他们之间也有相互的作用

比如说上面这张图

显示的是一条悬链线的结构

是类似好像一条项链在悬垂的状态

那么在这张图上

两边的节点

是被固定的

中间的这样一根链条

我们把它切分成若干段

然后在这些交点上

这些联结点上

放上质点

放上质量

那么在重力的作用下

这样一条链条就会垂落下来

那么两个点之间我们设置一些

类似弹簧的一些连接

那么它们就会起到将粒子相互连接的作用

那么通过这样一种基本模型

弹簧和质点组成的系统模型

我们就可以来模拟一条悬链线的形态

就是我们通过粒子系统

如何对现实世界进行模拟的原理

当然粒子在系统里头是没有空间尺度的

那么粒子之间

在右边这张图我们看到粒子之间

把它们相互连接

让它们相互影响

就可以形成具有形态的物体

比如说这里的圆柱和长方体

这样的组合方式我们可以理解为

是在分子层级的这些粒子

基本粒子相互作用而组合成宏观的物体

那么有了这样一种办法

我们的粒子系统就不仅仅可以表示

这些在空间中运动的粒子

也可以表示一些更宏观的空间形态

空间形体

它的运动规律

Kangaroo的物理模拟引擎

目前已经升级到了2.0版本

它和1.0版本有比较大的区别

在我们的教学当中我们会使用比较新的2.0版本

我们看一下在Kangaroo自己的网站上

它是怎么定义自己的

Kangaroo是一个动态的物理引擎

用于交互式模拟、找形

优化和约束求解

那么这里的很多的像交互式模拟、找形

优化和约束求解

在我们后面的案例介绍当中都会有所涉及

我们看一下

Kangaroo提供的这些工具

这些运算器都包括什么内容

看到这是非常丰富的一组运算器

首先有Kangaroo的主程序

这里以袋鼠为形态的有好几个运算器

还包括一些跟显示

跟点的捕捉相关的一些基本模块

那么使用这样的主程序

就可以通过迭代的方式

去模拟在一段时间之内

物体之间的相互影响相互作用

我们刚才说Kangaroo是一个

基于粒子系统的物理模拟引擎

所以最基本的就是这一组运算器

我们可以简单地叫它点上的力

就是作用在point相应的就是粒子上面的力

包括我们说这里的重力

包括各种对空间位置的约束

把两个点连在一起我们就会得到一条直线

在这里所谓直线上的力

实际上它表示的是两点之间的作用力

两点之间的作用力有不同的形式

所以我们说这里对应的

跟直线相对应的力

也会有不同的运算器的模块

比如说像这一个

就是一个类似弹簧的运算器

也是非常常用的一个运算器

如果把直线组合在一起

我们会连接而成折线

在Kangaroo里头我们就会有角度上的力

两段直线连接在一起

那么在这里它就会有跟角度相关的这样的力

包括像这样更多点连接在一起的这种模块

当然进一步

如果把直线连成网就会得到Mesh

Mesh我们从前面的很多教学里面

已经涉及到了Mesh的概念

我们看到当我们把点连成点阵

那么很自然地直线就会发展成Mesh

这样一张Mesh网

它上面的顶点就是我们说的点

就是粒子

这些连线就会组成一个

描述粒子之间相互作用的这样一张网

因此可以模拟非常有趣的动态

像这里的

我们看像张拉膜一样的

这样一张Mesh网

我们看到像这里像铰链一样的

两个三角形之间的角度关系

像这里的

是pressure像气球一样的受压的曲面

还有像这里对于体积的一个限定

还有风力等等

这些都是非常有趣的Kangaroo的模拟器

那么当然Kangaroo还提供了这里的

对Mesh进行几何操作的很多方便的这些运算器

如何提取Mesh上的相关的点

如何对Mesh进行整理等

这些都是使用Mesh来进行粒子系统模拟的时候

一些非常常用的工具

除此之外

Kangaroo还提供了像这样的

几何自由度的约束关系

这是当我们把点连接形成物体的时候

必然会出现的

对物体进行约束的一些不同的方法

我们看到这里还有

把粒子吸附到一些基本的几何形上去

比如说这里的吸附到曲线

这里的吸附到平面

以及这里的吸附到一个曲面上

这些也是非常常用的工具

另外包括像拟合如何把一系列的粒子

让它尽量地处于一条直线上

或者处于一个平面上

或者处于一个球面上

还有这里的碰撞

碰撞是一种非常常见的物理现象

我们说一个长方体和一个球体

如果把它们放在一起

互相之间是一个什么样的关系

那么如果是由很多的球体堆积在一起

是什么样的效果

就会用到碰撞的这样一些运算

最后Kangaroo提供了一些

我们叫做其他工具的一些工具

也是非常方便的

那比如说

右下角的运算器

我们看到它可以提取一个polyline

上面的某一条边上的所有点

连接而成的这条曲线

我们在前面讲到银河SOHO的案例的时候

大家可能还记得我们生成的

基本的就是金属板的panel

它的边界是被分成了若干段

那么一段一段的曲线

我们要用手工的方式把它连接成四条边

那么如果有工具

我们就可以直接得到连接好的四条边

也是非常方便的

总结一下本节的要点

对于设计来说

物理模拟能够提供自然的形态

能够基于力学性能进行找形

并且能够对性能进行优化

第二点

Kangroo插件是基于

Grasshopper的交互式物理引擎

通常被用于模拟

找形、优化和约束求解