Grasshopper 参数化设计完全指南 (从入门到精通)

Grasshopper 是一款嵌入在 Rhinoceros (犀牛) 3D 建模软件中的可视化编程环境，它让你通过创建图形化算法（而不是手动建模）来生成和控制复杂的几何形态，它被誉为“数字设计的瑞士军刀”，广泛应用于建筑设计、工业设计、珠宝设计、数据分析等领域。

第一部分：核心概念与基础入门

在开始之前,你需要理解几个核心思想。

什么是 Grasshopper？

想象一下，你不是在用鼠标“画”一个东西，而是在“定义”这个东西是如何被“制造”出来的，你给它一堆指令（组件），然后将这些指令连接起来，形成一个流程图，这个流程图就是你的“算法”。

Grasshopper 的核心元素

• 组件: 这是算法的基本构建块，每个组件都像一个功能或一个指令，一个 Panel (面板) 用于输入文字或数字，一个 Line (线) 用于画一条线，一个 Move (移动) 用于移动物体。
• 参数/连线: 这是组件之间的“电线”，数据从一个组件的输出端口 流出，通过连线流入另一个组件的输入端口，数据沿着这条线传递,驱动整个算法的运行。
• 端口: 每个组件都有输入 和输出 端口，输入端口接收数据,输出端口发送处理后的数据。
• 画布: 你放置、连接和组织组件的空白区域。
• 预览: Grasshopper 的实时渲染窗口,它显示你的算法在三维空间中生成的几何体。

第二部分：界面导航

熟悉 Grasshopper 的界面是第一步。

1. 启动: 在 Rhino 中，输入 Grasshopper 并回车,会弹出一个独立的窗口。
2. 组件面板: 左侧是所有可用组件的分类库,你可以在这里找到所有功能。
3. 参数/历史记录: 右侧是你的“定义”区域，所有组件都在这里，顶部有一个小小的时钟图标，这是“历史记录”按钮，点击它可以查看每一步的变化,对于调试至关重要。
4. 工具栏: 顶部工具栏有标准功能，如新建、打开、保存、撤销、重做等，还有一个重要的“Preview”按钮,可以开关三维预览窗口。
5. 视图窗口: 这是 Rhino 主窗口，显示你的最终模型，当你移动 Grasshopper 中的滑块或修改参数时,这里的模型会实时更新。

第三部分：你的第一个算法：从“画一条线”开始

让我们通过一个简单的例子来感受 Grasshopper 的工作流程。

目标： 创建一条可以动态调整起点和终点的线。

步骤 1: 创建起点和终点

• 在左侧的 Params (参数) 面板中，找到 Geometry (几何体) -> Point (点)，双击它,将其拖到画布上。
• 再拖一个 Point 组件到画布上。
• 你有两个代表“点”的参数，但它们还没有具体的位置,我们需要给它们定义坐标。

步骤 2: 定义坐标

• 在左侧的 Params (参数) 面板中，找到 Input (输入) -> Number (数字)，双击，拖出两个 Number Slider (数字滑块)。
• 将第一个滑块连接到第一个 Point 组件的 X 输入端口。
• 再拖出两个 Number Slider，分别连接到第一个 Point 组件的 Y 和 Z 输入端口，第一个 Point 的位置由这三个滑块控制了。
• 对第二个 Point 组件重复上述操作,给它连接另外三个滑块。

步骤 3: 创建线

• 在左侧的 Math (数学) 面板中，找到 Vector (向量) -> Vector XYZ (XYZ 向量),这个组件可以创建一个基于坐标的向量。
• 将第一个 Point 组件连接到 Vector XYZ 组件的 Origin (原点) 输入端口。
• 将第二个 Point 组件连接到 Vector XYZ 组件的 XYZ (坐标) 输入端口,这个组件现在计算出了从第一个点到第二个点的向量。
• 在左侧的 Curve (曲线) 面板中，找到 Primitive (基本曲线) -> Line (直线)。
• 将 Vector XYZ 组件的 Result (结果) 输出端口连接到 Line 组件的 Start (起点) 输入端口。
• 再将 Vector XYZ 组件的 Vector (向量) 输出端口连接到 Line 组件的 Direction (方向) 输入端口。
• 将 Vector XYZ 组件的 Magnitude (长度) 输出端口连接到 Line 组件的 Length (长度) 输入端口。

步骤 4: 查看结果

• 你的画布上应该有一条线，点击 Rhino 窗口,你应该能看到这条线。
• 恭喜！ 你刚刚创建了一个算法，试着拖动任意一个数字滑块，你会发现 Rhino 中的线会实时改变！这就是参数化设计的核心魅力。

第四部分：核心数据类型

Grasshopper 中的数据是有类型的,连接错误时会变成橙色或红色。

• Numbers (数字): 整数、浮点数，用于尺寸、角度、数量等。
• Points (点): 三维空间中的坐标。
• Vectors (向量): 有方向和大小的量，常用于移动、旋转。
• Curves (曲线): 直线、圆弧、样条线等。
• Surfaces (曲面): NURBS 曲面、平面等。
• Breps/Brep Solids (实体): 完整的三维实体。
• Lists (列表): 一组相同类型的数据,多个点组成的列表。
• Trees (数据树): 更复杂的列表结构，可以处理层级数据,非常重要。

第五部分：学习路径与进阶

几何操作 (基础建模)

这是掌握 Grasshopper 的第一步，目标是能用它完成 Rhino 中大部分的建模工作。

• 关键组件:

  • Panel (面板): 用于输入文本、记录笔记、查看数据。
  • Number Slider (数字滑块): 最常用的交互控件。
  • Point (点): 几何的基石。
  • Line (直线), Circle (圆), Rectangle (矩形): 基本几何体。
  • Vector (向量): Unit Vector (单位向量), Vector Display (向量显示)。
  • Transform (变换): Move (移动), Rotate (旋转), Scale (缩放), Orient (定向)。
  • Curve (曲线): Polyline (多段线), Interpolate (插值曲线), Divide Curve (分割曲线), Curve Parameter (曲线参数)。
  • Surface (曲面): Plane (平面), Extrude (挤出), Loft (放样), Boundary Surfaces (边界曲面)。
  • List (列表): List Item (列表项), Cull Pattern (筛选模式), Reverse (反转), Shift List (偏移列表)。

• 练习建议:

  1. 参数化楼梯: 用 Divide Curve 在一条线上等分，然后用 Line 和 Extrude 生成台阶。
  2. 参数化栏杆: 在一条路径上生成一系列间距和大小可变的栏杆。
  3. 参数化表皮: 用 Grid (网格) 组件生成点阵，然后用 Pipe (管道) 组件包裹成管状表皮。

数据结构与逻辑 (算法思维)

这是从“会用”到“精通”的飞跃,理解如何处理和组织数据是解决复杂问题的关键。

• 关键组件:

  • Panel + Panel (查看数据结构): 将组件的输出连接到一个 Panel，右键点击面板，选择 "Tree" 模式,可以清晰地看到数据树的结构。
  • Graft (嫁接): 将列表中的每个元素都变成一个独立的子列表，一个包含3个点的列表，经过 Graft 后，会变成3个子列表,每个子列表包含1个点。
  • Flatten (扁平化): 将数据树的所有层级压平,变成一个单一的列表。
  • Simplify (简化): 移除数据树中空的分支。
  • Path Mapper (路径映射): 最强大的数据树操作工具,可以自定义修改数据树的结构。
  • Dispatch (分发): 根据一个布尔值列表 (True/False),将输入列表中的元素分成两个组。
  • Cull Pattern (筛选模式): 根据一个 True/False 模式,筛选掉列表中对应的元素。
  • Anemone (插件): 一个实现循环逻辑的必备插件，可以创建 Loop (循环) 和 Counter (计数器)。

• 练习建议:

  1. 棋盘格: 用 Grid 生成点，然后用 Dispatch 或 Cull Pattern 筛选，只保留一部分点,形成棋盘格效果。
  2. 分形树: 使用 Anemone 插件，创建一个递归算法,让树枝不断分叉。
  3. 数据树操作: 尝试用不同的 Graft, Flatten, Simplify 组合,观察它们如何影响一个网格列表的生成结果。

高级应用与集成

• 关键组件/插件:
  • Kangaroo (物理引擎): 用于模拟物理现象，如找形、受压结构、布料模拟等,是生成有机形态的利器。
  • Lunchbox / Honeybee / Butterfly: 面向建筑设计的插件，用于生成幕墙、日照分析、环境模拟等。
  • Dodo (机器学习): 集成 TensorFlow,实现机器学习辅助的生成设计。
  • Weaverbird (网格处理): 强大的网格细分和变形工具。
  • GHPython / GH C#: 内置的脚本组件，可以用 Python 或 C# 编写自定义逻辑，实现 Grasshopper 没有的功能。

第六部分：学习资源与社区

学习 Grasshopper 最好的方式就是看别人怎么做,并动手实践。

1. YouTube 频道 (强烈推荐):

   • Grasshopper3D: 官方频道,有大量基础和高级教程。
   • Parametric House: 专注于建筑和设计应用,教程非常实用。
   • Daniel Piker: Kangaroo 插件的开发者,他的视频展示了物理模拟的强大威力。
   • Volatile Prototypes: 由 McNeel (Rhinoceros 开发商) 的员工运营,内容非常前沿和深入。

2. 网站与社区:

   • Grasshopper3D.com: 官方社区论坛，可以提问、分享作品、下载插件。
   • Food4Rhino: 最大的第三方插件库,几乎所有你能想到的插件都在这里。
   • McNeel Wiki: 官方的 Grasshopper 文档和参考手册,最权威。

3. 书籍:

   • 《Architectural Design with Grasshopper》 by Robert Aish, et al.
   • 《Computational Design with Grasshopper》 by Rajaa Issa, et al.

总结与建议

• 动手，动手，再动手: 不要只看不练，跟着教程做一遍，然后尝试修改它,看看会发生什么。
• 学会阅读错误: 红线和橙线是你的朋友，它们告诉你哪里出了问题,学会根据错误信息去调试。
• 从简单开始: 不要一上来就想做一个复杂的参数化大楼，从一条线、一个网格开始,逐步增加复杂度。
• 分解问题: 遇到复杂问题时，把它分解成几个小步骤，用 Grasshopper 一步步实现,最后再把它们组合起来。
• 保持好奇心: Grasshopper 的世界非常广阔，总有新的东西可以学,享受探索的乐趣！

祝你学习愉快！欢迎进入参数化设计的精彩世界！