Karamba是Grasshopper插件中一款具有代表性的力学分析插件。在完成几何模型建立后，可以在Karamba中方便地添加边界条件、荷载、材料属性，并完成常规的弹性力学受力分析。
Karamba还可以作为一个独立的.NET库使用，将有限元功能集成到程序中，还能将优化算法（如Galapagos、Octopus、Wallacei等）结合到程序中，以满足特定的建模和分析需求。
与其他结构分析程序相比，Karamba3D具有许多优点。对于非专业用户来说，更易于使用，并且成本较低，能够在早期设计阶段根据建筑师和工程师的需求进行定制。
在早期设计阶段，它可以对空间桁架、框架和壳体进行精确分析。用户可以从中开发基本的铰接平面系统，从而创建和评估视觉静力学。因此，他们可以理解这些系统中可用的自由度，并在建筑上加以利用。
Karamba分析算法有多种：分析非线性WIP、较大变形分析、屈曲模式、本征模、自然震动、优化截面、梁的双向渐进结构优化、壳体的双向渐进结构优化、优化补强加固、拉力/压力消除器。
在数字建模技术问世之前，海因茨·伊瑟尔、安东尼·高迪，或塞尔吉奥·穆斯梅奇等建筑师或工程师都曾借助物理模型来辅助生成弯曲的几何形体。一种流行的方法是使用借助悬挂在支架上的网状物或弹性膜的形状。
在Karamba中，可以借助“Analyze Large Deformation（分析大变形）”运算器来模拟悬挂模型的特性。“Analyze Large Deformation”运算器背后的算法仅通过增量方法处理几何非线性：所有外部荷载均分步施加。
渐进结构优化（ESO）构成了一种拓扑优化方法，其基本原理为：用户从预定义支撑件上由结构元件所组成的给定体积开始，并对其施加预设荷载。计算结构响应将表明，某些区域承受的外部荷载较其他区域更多。
分析结构的类别包括三种：第一种包含通常适用于结构的组件、第二种为适用于梁的组件、第三种为适用于壳体的组件。
Karamba目前并不能成为完整的结构工程有限元软件，多数用户的需求为它可以提供传统的有限元应用程序所欠缺的灵活性，以测试不同的结构设计。随着版本的更新，Karamba也逐渐开始重视与传统土木工程软件程序的接口。
目前，Karamba3D支持与RStab5、RStab6、RStab7，RStab8以及与机械臂之间的数据交换。借助GeometryGym可以将Karamba3D的模型数据导出到IFC。
接下来介绍几个应用Karamba的设计实践：
01
星河圣殿
TEMPLE GALAXIA
黑岩城 美国
星河圣殿是一座临时搭建的木结构建筑，是2018年火人节的中心建筑。这是Mamou-Mani团队所做的最大的项目，它探索通过数字绘图和制造产生的几何系统，测试并将它们与模拟制造和新工艺技能相结合。
该建筑的螺旋几何形状是在 2013 年开发的，通过递归在计算机中“生长”。由 2*4 英寸和 4*4 英寸尺寸的木材折叠成折纸模块，并用棘轮带固定在一起。由于时间紧迫，而且火人节社区内随时有志愿者劳动力可供使用，因此决定将该结构理想化为 3D 木材空间框架，其中每个桁架有效地靠在其旁边和下方的桁架上。
辐射偏心几何形状需要在上冠底部有一个中央压缩环桁架，以防止整体扭曲，并在地面上使用结构钢锚来承受横向推力。然后将木材空间框架细分为单独的三角形，这些三角形可以在里诺的不同车间制造，然后运送到现场。
Karamba3D中的荷载设置
重力作用下的结构位移
Karamba被用于整个设计阶段，通过实时修改数字模型，探索不同的木材布置和吨位。用于确定最佳的桁架间距和木材支撑方向，最终优化每个三角形模块的木材尺寸。
星河圣殿三角形的框架结构形成了通往曼荼罗的不同路径，在支撑整体建筑的同时也将空间分隔成了许多小小的壁龛，人们可以在其中安静地书写。随着离中央的曼荼罗越来越近，桁架逐渐抬高并变得越来越薄，直指天空的方向。
02
3D打印桥梁
MX3D BRIDGE
荷兰 阿姆斯特丹
设计师Joris Laarman Lab与MX3D合作开发了一座3D打印的不锈钢步行桥，横跨在阿姆斯特丹最古老的运河之上。Arup的工程师作为该项目的结构咨询，其中Karamba在方案设计过程中起到了关键作用。
该项目利用3D机器人打印技术制造了一座完全功能的12米钢桥，Arup团队提供结构咨询并定义了一系列测试步骤，通过实验来支持设计，并证明了桥梁的结构承载能力。
为该项目还专门开发了一个参数化设计工作流，将结构分析与桥梁的形状确定过程融合在一起。Karamba在此工作流的概念设计阶段被用来在数字框架内平稳地进行有限元计算。
使用Karamba3D对桥梁进行数字模拟，以找到最佳形状。
使用Karamba3D对桥梁进行数字模拟，以找到最佳形状。
03
朋克装置
STEAMPUNK
爱沙尼亚 塔林
塔林建筑双年展专注于围绕建筑和城市展开的对话。作为双年展的一部分，年轻的建筑师和设计师被选中设计一个展馆，代表行业中的新创新。
几何形状的生成与优化
2019年的STEAMPUNK展馆在整个项目的制造和设计过程中，没有生成任何图纸或数控代码。团队选择了实验性的方法，完全通过手工构建。Format Engineers与设计团队一起工作，开发和优化几何形状，以及安装的结构性能和可建造性。
Karamba3D中的木材/钢复合结构的利用
位移分析
Karamba3D中的横截面优化
最终的展馆是一个由扭曲的木条复杂编排而成的结构，这些木条在一个动态的运动中交织在一起，呈现出一个节点的形式，以及内外、表面和体积的概念。木条通过蒸汽弯曲单独形成，使用了可适应的模具和全息模型的组合。木质构件中的扭曲为这种复合木钢外壳结构增加了额外的刚度和压缩强度。
04
木制穹顶亭
PORTALEN PAVILION
瑞典 诺尔雪平
Portalen Pavilion位于瑞典诺尔雪平，属于轻型木制网格穹顶建筑。Summum Engineering在初始设计阶段使用了Karamba来研究不同的设计选项和交互作用。
PORTALEN PAVILION由两层木条以两个方向排列组成，形成一个网格。这个网格可以在地面上制作成一个平面，然后升起来形成一个作为高效壳结构的三维曲面。网格由四个弯曲的边缘支撑，它们在四个角落相交。
05
营地探险塔
CAMP ADVENTURE TOWER
丹麦 哥本哈根
Arup完成了由丹麦建筑师EFFEKT设计的树冠观景塔，该塔可俯瞰Camp Adventure保护区的森林。这座高45米的螺旋式网格塔是由风化钢和当地获取的橡木建造而成。
Karamba在工作流程中起到了至关重要的作用，它将结构分析、设计和交付集成到参数化框架中。通过数字模型可以快速评估各种设计解决方案，还允许团队在GSA中进行详细分析，并提供BIM交付成果。
不同荷载情况下的结构性能不同荷载情况下的结构性能06
玻璃纤维编织隧道
ATMETURE-ARCHILACE
英国 莱奇沃斯
这个结构采用了一个拱形隧道的形式（高4.3米，宽5.5米），并使用Karamba的二阶分析模块进行了建模。这使设计团队能够确定结构在发生屈曲之前所能抵抗的最大允许风速。这个分析有助于确保结构的稳定性，以便在面临风压等外部力量时能够安全运行。
Archilace的创作始于一个三维三角形表面，经过优化，使其对偶形成六边形主导的网格。每个网格面代表一个环，这些环是由3毫米直径的玻璃纤维增强聚合物的直线长度弯曲而成的。每个环都与其相邻的环编织在一起，并用黄铜套管将其保持在闭合位置。
Grasshopper插件Plankton提供的半边缘网格数据结构用于执行生成最终环网所需的拓扑操作和查询。由于这些环只是编织在一起，而不是物理上固定在一起，因此在受载前会发生一些滑动和内部移动，然后才会呈现出坚硬、相互锁定的形式。准确建模这种行为非常困难，但通过进行多次物理测试，可以确定一个近似的刚度。
使用Karamba建立了一个模型，以模拟物理测试的行为并确定考虑内部滑动和移动的刚度值。分析模型通过调整杨氏模量，并使用物理模型的挠度作为目标进行校准。
为了增加结构的总刚度，使用了直径为4毫米的碳纤维杆，它们穿过整个环网。同样，基础的网格数据结构用于根据一组简单的拓扑规则生成增强的穿线图案。在安装的设计过程中，可以将选择的增强穿线图案快速插入Karamba模型，以实时分析可能的配置。这有助于提高结构的整体刚度并确保其稳定性。
通过分析单个穿线在其长度沿途的局部曲率，可以推导出一系列局部弯曲力矩，这些力矩的综合效应是使曲线变直。这些力矩施加在增强部分与环接触的地方。Karamba的大变形求解器已被用来验证这种方法，通过显示当这些弯曲力矩施加时，曲线元素如何变得笔直。与艺术家合作测试了不同的增强穿线图案。最终设计将审美考虑与结构效率相结合。
该设计在Karamba中进行了风载荷和自重的分析。所有先前的测试都显示，失败模式将是局部屈曲，而不是单个元素达到其应力容量。使用Karamba的二阶分析模块，找到了施加荷载的关键屈曲载荷。最终的结构设计是为13.9米/秒（50.0千米/小时）的风速而设计的。这确保了结构在受到风力作用时的稳定性和安全性。
07
塑料桁架装置
TRUSSFAB PAVILION
德国 波茨坦
由位于德国波茨坦的哈索·普拉特纳学院的人机交互实验室团队，开发了一种使用塑料瓶和3D打印连接件的建筑系统TrussFab，并使用Karamba对结构的位移和承载部件的应力分布进行了分析。
TrussFab系统允许用户使用塑料瓶和3D打印连接件制造和研究大型结构，使它们易于快速构建。在建造大型结构时，不仅涉及到规模和打印体积，而主要的设计目标通常是要承受更大荷载。
Trussfab的Sketchup编辑器提供了四面体和八面体形状的基本构建块以及用于微调它们的特殊工具。这使得用户可以始终维持桁架结构和设计的总体结构稳定性。设计完成后，Trussfab会为每个节点生成所有必要连接中心的3D模型文件，用户可以直接发送到3D打印机。这个系统使人们能够使用废弃的塑料瓶创造出结构稳定的大型构建物，这既环保又创新。
为确保设计的结构不仅稳定，而且还能承受所需的载荷，用户需要计算作用在结构内部的力。首先，软件会查找桁架结构中的缺陷，也就是搜索那些没有被其他构件完全锁定并受到剪切力或弯曲力作用的部分。如果需要，软件会建议添加额外的稳定构件。其次，软件会检查结构是否能够承受施加的载荷，并相应地标记瓶子为红色和蓝色。在这一步中，TrussFab使用集成的有限元分析引擎Karamba，这个过程确保了设计的结构在安全性和稳定性方面都是可靠的。
结语：非线性的建筑外观流畅自然，对应的结构复杂度和设计难度往往呈几何倍数增长，传统的结构设计方法已经不能满足这种复杂的形式要求，这就要求结构工程师掌握更先进的设计手段与构造思维。
