BIM 技术在水电站厂房异形结构中的应用研究

2020-04-28周为，杨鑫

湖南水利水电 2020年1期

周为，杨鑫

（中国水利水电第八工程局有限公司，湖南长沙 410004）

1 研究背景

在常规水电站施工中会遇到许多复杂的异形曲面结构，比如岔管、蜗壳、尾水肘管等，此类异形曲面结构的存在使得工程计量、金属结构加工制作、模板加工及钢筋加工绑扎等难度大大增加，且通常位于施工重点部位，施工精细度要求高。本文利用DYNAMO 等一系列BIM 工具，实现蜗壳解析式三维参数化建模，通过调整参数对尾水肘管三维成模，利用模型实现工程量自动统计及异形曲面展开，并对异形结构三维配筋进行了一定的研究，提出了一些问题和可行的解决办法，为此类异形结构的精细化施工提供借鉴。

2 蜗壳参数化建模

传统的蜗壳施工图，主要提供蜗壳断面半径，蜗壳断面中心与转轮中心距离等参数，采用传统建模手段手动逐个画出每个点的位置，逐个画出各断面形状，逐个调整每个断面的角度，使用断面放样成模。建模过程繁琐，通过施工图获取的数据也不一定够精确，且如果设计稍作修改，整个模型需要重新搭建。使用DYNAMO 可视化编程建模工具，通过数据驱动生成点线面体，可直接根据设计参数再现精准的参数化模型，模型数据精准可靠，且设计参数可任意调整，做到一次成模，多次使用，实现解析式三维参数化建模。其具体步骤如下：

1）蜗壳设计参数选取

2）批量生成蜗壳断面中心点

图1 参数调整节点

根据选取的参数，通过DYNAMO 中相应可视化节点，批量生成不同位置处蜗壳断面中心点。具体变换过程如图2 所示。

图2 批量生成蜗壳断面中心点

3）批量生成蜗壳断面形状

以上一步生成的断面中心点为圆心，通过DYNAMO节点批量绘制圆断面形状，如图3 所示。

图3 批量生成断面形状

4）批量将断面形状旋转至正确位置

由于每个断面包角不同，通过DYNAMO 节点批量旋转各断面形状至正确位置，如图4 所示。

5）断面放样成模

利用DYNAMO 节点一步放样成模，如图5 所示。

6）小结

此方法也可用于其他类型的蜗壳或其他异形结构，只需要有相应的参数即可。

图4 批量改变断面形状位置

图5 生成三维参数化模型

3 尾水肘管参数化建模

尾水肘管是水电站厂房中较为常见且因其形状复杂一般为施工难点部位，因其设计参数通常难以获取，或参数难以满足模型要求，设计与施工都耗时耗力。本文利用施工图提供的数据整理形成excel 数据表，导入DYNAMD，再通过DYNAMO 一系列变换的方式成模。如需设计修改，及时更新excel 表格参数即可，方便快捷，并可实现多次使用。具体步骤如下。

1）整理数据

根据尾水肘管断面参数表，从中选出三维建模必要的数据，形成excel 表格。以某长圆形尾水肘管（共17 个断面）为例，将尾水肘管参数表整理成excel 数据表，因长圆形尾水肘管断面倒圆角半径R 的确定方式在上肘管部分可按照表中给定数据或者为断面高度H的一半，为保证建模不至产生冲突，故上半部分最好采用解析式即断面高度H 的一半确定，下半部分直接套用表格数据，所以excel 表格数据须整理成2 页，其中一页带有施工图中的给出的5 列数据（断面宽度B，断面上下中心点坐标X1，X2，Y1，Y2）,另外一页为6 列数据（多出列为施工图中给出的半径R 数据列）。如图6所示。

图6 整理成excel 数据

2）导入excel 表格提取各参数列表

通过DYNAMO 文件读取节点，读取excel 表中数据形成多参数列表即多维list，从多维list 中抽取各单列参数数据形成单列参数列表即一维list，如图7 所示。

3）根据各列参数列表绘制断面形状

根据各个参数，通过DYNAMO 中数据生成点，点生成线的原理，利用DYNAMO 节点进行坐标计算，生成四个角点列表，将点生成连线得到各断面矩形列表，然后对矩形进行倒角形成目标断面形状列表。图8 为肘管上下部分断面形状形成过程及最终效果。

4）通过断面放样形成实体

通过DYNAMO 节点对各断面形状进行放样直接生成三维实体。结果如图9所示。

4 模型应用

4.1 工程量统计

在模型建立之后，在DYNAMO 中利用节点查询曲面面积以及实体的体积，图10 为对肘管曲面面积进行查询。

4.2 模型互操作性

为实现BIM 软件集成应用，我们需要在DYNAMO 中将模型导出到REVIT 中。本文尝试利用DYNAMO 中的DIRECTSHAPE 节点导出到REVIT 中显示三维模型，结果是模型均以三角面片显示，并不能编辑，也不能查看模型几何信息，且后续与其他BIM 软件进行交互时，也出现不能选择和进行其他操作的问题。如图11 所示。

使用自定义开发的SPRING 节点包中的familyinstance 节点以REVIT 族的方式进行导出，导出后的实体以曲面形式显示，且可以对其以簇的形式进行编辑，可以查看到该实体的体积等几何信息，在导入到其他BIM 软件时，也能进行相应操作，如图12所示。

4.3 曲面展开

图7 提取excel 表格参数列表

图8 分别绘制上下部分断面形状

图9 肘管三维模型成模

图10 几何信息查询

图11 常规导出DYNAMO 模型至REVIT

图12 SPRING 节点导出至REVIT

水电站尾水肘管分为混凝土结构和金属里衬结构，对于混凝土结构尾水肘管，施工时模板的制作、安拆等工作是一大难点，而对于金属里衬，加工制作时的钣金切割精度要求更高。不论是混凝土肘管还是金属里衬，我们都需要将肘管分节展开，以方便模板制作或者金属结构加工，但肘管弯曲段一般都是不可展曲面，形状复杂，不能直接展开，在以往的施工中，有诸如参数映射法和网格细分法[4]等对曲面进行近似展开，比如某工程利用三角形展开法和画法几何进行近似展开和制作加工，并能建立相应的解析式，从而形成参数映射[2]。但此类方法过程过于繁琐，本文将建成的三维实体模型导出为SAT 格式，再导入INVENTOR 软件进行抽壳及按截面分段后，对每段进行钣金曲面展开，结论是肘管上部分形状复杂部位不能进行展开操作，下部分扩散段则可以顺利展开。经过研究，尝试进一步将INVENTOR 分段模型导出为DWG 格式，随后导入RHINO 犀牛软件进行曲面展开，顺利得到展开图形，可对展开后的图形进行切割标注等操作，如图13 所示。

图13 肘管上部分异形段曲面展开

4.4 曲面放样

利用DYNAMO 获取曲面上的任意UV 曲线，可对UV 上任意点的坐标进行查询，即三维模型任意位置的坐标均可方便快捷的得到，极大地方便施工现场测量放样工作和施工质量复核工作。

4.5 钢筋应用

异形曲面部位的钢筋形状特殊，使得下料加工难度增加。三维异形结构配筋一般是基于曲面进行配筋，本文利用DYNAMO 对蜗壳和肘管进行配筋，先从曲面上按照设定的参数获取UV 曲线，再利用DYNAMO 开发的REBAR 节点将曲线转换为钢筋，当获得UV 曲线后，钢筋节点运行时出现错误，错误原因在于所获得的UV 曲线的阶数太高为3 次，而节点目前仅支持最高阶数2 次。如图14 所示。

通过以上，可得出目前DYNAMO 对钢筋的支持存在局限性，即对过于复杂的空间异形高次曲线支持不是很好。为解决配筋问题，可通过将从曲面提取的曲线转换为低次多段线，再通过钢筋节点生成钢筋。