BIM 技術在水電站廠房異形結構中的應用研究

周 為，楊 鑫

（中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004）

1 研究背景

在常規水電站施工中會遇到許多復雜的異形曲面結構，比如岔管、蝸殼、尾水肘管等，此類異形曲面結構的存在使得工程計量、金屬結構加工制作、模板加工及鋼筋加工綁扎等難度大大增加，且通常位于施工重點部位，施工精細度要求高。本文利用DYNAMO 等一系列BIM 工具，實現蝸殼解析式三維參數化建模，通過調整參數對尾水肘管三維成模，利用模型實現工程量自動統計及異形曲面展開，并對異形結構三維配筋進行了一定的研究，提出了一些問題和可行的解決辦法，為此類異形結構的精細化施工提供借鑒。

2 蝸殼參數化建模

傳統的蝸殼施工圖，主要提供蝸殼斷面半徑，蝸殼斷面中心與轉輪中心距離等參數，采用傳統建模手段手動逐個畫出每個點的位置，逐個畫出各斷面形狀，逐個調整每個斷面的角度，使用斷面放樣成模。建模過程繁瑣，通過施工圖獲取的數據也不一定夠精確，且如果設計稍作修改，整個模型需要重新搭建。使用DYNAMO 可視化編程建模工具，通過數據驅動生成點線面體，可直接根據設計參數再現精準的參數化模型，模型數據精準可靠，且設計參數可任意調整，做到一次成模，多次使用，實現解析式三維參數化建模。其具體步驟如下：

1）蝸殼設計參數選取

2）批量生成蝸殼斷面中心點

圖1 參數調整節點

根據選取的參數，通過DYNAMO 中相應可視化節點，批量生成不同位置處蝸殼斷面中心點。具體變換過程如圖2 所示。

圖2 批量生成蝸殼斷面中心點

3）批量生成蝸殼斷面形狀

以上一步生成的斷面中心點為圓心，通過DYNAMO節點批量繪制圓斷面形狀，如圖3 所示。

圖3 批量生成斷面形狀

4）批量將斷面形狀旋轉至正確位置

由于每個斷面包角不同，通過DYNAMO 節點批量旋轉各斷面形狀至正確位置，如圖4 所示。

5）斷面放樣成模

利用DYNAMO 節點一步放樣成模，如圖5 所示。

6）小結

此方法也可用于其他類型的蝸殼或其他異形結構，只需要有相應的參數即可。

圖4 批量改變斷面形狀位置

圖5 生成三維參數化模型

3 尾水肘管參數化建模

尾水肘管是水電站廠房中較為常見且因其形狀復雜一般為施工難點部位，因其設計參數通常難以獲取，或參數難以滿足模型要求，設計與施工都耗時耗力。本文利用施工圖提供的數據整理形成excel 數據表，導入DYNAMD，再通過DYNAMO 一系列變換的方式成模。如需設計修改，及時更新excel 表格參數即可，方便快捷，并可實現多次使用。具體步驟如下。

1）整理數據

根據尾水肘管斷面參數表，從中選出三維建模必要的數據，形成excel 表格。以某長圓形尾水肘管（共17 個斷面）為例，將尾水肘管參數表整理成excel 數據表，因長圓形尾水肘管斷面倒圓角半徑R 的確定方式在上肘管部分可按照表中給定數據或者為斷面高度H的一半，為保證建模不至產生沖突，故上半部分最好采用解析式即斷面高度H 的一半確定，下半部分直接套用表格數據，所以excel 表格數據須整理成2 頁，其中一頁帶有施工圖中的給出的5 列數據（斷面寬度B，斷面上下中心點坐標X1，X2，Y1，Y2）,另外一頁為6 列數據（多出列為施工圖中給出的半徑R 數據列）。如圖6所示。

圖6 整理成excel 數據

2）導入excel 表格提取各參數列表

通過DYNAMO 文件讀取節點，讀取excel 表中數據形成多參數列表即多維list，從多維list 中抽取各單列參數數據形成單列參數列表即一維list，如圖7 所示。

3）根據各列參數列表繪制斷面形狀

根據各個參數，通過DYNAMO 中數據生成點，點生成線的原理，利用DYNAMO 節點進行坐標計算，生成四個角點列表，將點生成連線得到各斷面矩形列表，然后對矩形進行倒角形成目標斷面形狀列表。圖8 為肘管上下部分斷面形狀形成過程及最終效果。

4）通過斷面放樣形成實體

通過DYNAMO 節點對各斷面形狀進行放樣直接生成三維實體。結果如圖9所示。

4 模型應用

4.1 工程量統計

在模型建立之后，在DYNAMO 中利用節點查詢曲面面積以及實體的體積，圖10 為對肘管曲面面積進行查詢。

4.2 模型互操作性

為實現BIM 軟件集成應用，我們需要在DYNAMO 中將模型導出到REVIT 中。本文嘗試利用DYNAMO 中的DIRECTSHAPE 節點導出到REVIT 中顯示三維模型，結果是模型均以三角面片顯示，并不能編輯，也不能查看模型幾何信息，且后續與其他BIM 軟件進行交互時，也出現不能選擇和進行其他操作的問題。如圖11 所示。

使用自定義開發的SPRING 節點包中的familyinstance 節點以REVIT 族的方式進行導出，導出后的實體以曲面形式顯示，且可以對其以簇的形式進行編輯，可以查看到該實體的體積等幾何信息，在導入到其他BIM 軟件時，也能進行相應操作，如圖12所示。

4.3 曲面展開

圖7 提取excel 表格參數列表

圖8 分別繪制上下部分斷面形狀

圖9 肘管三維模型成模

圖10 幾何信息查詢

圖11 常規導出DYNAMO 模型至REVIT

圖12 SPRING 節點導出至REVIT

水電站尾水肘管分為混凝土結構和金屬里襯結構，對于混凝土結構尾水肘管，施工時模板的制作、安拆等工作是一大難點，而對于金屬里襯，加工制作時的鈑金切割精度要求更高。不論是混凝土肘管還是金屬里襯，我們都需要將肘管分節展開，以方便模板制作或者金屬結構加工，但肘管彎曲段一般都是不可展曲面，形狀復雜，不能直接展開，在以往的施工中，有諸如參數映射法和網格細分法[4]等對曲面進行近似展開，比如某工程利用三角形展開法和畫法幾何進行近似展開和制作加工，并能建立相應的解析式，從而形成參數映射[2]。但此類方法過程過于繁瑣，本文將建成的三維實體模型導出為SAT 格式，再導入INVENTOR 軟件進行抽殼及按截面分段后，對每段進行鈑金曲面展開，結論是肘管上部分形狀復雜部位不能進行展開操作，下部分擴散段則可以順利展開。經過研究，嘗試進一步將INVENTOR 分段模型導出為DWG 格式，隨后導入RHINO 犀牛軟件進行曲面展開，順利得到展開圖形，可對展開后的圖形進行切割標注等操作，如圖13 所示。

圖13 肘管上部分異形段曲面展開

4.4 曲面放樣

利用DYNAMO 獲取曲面上的任意UV 曲線，可對UV 上任意點的坐標進行查詢，即三維模型任意位置的坐標均可方便快捷的得到，極大地方便施工現場測量放樣工作和施工質量復核工作。

4.5 鋼筋應用

異形曲面部位的鋼筋形狀特殊，使得下料加工難度增加。三維異形結構配筋一般是基于曲面進行配筋，本文利用DYNAMO 對蝸殼和肘管進行配筋，先從曲面上按照設定的參數獲取UV 曲線，再利用DYNAMO 開發的REBAR 節點將曲線轉換為鋼筋，當獲得UV 曲線后，鋼筋節點運行時出現錯誤，錯誤原因在于所獲得的UV 曲線的階數太高為3 次，而節點目前僅支持最高階數2 次。如圖14 所示。

通過以上，可得出目前DYNAMO 對鋼筋的支持存在局限性，即對過于復雜的空間異形高次曲線支持不是很好。為解決配筋問題，可通過將從曲面提取的曲線轉換為低次多段線，再通過鋼筋節點生成鋼筋。

圖14 曲線次數及鋼筋生成

5 結 語

1）利用DYNAMO、RHINO 等BIM 軟件集成，能快速便捷地解決建模及模型應用的一般問題，對工程精細化施工產生了良好效果。

2）利用RHINO 軟件中的GH 插件可對諸如雙曲等復雜曲面作近似展開操作，而DYNAMO 在發展過程中，通過自定義開發節點有望實現對復雜曲面展開功能的支持。

3）目前DYNAMO 鋼筋建模對過于復雜的異形曲面支持具有局限性，且缺乏對異形鋼筋深化支持，通過DYNAMO 自定義開發節點或將是一種可行的解決辦法。