基于Dynamo和Advance Steel的水輪機蝸殼快速設計方法

劉奕煒，陳銘軒，牛志偉，2，齊慧君

(1.河海大學水利水電學院，江蘇 南京 210024；2.水安全與水科學協同創新中心，江蘇 南京 210024)

0 引 言

水電作為技術成熟的清潔低碳可再生能源，一直都是我國能源開發的重要方式之一。隨著國家“雙碳”戰略目標的積極推進，水電發展的步伐穩中有進。在水利水電工程中，金屬結構設備擔負著控制水位、宣泄洪水、保護機組安全運行等任務[1]。蝸殼是一種異形曲面金屬結構且為水輪機重要的引水部件，其建模需要放樣融合、旋轉等操作，過程繁復且耗費時間長，難以保證建模質量[2]。

BIM技術(Buliding Information Modeling，建筑信息模型)是通過一系列軟件和數字轉化技術，將工程項目建設中設計、施工、管理等各種信息有機整合成一個整體，為項目整個生命周期中的所有決策提供依據[3-5]。隨著BIM技術的普及，其在各行業得到積極推廣和應用。Revit作為Autodesk公司BIM解決方案的核心平臺，其自帶的dynamo插件可對復雜結

構進行建模。Dynamo最初應用在建筑行業，文志彬等[6]利用Dynamo開發了桁架鋼筋混凝土疊合板參數化設計程序，實現一鍵生成疊合板鋼筋模型。李中元等[7]利用Revit+Dynamo的技術路線實現了長螺旋隧道真三維模型創建。近年來，Dynamo因其強大的功能，開始運用于水利行業，于琦等[8]基于WebGL和Dynamo的混凝土重力壩參數化設計方法，研發了基于BIM的混凝土重力壩參數化設計平臺。蝸殼作為異形曲面金屬構件，很多學者在探索利用dynamo進行蝸殼快速設計方面做了大量工作。曹陽[9]研究了Dynamo在水力機械設計中的應用并成功實現了蝸殼和尾水管的一鍵生成。杰德爾別克·馬迪尼葉提等[10]結合IronPython和RevitAPI函數調用等編程技巧優化建模流程。王寧等[11]利用Dynamo實現了參數化驅動蝸殼三維建模。上述研究都實現了快速建模，提高了蝸殼的設計效率。但是Revit軟件的建模方式相對簡單，對復雜結構沒有針對性建模功能[12]；并且當三維模型需要加工成實物時，Revit因其無法提供具體加工數據，給蝸殼鋼板的加工制造帶來了一定的困難。AdvanceSteel(以下簡稱AS)作為一款鋼結構深化軟件，可由三維模型生成金屬結構加工所需要的數據驅動文件。宋騰[13]通過二次開發技術實現AS內6種簡易結構形式的參數化連接創建，其參數可用于后期實物加工。因此，研究綜合利用Dynamo插件和AS各自的優點，快速進行蝸殼結構建模，并生成蝸殼加工所需要的數據驅動文件，對于提高蝸殼優化設計及加工效率有重要意義。

1 設計平臺簡介

1.1 Dynamo參數化設計流程簡介

Dynamo可視化編程平臺提供豐富的節點庫，涵蓋內建指令、核心命令、幾何運算、Office、數學運算、Revit操作等，其中常用的是幾何運算庫和Revit操作庫[14]。在Dynamo中進行參數化建模，可先根據需求在龐大的節點庫中選擇目標節點，然后按照一定邏輯把這些代表不同功能的節點串聯起來實現目標功能。Dynamo參數化設計流程如圖1所示。相比于直接構建標準化模型，此方法不僅可以降低建模難度和成本，而且可以重復修改和使用模型，以提高工作效率。

圖1 Dynamo參數化設計流程示意

選擇合適的導出導入節點是Dynamo與Revit進行交互的重要一環。從Revit中導出時，節點采用Select Model Element和Element.Geometry。Dynamo導入到Revit方式主要分為以下幾種：①Import-Instance.ByGeometry；②DirectShape.ByGeometry；③FamilyType.ByGeometry；④Springs.FamilyInstance. ByGeometry。前3者都為Revit原生節點功能，用于導入簡單模型。最后一種為第3方庫節點，用戶可以依據項目要求定制其功能。4種導入方式的優缺點見表1，可根據實際需求選擇不同的導入方式。

表1 Dynamo與Revit交互方式優缺點

1.2 Advance Steel設計平臺簡介

Autodesk Advance Steel是一款用于鋼結構詳圖繪制、設計、制造和裝配施工的三維建模軟件，其為用戶提供了豐富的結構元件庫、完整的智能節點庫和設計功能。

在鋼結構設計上，AS具有以下優點：①AS可以和Revit、Dynamo以及Navisworks開展無縫協同工作，數據交換完整性高；②AS是基于CAD平臺開發的一款軟件，對于CAD熟悉的用戶易掌握；③具有自動創建圖紙(布置總圖、施工圖等)、快速生成材料報表以及數控文件等功能。

2 蝸殼快速設計方法

2.1 軟件分工及使用流程

Revit在聯合使用中的任務是利用自帶的dynamo插件實現對復雜結構進行參數化、可視化、模塊化的快速建模。在Revit中將進行以下操作：①使用Revit內置mentalray渲染引擎，通過調整光線和材質的關系對其進行渲染，其三維效果展示圖可以滿足一般需求。②將各種水力機械Dynamo設計的邏輯思路封裝成自定義節點，利用其復用性實現一鍵生成模型，為整體的水利工程三維模型提供局部構件，一定程度上簡化龐大復雜的建模流程。例如利用Dynamo構建尾水管后布置在電站廠房中，如圖2所示。AS的任務是利用其龐大的結構元件庫對模型賦予不同種類鋼材，然后通過該模型生成所有用于整個項目施工與生產的文件，例如圖紙(布置總圖、施工圖)、材料報表以及數控文件等。兩者的聯合使用可進行異形鋼結構快速設計及加工。

圖2 布置在水電站廠房中的尾水管

軟件聯合使用的兩種流程：①對于簡單的梁系結構，例如廠房屋面桁架結構，可直接采用AS進行建模、設計、制造，然后導入到Revit中進行后續操作。模型的交互可通過Revit識別AS的系統族的方式實現。②對于一些復雜異形曲面結構，例如蝸殼、尾水管，則可以選擇Dynamo先完成建模，然后再導入AS中進行鋼結構設計。其流程如圖3所示。

圖3 Dynamo for Revit和Advance Steel的聯合使用流程示意

2.2 軟件聯合使用關鍵問題

將模型從AS導入到Revit，其交互后仍將保持數據的完整性。反之，則需要考慮以下兩類問題：①如果模型里面含有多種型材，即Revit模型中包含多種族類型，則需要考慮截面問題。當模型導入AS后，需檢查模型的鋼材是否已經被賦予截面，如果沒有，則需重新賦予。②模型導入到AS后部分節點可能會出現重復遺漏等情況。此問題將導致結構之間的關聯性消失，進而影響后續操作，故需檢查節點并及時處理。

由于AS軟件包含完整的AutoCAD功能，故可將Revit模型轉變成CAD格式導入AS。Revit的CAD格式共分為四種，分別為DWG、DXF、DGN和ACIS(SAT)。用不同格式導入后會存在模型上的差異性，具體見表2。可根據實際需求選擇導入格式，其中ACIS格式適用于模型輪廓線的提取。

表2 不同格式對應的模型特點

3 某水電站蝸殼快速設計案例

本文以蝸殼這種常見的水力機械過流部件為例，運用Dynamo for Revit和Advance Steel聯合使用的方法對其進行快速設計，并生成蝸殼加工所需要的數據驅動文件。

3.1 工程概況和數據準備

某電站最大水頭為42.7 m，轉輪公稱直徑D1為2.25 m。初步設計蝸殼為金屬蝸殼；結構為鋼板焊接結構；斷面形狀為圓形，尾端不考慮橢圓形斷面；包角為345°；座環形式選用平行式座環；固定導葉高度為0.5 m。蝸殼的水力設計采用不改變水流的環量方法，公式為

Vur=K

(1)

式中，Vu為圓周分速度；K為蝸殼常數；r為蝸殼斷面半徑。

采用以下公式對蝸殼的斷面尺寸進行計算

(2)

ai=ra+ρi

(3)

Ri=ra+2ρi

(4)

式中，ρi為斷面半徑；Qi為各個斷面水輪機組的引用流量；Vc為蝸殼進口平均流速，取5 m/s；Qmax為水輪機額定引用流量，取38.4 m3/s；φi為i斷面到鼻端的包角；ai為斷面中心距；為固定導葉進口圓周半徑，取1 925 mm；Ri為斷面外半徑。計算結果見表3。

表3 蝸殼尺寸

3.2 蝸殼參數化建模

建模時建立參數化模型斷面輪廓，便于形成族庫重復利用[15]。將建模節點按照功能的不同分為以下幾組：建模數據信息的讀取；蝸殼、座環、固定導葉部分建模；切割；顏色分類；模型的輸出及導入到Revit。將已經建立好的蝸殼參數化設計的邏輯思路打包成自定義節點，實現改變某一參數可以同步Dynamo和Revit中的模型改動的功能。建模部分節點見圖4。

圖4 蝸殼建模的部分節點

3.2.1 參數化設計思路

(1)讀取建模數據信息。將蝸殼斷面參數及數據存放在excel中，利用Data.ImportExcel，List.DropItems和List.Transpose節點對數據進行前處理，篩選信息導入到Dynamo中。

(2)蝸殼部分建模。通過Point.ByCylindrical-Coordinates節點，利用柱面坐標從10°到355°以15°為步長，ai為長度，定位各個斷面圓心；使用Circle.ByCenterPointRadiusNormal和Vector.Rotate節點，以ρi為半徑，指定圓的法線方向生成圓斷面；兩圓之間通過Surface.ByLoft節點形成Surface；使用Surface.Thicken節點將曲面加厚形成薄殼；蝸殼雛形完成。

(3)座環和固定導葉部分建模。兩者建模與蝸殼部分建模相類似。座環部分可通過加厚曲面得到實體；導葉通過Curve.SweepAsSolid節點得到實體后，結合Geometry.Rotate節點將對象進行旋轉復制。

(4)切割部分和顏色分類。將以上實體通過Solid.Difference節點進行布爾差集運算，得到蝸殼整體結構。用不同的顏色區分蝸殼、固定導葉和座環。

(5)輸出。采用Dynamo原生節點ImportInstance. ByGeometry與revit進行交互。導入后不考慮直接在Revit中修改模型。

3.2.2 參數化設計成果

蝸殼在Dynamo中的內部和整體效果見圖5。

圖5 Dynamo中蝸殼設計效果

3.3 蝸殼鋼結構處理

利用AS異形鋼構件創建及出圖等功能對蝸殼進行處理，得到鋼板的圖紙、nc數控文件和dxf文件等成果，為后續鋼板的加工和使用CAD去查看鋼板的圖形文件并修改、出圖等提供依據和便利。其流程示意見圖6。

圖6 AS蝸殼處理流程示意

3.3.1 鋼結構處理思路

(1)預處理。在Dynamo中將部分節點顯示為預覽并修改，即可得到蝸殼部分的異形結構，將其保存為ACIS格式文件導入到AS后發現其不同蝸殼斷面的Surface存在著不同的劃分，處理方法為將Surface的UV等值線數值調整為0，使之變為光滑的曲面后再進行下一步操作。

(2)提取模型輪廓線。將AS的工作模式切換為3D Modeling，利用輪廓線提取功能面板中的Extract Edges功能選項，僅提取模型的斷面輪廓線。導入AS所需蝸殼模型與斷面輪廓線如圖7。

圖7 蝸殼斷面提取輪廓線示意

(3)賦予鋼板。切換為初始工作界面Advance Steel，使用Plate面板中的Create Twisted Folded Plate選項對上述曲線賦予扭曲折疊板，控制板厚、分段、半徑系數等參數并選擇板與線的相對位置。

(4)編號和碰撞檢查。因為只是單一的鋼板而不存在組件，所以在使用Documents面板中的Numbering選項時默認對每一塊鋼板進行single parts編號后，利用checking面板中Clash check選項對模型進行碰撞檢查。檢查結果見collisions panel，其包括索引號、區段大小、鋼材類型、碰撞固體中心坐標及碰撞體積，如圖8所示。修復清單中所列出的每一處碰撞并再次檢查，直到無錯誤提示。

圖8 碰撞清單

(5)后處理。在Drawing Styles palette繪畫風格調色板中選擇模板Sp folded beam/plate初步生成所有蝸殼鋼板的圖紙，其圖紙包括鋼板的展開圖，前視圖和左視圖。其最大尺寸長寬、寬度、厚度、鋼板分段對應彎折的角度和鋼板的材質等都自動標注顯示在圖紙上，并且可通過Edit detail面板自定義圖紙布局樣式；利用NC選項生成每塊鋼板在數控機床中的切割數據，為蝸殼的制造提供一定的數據支撐；利用DXF選項導出鋼板的dxf格式，供AutoCAD對其圖元進行進一步修改。

3.3.2 鋼結構處理成果

經過AS處理后，可得到蝸殼所有鋼板的數據。部分成果展示如圖9。圖9a為編號1015鋼板在AS中的原生圖紙，此鋼板厚尺寸為10 mm×1 237.16 mm×8 017.15 mm(厚×寬×高)，材質為S355JR的扭曲折疊板。圖9b為編號1014鋼板在CAD中的圖元。圖9c為編號1002鋼板用于數控機床切割的數據文件。

圖9 AS處理成果

4 結 語

通過本文研究，可得到如下結論：

(1)Dynamo適用于蝸殼這種異形結構的參數化、可視化、模塊化的快速建模，此方法可提高工程師的設計效率。

(2)Adcance steel提供的鋼板圖紙、數控文件、dxf文件等，可滿足大部分鋼結構構件的設計加工需求。在蝸殼設計中，AS提供鋼板在數控機床中切割的數據，為蝸殼的制造提供了一定的數據支撐。

(3)從Revit參數化建模到AS鋼結構設計，采用合理的導入格式進行軟件之間的數據交互，不僅可以保證數據的高度完整性來避免截面丟失和節點重復遺漏等問題，而且可以簡化后續操作來加快設計速度。例如蝸殼設計時采用ACIS(SAT)，相較于其他格式更便于模型輪廓線的提取。

(4)Dynamo for Revit 和 Advance Steel的聯合使用可以發揮各自軟件的優勢，將BIM技術較好運用于蝸殼的快速設計。此方法還可推廣到其他異形鋼結構的設計，例如尾水管、隧洞分叉管等不規則流道，為這類構件的設計提供借鑒與參考。