周 為，楊 鑫

（中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

1 研究背景

在常規(guī)水電站施工中會(huì)遇到許多復(fù)雜的異形曲面結(jié)構(gòu)，比如岔管、蝸殼、尾水肘管等，此類異形曲面結(jié)構(gòu)的存在使得工程計(jì)量、金屬結(jié)構(gòu)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(diǎn)部位，施工精細(xì)度要求高。本文利用DYNAMO 等一系列BIM 工具，實(shí)現(xiàn)蝸殼解析式三維參數(shù)化建模，通過(guò)調(diào)整參數(shù)對(duì)尾水肘管三維成模，利用模型實(shí)現(xiàn)工程量自動(dòng)統(tǒng)計(jì)及異形曲面展開，并對(duì)異形結(jié)構(gòu)三維配筋進(jìn)行了一定的研究，提出了一些問(wèn)題和可行的解決辦法，為此類異形結(jié)構(gòu)的精細(xì)化施工提供借鑒。

2 蝸殼參數(shù)化建模

傳統(tǒng)的蝸殼施工圖，主要提供蝸殼斷面半徑，蝸殼斷面中心與轉(zhuǎn)輪中心距離等參數(shù)，采用傳統(tǒng)建模手段手動(dòng)逐個(gè)畫出每個(gè)點(diǎn)的位置，逐個(gè)畫出各斷面形狀，逐個(gè)調(diào)整每個(gè)斷面的角度，使用斷面放樣成模。建模過(guò)程繁瑣，通過(guò)施工圖獲取的數(shù)據(jù)也不一定夠精確，且如果設(shè)計(jì)稍作修改，整個(gè)模型需要重新搭建。使用DYNAMO 可視化編程建模工具，通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)生成點(diǎn)線面體，可直接根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)再現(xiàn)精準(zhǔn)的參數(shù)化模型，模型數(shù)據(jù)精準(zhǔn)可靠，且設(shè)計(jì)參數(shù)可任意調(diào)整，做到一次成模，多次使用，實(shí)現(xiàn)解析式三維參數(shù)化建模。其具體步驟如下：

1）蝸殼設(shè)計(jì)參數(shù)選取

2）批量生成蝸殼斷面中心點(diǎn)

圖1 參數(shù)調(diào)整節(jié)點(diǎn)

根據(jù)選取的參數(shù)，通過(guò)DYNAMO 中相應(yīng)可視化節(jié)點(diǎn)，批量生成不同位置處蝸殼斷面中心點(diǎn)。具體變換過(guò)程如圖2 所示。

圖2 批量生成蝸殼斷面中心點(diǎn)

3）批量生成蝸殼斷面形狀

以上一步生成的斷面中心點(diǎn)為圓心，通過(guò)DYNAMO節(jié)點(diǎn)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(zhuǎn)至正確位置

由于每個(gè)斷面包角不同，通過(guò)DYNAMO 節(jié)點(diǎn)批量旋轉(zhuǎn)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(jié)點(diǎn)一步放樣成模，如圖5 所示。

6）小結(jié)

此方法也可用于其他類型的蝸殼或其他異形結(jié)構(gòu)，只需要有相應(yīng)的參數(shù)即可。

圖4 批量改變斷面形狀位置

圖5 生成三維參數(shù)化模型

3 尾水肘管參數(shù)化建模

尾水肘管是水電站廠房中較為常見(jiàn)且因其形狀復(fù)雜一般為施工難點(diǎn)部位，因其設(shè)計(jì)參數(shù)通常難以獲取，或參數(shù)難以滿足模型要求，設(shè)計(jì)與施工都耗時(shí)耗力。本文利用施工圖提供的數(shù)據(jù)整理形成excel 數(shù)據(jù)表，導(dǎo)入DYNAMD，再通過(guò)DYNAMO 一系列變換的方式成模。如需設(shè)計(jì)修改，及時(shí)更新excel 表格參數(shù)即可，方便快捷，并可實(shí)現(xiàn)多次使用。具體步驟如下。

1）整理數(shù)據(jù)

根據(jù)尾水肘管斷面參數(shù)表，從中選出三維建模必要的數(shù)據(jù)，形成excel 表格。以某長(zhǎng)圓形尾水肘管（共17 個(gè)斷面）為例，將尾水肘管參數(shù)表整理成excel 數(shù)據(jù)表，因長(zhǎng)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(shù)據(jù)或者為斷面高度H的一半，為保證建模不至產(chǎn)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(shù)據(jù)，所以excel 表格數(shù)據(jù)須整理成2 頁(yè)，其中一頁(yè)帶有施工圖中的給出的5 列數(shù)據(jù)（斷面寬度B，斷面上下中心點(diǎn)坐標(biāo)X1，X2，Y1，Y2）,另外一頁(yè)為6 列數(shù)據(jù)（多出列為施工圖中給出的半徑R 數(shù)據(jù)列）。如圖6所示。

圖6 整理成excel 數(shù)據(jù)

2）導(dǎo)入excel 表格提取各參數(shù)列表

通過(guò)DYNAMO 文件讀取節(jié)點(diǎn)，讀取excel 表中數(shù)據(jù)形成多參數(shù)列表即多維list，從多維list 中抽取各單列參數(shù)數(shù)據(jù)形成單列參數(shù)列表即一維list，如圖7 所示。

3）根據(jù)各列參數(shù)列表繪制斷面形狀

根據(jù)各個(gè)參數(shù)，通過(guò)DYNAMO 中數(shù)據(jù)生成點(diǎn)，點(diǎn)生成線的原理，利用DYNAMO 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)計(jì)算，生成四個(gè)角點(diǎn)列表，將點(diǎn)生成連線得到各斷面矩形列表，然后對(duì)矩形進(jìn)行倒角形成目標(biāo)斷面形狀列表。圖8 為肘管上下部分?jǐn)嗝嫘螤钚纬蛇^(guò)程及最終效果。

4）通過(guò)斷面放樣形成實(shí)體

通過(guò)DYNAMO 節(jié)點(diǎn)對(duì)各斷面形狀進(jìn)行放樣直接生成三維實(shí)體。結(jié)果如圖9所示。

4 模型應(yīng)用

4.1 工程量統(tǒng)計(jì)

在模型建立之后，在DYNAMO 中利用節(jié)點(diǎn)查詢曲面面積以及實(shí)體的體積，圖10 為對(duì)肘管曲面面積進(jìn)行查詢。

4.2 模型互操作性

為實(shí)現(xiàn)BIM 軟件集成應(yīng)用，我們需要在DYNAMO 中將模型導(dǎo)出到REVIT 中。本文嘗試?yán)肈YNAMO 中的DIRECTSHAPE 節(jié)點(diǎn)導(dǎo)出到REVIT 中顯示三維模型，結(jié)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(xù)與其他BIM 軟件進(jìn)行交互時(shí)，也出現(xiàn)不能選擇和進(jìn)行其他操作的問(wèn)題。如圖11 所示。

使用自定義開發(fā)的SPRING 節(jié)點(diǎn)包中的familyinstance 節(jié)點(diǎn)以REVIT 族的方式進(jìn)行導(dǎo)出，導(dǎo)出后的實(shí)體以曲面形式顯示，且可以對(duì)其以簇的形式進(jìn)行編輯，可以查看到該實(shí)體的體積等幾何信息，在導(dǎo)入到其他BIM 軟件時(shí)，也能進(jìn)行相應(yīng)操作，如圖12所示。

4.3 曲面展開

圖7 提取excel 表格參數(shù)列表

圖8 分別繪制上下部分?jǐn)嗝嫘螤?/p>

圖9 肘管三維模型成模

圖10 幾何信息查詢

圖11 常規(guī)導(dǎo)出DYNAMO 模型至REVIT

圖12 SPRING 節(jié)點(diǎn)導(dǎo)出至REVIT

水電站尾水肘管分為混凝土結(jié)構(gòu)和金屬里襯結(jié)構(gòu)，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)尾水肘管，施工時(shí)模板的制作、安拆等工作是一大難點(diǎn)，而對(duì)于金屬里襯，加工制作時(shí)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(jié)展開，以方便模板制作或者金屬結(jié)構(gòu)加工，但肘管彎曲段一般都是不可展曲面，形狀復(fù)雜，不能直接展開，在以往的施工中，有諸如參數(shù)映射法和網(wǎng)格細(xì)分法[4]等對(duì)曲面進(jìn)行近似展開，比如某工程利用三角形展開法和畫法幾何進(jìn)行近似展開和制作加工，并能建立相應(yīng)的解析式，從而形成參數(shù)映射[2]。但此類方法過(guò)程過(guò)于繁瑣，本文將建成的三維實(shí)體模型導(dǎo)出為SAT 格式，再導(dǎo)入INVENTOR 軟件進(jìn)行抽殼及按截面分段后，對(duì)每段進(jìn)行鈑金曲面展開，結(jié)論是肘管上部分形狀復(fù)雜部位不能進(jìn)行展開操作，下部分?jǐn)U散段則可以順利展開。經(jīng)過(guò)研究，嘗試進(jìn)一步將INVENTOR 分段模型導(dǎo)出為DWG 格式，隨后導(dǎo)入RHINO 犀牛軟件進(jìn)行曲面展開，順利得到展開圖形，可對(duì)展開后的圖形進(jìn)行切割標(biāo)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(duì)UV 上任意點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行查詢，即三維模型任意位置的坐標(biāo)均可方便快捷的得到，極大地方便施工現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量放樣工作和施工質(zhì)量復(fù)核工作。

4.5 鋼筋應(yīng)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(jié)構(gòu)配筋一般是基于曲面進(jìn)行配筋，本文利用DYNAMO 對(duì)蝸殼和肘管進(jìn)行配筋，先從曲面上按照設(shè)定的參數(shù)獲取UV 曲線，再利用DYNAMO 開發(fā)的REBAR 節(jié)點(diǎn)將曲線轉(zhuǎn)換為鋼筋，當(dāng)獲得UV 曲線后，鋼筋節(jié)點(diǎn)運(yùn)行時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤，錯(cuò)誤原因在于所獲得的UV 曲線的階數(shù)太高為3 次，而節(jié)點(diǎn)目前僅支持最高階數(shù)2 次。如圖14 所示。

通過(guò)以上，可得出目前DYNAMO 對(duì)鋼筋的支持存在局限性，即對(duì)過(guò)于復(fù)雜的空間異形高次曲線支持不是很好。為解決配筋問(wèn)題，可通過(guò)將從曲面提取的曲線轉(zhuǎn)換為低次多段線，再通過(guò)鋼筋節(jié)點(diǎn)生成鋼筋。

圖14 曲線次數(shù)及鋼筋生成

5 結(jié) 語(yǔ)

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(yīng)用的一般問(wèn)題，對(duì)工程精細(xì)化施工產(chǎn)生了良好效果。

2）利用RHINO 軟件中的GH 插件可對(duì)諸如雙曲等復(fù)雜曲面作近似展開操作，而DYNAMO 在發(fā)展過(guò)程中，通過(guò)自定義開發(fā)節(jié)點(diǎn)有望實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜曲面展開功能的支持。

3）目前DYNAMO 鋼筋建模對(duì)過(guò)于復(fù)雜的異形曲面支持具有局限性，且缺乏對(duì)異形鋼筋深化支持，通過(guò)DYNAMO 自定義開發(fā)節(jié)點(diǎn)或?qū)⑹且环N可行的解決辦法。