李 瑛

（中鐵二十局集團(tuán)第六工程有限公司 陜西西安 710032）

1 工程概況

南寧市邕寧水利樞紐工程，位于邕江干流南寧邕江河段下游青秀區(qū)仙葫開(kāi)發(fā)區(qū)牛灣半島處。邕寧水利樞紐工程采用河床式發(fā)電廠房、燈泡貫流式機(jī)組，共安裝6臺(tái)發(fā)電機(jī)組，總裝機(jī)容量為57.6 MW。廠房燈泡貫流式機(jī)組流道依次分為進(jìn)水流道、轉(zhuǎn)輪室、尾水流道。一次、二次混凝土結(jié)構(gòu)為“方-圓-方”空間曲面異形漸變結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、鋼筋密集，施工難度非常大，質(zhì)量要求很高。

2 BIM技術(shù)應(yīng)用背景

水利樞紐流道等異形部位設(shè)計(jì)依靠設(shè)計(jì)師的空間想象能力，鋼筋的排布只能通過(guò)一個(gè)個(gè)剖面來(lái)表達(dá)，效率低，給施工放樣帶來(lái)困難。根據(jù)二維施工圖紙按照傳統(tǒng)方法進(jìn)行鋼筋下料、加工、安裝，很難保證這些復(fù)雜部位的鋼筋施工質(zhì)量。迫切需要采用建筑業(yè)最新的BIM技術(shù)來(lái)改變這種現(xiàn)狀。水利水電行業(yè)BIM應(yīng)用相對(duì)于工業(yè)與民用建筑行業(yè)比較滯后。究其原因，首先發(fā)達(dá)國(guó)家如美國(guó)，水電裝機(jī)容量世界第一，早已經(jīng)過(guò)了水利水電行業(yè)快速發(fā)展的階段，水電行業(yè)的BIM軟件研發(fā)陷入停滯狀態(tài)；其次水利樞紐工程因地制宜，不同位置的水壩差異較大，單次研發(fā)投入較高，影響了水利工程BIM技術(shù)的推廣。

本工程通過(guò) Autodesk平臺(tái) Revit與 Dynamo［1］軟件相結(jié)合的BIM三維建模配筋技術(shù)將這些復(fù)雜異形部位的鋼筋逐根建立模型，并結(jié)合分層分塊劃分每個(gè)單元的施工范圍，細(xì)化每一個(gè)施工部位的鋼筋搭接。利用BIM配筋模型可快速計(jì)算鋼筋消耗用量，形成實(shí)際加工需要的下料單，用三維可視化模型指導(dǎo)鋼筋安裝達(dá)到準(zhǔn)確、快速、高效的效果。本文詳細(xì)介紹了使用Dynamo插件，通過(guò)點(diǎn)坐標(biāo)的錄入，生成截面形狀，然后loft（放樣）生成polysurface［2］，基于面自動(dòng)生成鋼筋排布。能提取鋼筋坐標(biāo)位置、形狀，自動(dòng)生成長(zhǎng)度、體積信息，便于施工現(xiàn)場(chǎng)鋼筋進(jìn)料、下料。最終的可視化編程文件可以存儲(chǔ)，下次使用時(shí)只要修改點(diǎn)位坐標(biāo)，即可自動(dòng)修改形體形狀、鋼筋排布，顯著提高設(shè)計(jì)和施工效率。

3 Dynamo插件概述

3.1 可視化編程簡(jiǎn)介

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)一個(gè)程序流程將設(shè)計(jì)的各個(gè)部分之間的視覺(jué)、系統(tǒng)或幾何關(guān)系提取并建立聯(lián)系，通過(guò)算法內(nèi)置的規(guī)則，將設(shè)計(jì)理念一步步轉(zhuǎn)化為設(shè)計(jì)結(jié)果。軟件設(shè)定了某些預(yù)先打包的節(jié)點(diǎn)，制定了數(shù)據(jù)輸入、過(guò)程處理、數(shù)據(jù)輸出的基本規(guī)則。程序使用者需要遵循這些規(guī)則，將不同節(jié)點(diǎn)連接在一起，而不需要完全用代碼編寫(xiě)。不同個(gè)人或設(shè)計(jì)公司可以根據(jù)工作習(xí)慣建立一整套的程序流程來(lái)應(yīng)對(duì)不同的項(xiàng)目，只需要修改程序中某些參數(shù)，就可以修改最終設(shè)計(jì)成果，使設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)及施工單位能更好地應(yīng)對(duì)復(fù)雜、異形建筑及構(gòu)筑物的挑戰(zhàn)［3］。

3.2 Dynamo簡(jiǎn)介

Dynamo是一款開(kāi)源軟件，既可以獨(dú)立運(yùn)行，也可以作為Revit等軟件的插件存在。作為可視化編程建模程序［4］，Dynamo提供了可視化操作界面及適應(yīng)各種幾何形體、邏輯關(guān)系的節(jié)點(diǎn)包，不同的節(jié)點(diǎn)代表不同的程序語(yǔ)言。使用者通過(guò)特定節(jié)點(diǎn)的連接形成不同的數(shù)據(jù)操作、結(jié)構(gòu)關(guān)系和幾何形體，完成一套計(jì)算設(shè)計(jì)的工作流程；使用者可以創(chuàng)建高度自定義的系統(tǒng)來(lái)定義設(shè)計(jì)成果，通過(guò)修改特定輸入?yún)?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑物的自我分析、自我計(jì)算。該插件定義了一種不同于傳統(tǒng)圖形建模軟件的幾何信息使用方式，對(duì)于水利水電領(lǐng)域復(fù)雜部位形體及鋼筋的建立應(yīng)用提供了一種新的途徑。Dynamo界面及菜單如圖1所示。

圖1 Dynamo界面及菜單

4 可視化編程鋼筋建模流程

實(shí)現(xiàn)目標(biāo)所用的工具主要為Revit中的Dynamo插件。在Dynamo中建立異形體鋼筋流程如圖2所示。

圖2 Dynamo鋼筋建模流程

點(diǎn)位坐標(biāo)輸入可以是相對(duì)坐標(biāo)，也可以是絕對(duì)坐標(biāo)，相對(duì)坐標(biāo)可以在后期轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)。軟件提供了圓弧、圓、橢圓、螺旋、直線、矩形、nurbscurve、polycurve等節(jié)點(diǎn)集來(lái)生成曲線［5-7］，前4個(gè)用于生成普通曲線，后兩個(gè)用于生成樣條曲線等復(fù)雜多階曲線。針對(duì)不同復(fù)雜度的曲線，Dynamo表皮生成同樣有surface節(jié)點(diǎn)，用于生成簡(jiǎn)單曲面；nurbssurface、polysurface等節(jié)點(diǎn)用于生成復(fù)雜異形曲面，能適應(yīng)大多數(shù)水利水電構(gòu)筑物的建模需求。將生成的形體表皮進(jìn)行偏移，形成鋼筋分布輪廓面。根據(jù)構(gòu)筑物不同部位的鋼筋分布特點(diǎn)，將偏移生成的表皮進(jìn)行UV網(wǎng)格劃分，提取UV網(wǎng)格點(diǎn)的坐標(biāo)信息形成list列表，定位鋼筋特征點(diǎn)的位置，然后將列表進(jìn)行提取、重新排列、去重等操作，連接特定方向的特征點(diǎn)生成所需鋼筋。鋼筋生成后，需要運(yùn)用python語(yǔ)言編寫(xiě)自定義節(jié)點(diǎn)，提取鋼筋長(zhǎng)度信息，錄入鋼筋體積、重量計(jì)算公式，計(jì)算出每條鋼筋的重量。以上步驟生成的鋼筋均有位置信息，可以指導(dǎo)施工過(guò)程中的鋼筋進(jìn)料、下料。

5 應(yīng)用示例

依托BIM技術(shù)在大型水利樞紐施工中的應(yīng)用技術(shù)研究課題，以邕寧水利樞紐工程發(fā)電廠房尾水管鋼筋施工為例，探索利用Dynamo實(shí)現(xiàn)水利復(fù)雜結(jié)構(gòu)鋼筋可視化編程建模及應(yīng)用方法，解決課題中的鋼筋施工工藝和BIM相結(jié)合的問(wèn)題；形成以對(duì)象為載體的數(shù)據(jù)流，解決施工中信息流轉(zhuǎn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)失真等問(wèn)題。

5.1 曲面形體生成

曲面形體生成遵循點(diǎn)生成線、線生成面、面生成體的邏輯。如圖3所示為發(fā)電廠房尾水管內(nèi)層配筋縱剖面圖。在長(zhǎng)度方向選取8個(gè)剖面，提取每個(gè)剖面輪廓中特征點(diǎn)，1-1、2-2剖面為圓形，提取中心點(diǎn)生成圓形即可；8-8剖面為矩形，提取4個(gè)角點(diǎn)坐標(biāo)生成矩形即可；剩余剖面為圓角矩形，需要提取圓角周圍8個(gè)特征點(diǎn)，生成四條直線邊，其余圓角有兩種生成方式，一種采用起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓心的方式繪制；另一種采用給定半徑對(duì)兩條直線倒角的方式生成。第一種方式繪制比較準(zhǔn)確，但是錄入點(diǎn)較多；第二種需要錄入的點(diǎn)位坐標(biāo)精確無(wú)誤，相對(duì)第一種方式更為簡(jiǎn)便。設(shè)置YZ軸平面為工作平面，比較簡(jiǎn)單的1-1剖面、2-2剖面、8-8剖面生成curve曲線即可，需要拼合多段曲線生成面的其他剖面特征線用polycurve命令來(lái)生成。1-1、2-2剖面輪廓線節(jié)點(diǎn)界面見(jiàn)圖4。

圖3 尾水管配筋縱剖面

輪廓線生成后，通過(guò)list.join節(jié)點(diǎn)將剖面1-1特征線和剖面2-2特征線組合成為列表，用surface.byloft生成前半部分錐形曲面；用list.join節(jié)點(diǎn)將3-3剖面特征線至8-8剖面特征線組合成為列表，用polysurface.byloft節(jié)點(diǎn)生成后半部分曲面［8-10］。生成的尾水管內(nèi)側(cè)表皮模型見(jiàn)圖5。如需要調(diào)整曲面形狀，只需更改曲面要素點(diǎn)的點(diǎn)位坐標(biāo)即可。本曲面輪廓線均為閉合曲線，對(duì)于輪廓線為非閉合曲線的形體同樣適用。

5.2 鋼筋生成及應(yīng)用

尾水管內(nèi)側(cè)表皮生成后，需要考慮混凝土保護(hù)層厚度，本工程尾水管部位混凝土保護(hù)層厚度為100 mm。運(yùn)用curve.loft節(jié)點(diǎn)將8條截面輪廓線分別向外偏移100 mm，loft再次生成鋼筋網(wǎng)表皮。偏移數(shù)值可以自由設(shè)置，對(duì)于其他工程不同部位均可用上述方法實(shí)現(xiàn)鋼筋網(wǎng)表皮的生成。

鋼筋網(wǎng)表皮生成后，需要根據(jù)鋼筋分布特點(diǎn)將表皮進(jìn)行劃分，以提取鋼筋分布特征點(diǎn)。觀察發(fā)現(xiàn)尾水管鋼筋為X軸和Y軸方向等間距劃分，根據(jù)這一特點(diǎn)，將polysurface轉(zhuǎn)換為surface，根據(jù)曲面X及Y方向鋼筋數(shù)量，運(yùn)用Surface.PointAtParameter節(jié)點(diǎn)對(duì)曲面進(jìn)行徑向和法向網(wǎng)格劃分，Dynamo根據(jù)曲面特點(diǎn)生成UV網(wǎng)格交點(diǎn)處的三維坐標(biāo)列表。

圖5 生成的尾水管表皮模型

描述尾水管鋼筋只需要軸線方向和剖面信息兩維坐標(biāo)。故將列表拍平形成二維U向坐標(biāo)列表，再將列表行和列互換后生成V向坐標(biāo)列表。對(duì)于復(fù)雜形體的處理，軟件生成的列表中可能會(huì)包含重復(fù)點(diǎn)，需要用Point.Prune Duplicates節(jié)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)列表進(jìn)行去重操作，保證點(diǎn)的唯一性。然后將U方向和V方向整理好的點(diǎn)列表分別順序連接形成鋼筋輪廓。上述步驟生成的UV點(diǎn)坐標(biāo)可以轉(zhuǎn)換為絕對(duì)坐標(biāo)作為鋼筋綁扎定位的依據(jù)。最終生成的鋼筋模型如圖6所示。

圖6 最終生成的鋼筋模型

查閱圖紙，尾水管后半段里層縱向和橫向鋼筋與軟件生成鋼筋數(shù)量吻合。操作完成后，可以根據(jù)模型邏輯將節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分組操作。本項(xiàng)目將節(jié)點(diǎn)分組為表皮生成和鋼筋生成兩大組。表皮生成可繼續(xù)分為前段和后段8個(gè)剖面輪廓生成組；鋼筋生成可分為前段和后段鋼筋生成組（見(jiàn)圖7）。

圖7 鋼筋節(jié)點(diǎn)分組

若有多層鋼筋，則需將鋼筋生成模塊整體復(fù)制，然后設(shè)置新的偏移值及鋼筋間距即可，不需要重新編寫(xiě)節(jié)點(diǎn)組。對(duì)于同類型的其他封閉形體，通過(guò)增加或減少特征線數(shù)量，修改特征點(diǎn)坐標(biāo)即可自動(dòng)生成形體表皮及表皮鋼筋，實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的復(fù)用，提高建模效率、簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程。

鋼筋繪制完成后，需要將鋼筋的重量、長(zhǎng)度等信息進(jìn)行提取作為施工下料的依據(jù)。使用節(jié)點(diǎn)Curve.Length提取列表中鋼筋的長(zhǎng)度，鋼筋重量需要用軟件內(nèi)置的Code Block節(jié)點(diǎn)用 python語(yǔ)言編寫(xiě)［11-12］?？梢詫⒐?jié)點(diǎn)自定義為通用節(jié)點(diǎn)儲(chǔ)存在Dynamo中，方便后期使用。節(jié)點(diǎn)輸入端為鋼筋直徑和鋼筋長(zhǎng)度，輸出端為鋼筋體積、重量等數(shù)據(jù)。自定義鋼筋重量計(jì)算節(jié)點(diǎn)如圖8所示，封裝后的鋼筋重量計(jì)算節(jié)點(diǎn)如圖9所示。

圖8 自定義鋼筋重量計(jì)算節(jié)點(diǎn)

利用軟件生成的鋼筋數(shù)據(jù)進(jìn)行鋼筋采購(gòu)、下料等操作，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)鋼筋工程施工。鋼筋施工現(xiàn)場(chǎng)見(jiàn)圖10，施工質(zhì)量良好。

圖9 封裝后的鋼筋重量計(jì)算節(jié)點(diǎn)

圖10 鋼筋施工現(xiàn)場(chǎng)

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，水利水電行業(yè)BIM應(yīng)用整體滯后于建筑行業(yè)，需要大量實(shí)踐來(lái)推動(dòng)行業(yè)的進(jìn)步。本文嘗試將可視化編程理念引入水工結(jié)構(gòu)復(fù)雜形體及鋼筋三維建模應(yīng)用中，生成了發(fā)電廠房尾水管內(nèi)側(cè)鋼筋布置形式并提取相關(guān)數(shù)據(jù)用于現(xiàn)場(chǎng)施工，保證了工程質(zhì)量。

將形體生成及鋼筋創(chuàng)建節(jié)點(diǎn)進(jìn)行模塊化成組，對(duì)于同類型項(xiàng)目只需要復(fù)制或刪除所需的節(jié)點(diǎn)組，修改部分節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，即可重新生成形體；修改鋼筋間距和鋼筋直徑，即可自動(dòng)生成鋼筋模型?？梢?jiàn)可視化編程能靈活地形成程序流程來(lái)生成復(fù)雜異形形體并進(jìn)行分析計(jì)算，對(duì)于特殊需求可以運(yùn)用編程語(yǔ)言進(jìn)行節(jié)點(diǎn)定制，擴(kuò)展其使用范圍。高效的流程能存儲(chǔ)起來(lái)作為參數(shù)化模塊以快速高效地應(yīng)對(duì)同類型的復(fù)雜異形形體?？傮w而言，可視化編程能提高水利水電行業(yè)設(shè)計(jì)及施工效率，對(duì)推動(dòng)行業(yè)信息化有重要意義。