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(guī)水電站施工中會遇到許多復(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部位，施工精細度要求高。本文利用DYNAMO 等一系列BIM 工具，實現(xiàn)蝸殼解析式三維參數(shù)化建模，通過調(diào)整參數(shù)對尾水肘管三維成模，利用模型實現(xiàn)工程量自動統(tǒng)計及異形曲面展開，并對異形結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的精細化施工提供借鑒。

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)建模手段手動逐個畫出每個點的位置，逐個畫出各斷面形狀，逐個調(diào)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(shù)據(jù)也不一定夠精確，且如果設(shè)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(shù)據(jù)驅(qū)動生成點線面體，可直接根據(jù)設(shè)計參數(shù)再現(xiàn)精準的參數(shù)化模型，模型數(shù)據(jù)精準可靠，且設(shè)計參數(shù)可任意調(diào)整，做到一次成模，多次使用，實現(xiàn)解析式三維參數(shù)化建模。其具體步驟如下：

1）蝸殼設(shè)計參數(shù)選取

2）批量生成蝸殼斷面中心點

圖1 參數(shù)調(diào)整節(jié)點

根據(jù)選取的參數(shù)，通過DYNAMO 中相應(yīng)可視化節(jié)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(jié)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(zhuǎn)至正確位置

由于每個斷面包角不同，通過DYNAMO 節(jié)點批量旋轉(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且因其形狀復(fù)雜一般為施工難點部位，因其設(shè)計參數(shù)通常難以獲取，或參數(shù)難以滿足模型要求，設(shè)計與施工都耗時耗力。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DYNAMO 一系列變換的方式成模。如需設(shè)計修改，及時更新excel 表格參數(shù)即可，方便快捷，并可實現(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。以某長圓形尾水肘管（共17 個斷面）為例，將尾水肘管參數(shù)表整理成excel 數(shù)據(jù)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(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，其中一頁帶有施工圖中的給出的5 列數(shù)據(jù)（斷面寬度B，斷面上下中心點坐標(biāo)X1，X2，Y1，Y2）,另外一頁為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DYNAMO 文件讀取節(jié)點，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)各個參數(shù)，通過DYNAMO 中數(shù)據(jù)生成點，點生成線的原理，利用DYNAMO 節(jié)點進行坐標(biāo)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(biāo)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(jié)點對各斷面形狀進行放樣直接生成三維實體。結(jié)果如圖9所示。

4 模型應(yīng)用

4.1 工程量統(tǒng)計

在模型建立之后，在DYNAMO 中利用節(jié)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(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。本文嘗試利用DYNAMO 中的DIRECTSHAPE 節(jié)點導(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 軟件進行交互時，也出現(xiàn)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(fā)的SPRING 節(jié)點包中的familyinstance 節(jié)點以REVIT 族的方式進行導(dǎo)出，導(dǎo)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(dǎo)入到其他BIM 軟件時，也能進行相應(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(guī)導(dǎo)出DYNAMO 模型至REVIT

圖12 SPRING 節(jié)點導(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)，對于混凝土結(jié)構(gòu)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(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(yīng)的解析式，從而形成參數(shù)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(dǎo)出為SAT 格式，再導(dǎo)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(jié)論是肘管上部分形狀復(fù)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(jīng)過研究，嘗試進一步將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(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UV 上任意點的坐標(biāo)進行查詢，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)場測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(shè)定的參數(shù)獲取UV 曲線，再利用DYNAMO 開發(fā)的REBAR 節(jié)點將曲線轉(zhuǎn)換為鋼筋，當(dāng)獲得UV 曲線后，鋼筋節(jié)點運行時出現(xiàn)錯誤，錯誤原因在于所獲得的UV 曲線的階數(shù)太高為3 次，而節(jié)點目前僅支持最高階數(shù)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(fù)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(zhuǎn)換為低次多段線，再通過鋼筋節(jié)點生成鋼筋。

圖14 曲線次數(shù)及鋼筋生成

5 結(jié) 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(yīng)用的一般問題，對工程精細化施工產(chǎn)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(fù)雜曲面作近似展開操作，而DYNAMO 在發(fā)展過程中，通過自定義開發(fā)節(jié)點有望實現(xiàn)對復(fù)雜曲面展開功能的支持。

3）目前DYNAMO 鋼筋建模對過于復(fù)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(fā)節(jié)點或?qū)⑹且环N可行的解決辦法。