程陸凱,羅國(guó)杰,石 偉,方紅亮

(華北水利水電大學(xué) 水利學(xué)院,河南 鄭州 450046)

0 引 言

BIM技術(shù)起源于20世紀(jì)70年代,目前已經(jīng)在全世界得到了廣泛應(yīng)用。BIM技術(shù)具有可視化溝通平臺(tái)、模擬、檢查及參數(shù)化等特點(diǎn)[1]。當(dāng)前水利水電行業(yè)主流的BIM設(shè)計(jì)平臺(tái)包括Autodesk公司的Revit,Bentley公司的MicroStation和Dassault公司的Catia等。

水電站設(shè)計(jì)常遇到許多復(fù)雜的異形曲面結(jié)構(gòu),如蝸殼、尾水肘管等,此類異形曲面結(jié)構(gòu)位于流道關(guān)鍵部位,對(duì)電站發(fā)電效率有顯著影響,存在設(shè)計(jì)精度要求高、建模難度大等問題。現(xiàn)有研究多采用C#、Dynamo編程,實(shí)現(xiàn)蝸殼、尾水肘管三維參數(shù)化二次開發(fā)Revit建模[2-4],但是二次開發(fā)有一定難度,相關(guān)人員往往集中在甲級(jí)或綜合甲級(jí)勘察設(shè)計(jì)單位。而地市級(jí)水利設(shè)計(jì)單位較缺乏二次開發(fā)技術(shù)人員,購買商業(yè)插件或二次開發(fā)學(xué)習(xí)成本偏高,使單位或個(gè)人對(duì)復(fù)雜BIM建模望而卻步,不利于水利BIM技術(shù)的推廣[5]。而且,蝸殼、尾水肘管因其形狀復(fù)雜,是水電站廠房的施工難點(diǎn)部位,熟悉二次開發(fā)的人員用Dynamo通常難以建模。以往研究中,尾水肘管的二次開發(fā)建模通過多斷面放樣融合實(shí)現(xiàn)[4],如斷面數(shù)少于12～15個(gè)則無法保證設(shè)計(jì)精度。

基于此,本文為降低設(shè)計(jì)難度、使學(xué)者不依賴于編程二次開發(fā),通過Revit的體量或內(nèi)建模型來解決水電站廠房蝸殼、尾水肘管結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模問題,可為不熟悉編程二次開發(fā)但對(duì)Revit平臺(tái)有一定經(jīng)驗(yàn)的水利BIM設(shè)計(jì)人員及初學(xué)者提供異形曲面建模新思路,提升BIM應(yīng)用水平,使BIM技術(shù)中三維建模不再局限于使用C#、Dynamo編程,促進(jìn)Revit異形曲面建模形式在水利或者建筑行業(yè)中應(yīng)用。

1 蝸殼、尾水肘管功用及設(shè)計(jì)要求

1.1 蝸 殼

蝸殼是水流流經(jīng)反擊式水輪機(jī)的第一個(gè)部件,也是水輪機(jī)尺寸最大的部件之一,有時(shí)蝸殼尺寸的大小直接決定著水電站廠房平面尺寸的大小。蝸殼的功用是形成一定的環(huán)量,以合理的斷面尺寸、形狀和強(qiáng)度,保證蝸殼內(nèi)的水力損失較小,使水流進(jìn)入導(dǎo)水機(jī)構(gòu)時(shí)撞擊小、流量均勻并成軸對(duì)稱進(jìn)水。蝸殼分為混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種。

設(shè)計(jì)中應(yīng)滿足通過蝸殼任意斷面i的流量Qi均勻減少,如式(1)所示:

(1)

式中:Q為水輪機(jī)最大引水流量;φi為從蝸殼鼻端至任意斷面i的包角(逆時(shí)針)。

1.2 尾水肘管

尾水肘管是反擊式水輪機(jī)的重要部件,是連接水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪出口與尾水的管道結(jié)構(gòu)?？紤]到廠房地基開挖量和廠房的布置及結(jié)構(gòu)等因素,尾水肘管選型及尺寸大小對(duì)水電站下部塊體投資有很大的影響,其性能優(yōu)劣對(duì)水輪機(jī)的效率和穩(wěn)定性有直接的影響。尾水肘管的功用:① 將轉(zhuǎn)輪出口的水流平順地引向下游;② 利用下游水平面至轉(zhuǎn)輪出口處的高程差,形成轉(zhuǎn)輪出口處的靜力真空,從而利用轉(zhuǎn)輪的吸出高度;③ 回收轉(zhuǎn)輪出口的水流動(dòng)能,將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)輪出口處的動(dòng)力真空,減少轉(zhuǎn)輪出口的動(dòng)能損失,從而提高水輪機(jī)效率。常用的尾水肘管類型有直錐形、肘形。

2 應(yīng)用實(shí)例

蝸殼及尾水肘管一般用單線圖表示。本文實(shí)例資料來源于河南省洛寧縣禹門河水電站。該工程額定水頭21.6 m,單機(jī)容量3 500 kW,單機(jī)額定流量18.52 m3/s。

2.1 蝸殼建模

本文主要研究金屬蝸殼,其單線圖見圖1,斷面尺寸見表1。通過蝸殼任意斷面i的流量Qi均勻減少,滿足式(1)。

表1 蝸殼斷面尺寸 Tab.1 Volute section size

圖1 金屬蝸殼單線圖(尺寸單位:mm)Fig.1 Single-line diagram of metal volute

蝸殼建模相當(dāng)于多個(gè)輪廓線創(chuàng)建放樣融合。常規(guī)模型只能完成2個(gè)封閉輪廓融合,適用性不佳。體量及自適應(yīng)族則可以通過選擇路徑及其路徑法線平面的多輪廓線創(chuàng)建形狀,完成多個(gè)輪廓線放樣融合。本文重點(diǎn)介紹內(nèi)建體量創(chuàng)建蝸殼方法,主要步驟如下。

(1) 根據(jù)蝸殼單線圖,在南立面設(shè)立蝸殼與座環(huán)相交的蝸殼頂、底高程,見圖2(a)。

注:圖2(h)的蝸殼形狀只是開口輪廓形成的表面,沒有厚度;導(dǎo)入項(xiàng)目中,用面墻功能可賦厚度與材質(zhì)。圖2 蝸殼建模步驟示意Fig.2 Schematic diagram of volute modeling steps

(2) 在蝸殼頂、底高程均畫出30°～315°、半徑為1 500 mm的圓弧參考線,見圖2(b)。

(3) 對(duì)參考線設(shè)22個(gè)節(jié)點(diǎn)平均分割路徑,見圖2(c)。

(4) 采用兩點(diǎn)加半徑方法繪圓弧。先選中斷面1位置分割路徑點(diǎn)(上或下任一點(diǎn))設(shè)置工作平面,再選上下對(duì)應(yīng)兩點(diǎn),輸入半徑R0=1 181 mm,完成輪廓1模型線,見圖2(d)。

(5) 同第4步,選中其他斷面位置分割路徑點(diǎn)(上或下任1點(diǎn))設(shè)置工作平面,選上下對(duì)應(yīng)兩點(diǎn),輸入各自半徑R0,依次完成其他輪廓線,期間應(yīng)關(guān)閉三維捕捉,見圖2(e)。

(6) 在標(biāo)高0處,另繪出模型線或參考線,形狀為圓弧,尺寸與第2步所作圓弧相同。以此圓弧為路徑,選擇路徑與各個(gè)輪廓線(選路徑時(shí)應(yīng)避免選中蝸殼頂、底的圓弧)創(chuàng)建形狀,見圖2(f)。

(7) 用建筑項(xiàng)目的面墻功能,給蝸殼賦厚度20 mm,選鋼管材質(zhì)并渲染,見圖2(g),(h)。

2.2 尾水肘管建模

尾水肘管最常用的是彎肘形,由進(jìn)口直錐段、中間肘管段及出口擴(kuò)散段組成,尾水肘管單線圖見圖3。

圖3 尾水肘管單線圖(尺寸單位:mm)Fig.3 Single line diagram of draft tube

直錐段可通過旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn);出口擴(kuò)散段是一個(gè)水平放置、頂板上翹、底部為水平面、斷面為矩形的擴(kuò)散管,可通過拉伸命令完成。

對(duì)于較為復(fù)雜的肘管段,為確保建模精度,了解肘管段各部分的曲面組合尤為重要。肘管段由圓環(huán)面、斜圓錐面、斜平面、水平圓柱面、垂直面、水平面組成。如圖4所示,肘管是一個(gè)轉(zhuǎn)角90°的變截面彎管,其進(jìn)口斷面為圓形,出口斷面為矩形。進(jìn)口豎直向由斜圓錐面1向水平圓柱面2過渡;水平向由斜圓錐面1到圓環(huán)面6,由斜平面5過渡;肘管的側(cè)面由垂直面4和垂直圓柱面3形成。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)肘管透視圖Fig.4 Perspective view of standard elbow tube

經(jīng)曲面組成分析,在項(xiàng)目模塊或公制常規(guī)模型、體量、自適應(yīng)族模塊均可完成建模。以下重點(diǎn)介紹在項(xiàng)目?jī)?nèi)建模型的方法(同公制常規(guī)模型方法),基本思路是先建長(zhǎng)方體實(shí)體,然后用空心剪切,多剪切的部分進(jìn)行實(shí)體拉伸、實(shí)體放樣回填,然后通過連接命令完成建模。具體步驟如下。

(1) 參見尾水肘管單線圖(圖3),在立面上建立軸線(其中0軸線為豎向中心線),在立面上設(shè)標(biāo)高(標(biāo)高1,2,3分別為肘管底高程、管出口頂高程、肘管頂高程),見圖5(a),(b)。

圖5 尾水肘管建模步驟示意(尺寸單位:mm)Fig.5 Schematic diagram of modeling steps of the draft pipe

(2) 建立輪廓尺寸大于尾水肘管的長(zhǎng)方體實(shí)體。

(3) 在標(biāo)高1(肘管底,高程0 mm)、標(biāo)高2(高程1 193.5 mm)、標(biāo)高3(高程2 386 mm)上用模型線畫出3個(gè)封閉輪廓。輪廓1由一段半徑為1 383 mm的圓弧和3條直線組成(在標(biāo)高1繪制),見圖5(c);切換至標(biāo)高2,輪廓2在輪廓1基礎(chǔ)上修改,由2段圓弧、2條直線組成,見圖5(d)紅線;輪廓3與輪廓2相似,由2段圓弧、2條直線組成,但是前圓弧與輪廓2不同,圓心位置靠前190 mm,半徑為1 193 mm,直線切點(diǎn)位置也不同,后圓弧與輪廓2相同(在標(biāo)高3繪制),見圖5(e)。

(4) 選擇輪廓1完成標(biāo)高1至標(biāo)高2之間的豎向空心拉伸,見圖5(d)。

(5) 選擇輪廓2、3完成標(biāo)高2至標(biāo)高3之間豎向空心融合,見圖5(d)。

(6) 新建輪廓4,沿路徑1(圓弧曲線,高程在該圓弧圓心位置,即1194+1440=2634 mm)放樣,見圖5(f),(g)。

(7) 新建含1/4圓弧的輪廓5,橫向拉伸,見圖5(h),(i)。

(8)連接各實(shí)體,完成肘管模型,見圖5(j)。

(9)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)、拉伸、連接,完成直錐段、擴(kuò)散段;建模完成后的整個(gè)尾水肘管見圖5(k)。

3 討 論

Revit的入門往往從公制常規(guī)模型開始。公制常規(guī)模型可以內(nèi)建,也可以外建族,應(yīng)用于規(guī)則體建模的效率比較高。公制常規(guī)模型是通過拉伸、放樣、融合、放樣融合、旋轉(zhuǎn)命令來生成形體的過程,這些命令要求輪廓形狀是閉合的,因此,無法建立開口曲面;公制常規(guī)模型拉伸、放樣、旋轉(zhuǎn)輪廓數(shù)量只有1個(gè),融合、放樣融合也僅僅是2個(gè)?；谝陨显?公制常規(guī)模型不適合多輪廓的異形曲面建模。

Revit體量建模最初是為了建筑方案設(shè)計(jì)的,可大大增強(qiáng)Revit建立異形曲面模型的能力?？梢栽陧?xiàng)目?jī)?nèi)建體量,也可以外建體量族載入項(xiàng)目,其通過繪制線(模型線或參考線),選擇線和路徑創(chuàng)建形狀,線可以是不封閉的。體量(包括自適應(yīng)族)雖沒有公制常規(guī)模型的拉伸、放樣、融合、放樣融合、旋轉(zhuǎn)命令,但是體量非常靈活,可以實(shí)現(xiàn)公制常規(guī)模型上述命令的所有功能。與CAD等繪圖軟件不同,Revit初學(xué)者會(huì)因?yàn)椴僮鹘缑鏇]有設(shè)置坐標(biāo)選項(xiàng)而不習(xí)慣,但是在Revit中可以通過設(shè)置參考平面、工作平面,使每個(gè)點(diǎn)、線、面都有坐標(biāo),從而保證設(shè)計(jì)精度。

本研究在尾水肘管的建模過程中,遇到了空心剪切或連接錯(cuò)誤的難題,但經(jīng)多次嘗試,調(diào)整了建模、空心剪切、實(shí)體連接順序,采取了2個(gè)措施,解決問題:① 對(duì)輪廓1、輪廓2圓弧半徑小數(shù)點(diǎn)數(shù)字四舍五入,精確到毫米,如1 382.7 mm取1 383 mm,2 611.5 mm取2 612 mm等;② 對(duì)需填充的輪廓5適當(dāng)加大尺寸,避免過小交角。實(shí)踐證明,采取以上措施后,可以解決空心剪切或連接不成功的問題,最終內(nèi)建體量是單一實(shí)體,可以賦厚度、材質(zhì),為提取工程量明細(xì)表、三維配筋提供了基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

本文基于BIM技術(shù)可模擬性、可優(yōu)化性、完備性、協(xié)調(diào)性等優(yōu)點(diǎn),以水電站廠房含蝸殼、尾水肘管為例,分析了異形曲面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及異形結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模的設(shè)計(jì)難點(diǎn)。在實(shí)現(xiàn)模型可視化展示功能、碰撞檢查功能的基礎(chǔ)上,采用Revit體量族模型、內(nèi)建模型建模,可直觀地分析設(shè)計(jì)過程中可能出現(xiàn)的問題,便于設(shè)計(jì)人員降低設(shè)計(jì)難度、減少設(shè)計(jì)失誤。研究成果可為后續(xù)類似異形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。