基于Revit的水電站異形曲面結構創建方法研究

程陸凱,羅國杰,石 偉,方紅亮

(華北水利水電大學 水利學院,河南 鄭州 450046)

0 引 言

BIM技術起源于20世紀70年代,目前已經在全世界得到了廣泛應用。BIM技術具有可視化溝通平臺、模擬、檢查及參數化等特點[1]。當前水利水電行業主流的BIM設計平臺包括Autodesk公司的Revit,Bentley公司的MicroStation和Dassault公司的Catia等。

水電站設計常遇到許多復雜的異形曲面結構,如蝸殼、尾水肘管等,此類異形曲面結構位于流道關鍵部位,對電站發電效率有顯著影響,存在設計精度要求高、建模難度大等問題。現有研究多采用C#、Dynamo編程,實現蝸殼、尾水肘管三維參數化二次開發Revit建模[2-4],但是二次開發有一定難度,相關人員往往集中在甲級或綜合甲級勘察設計單位。而地市級水利設計單位較缺乏二次開發技術人員,購買商業插件或二次開發學習成本偏高,使單位或個人對復雜BIM建模望而卻步,不利于水利BIM技術的推廣[5]。而且,蝸殼、尾水肘管因其形狀復雜,是水電站廠房的施工難點部位,熟悉二次開發的人員用Dynamo通常難以建模。以往研究中,尾水肘管的二次開發建模通過多斷面放樣融合實現[4],如斷面數少于12～15個則無法保證設計精度。

基于此,本文為降低設計難度、使學者不依賴于編程二次開發,通過Revit的體量或內建模型來解決水電站廠房蝸殼、尾水肘管結構精細化建模問題,可為不熟悉編程二次開發但對Revit平臺有一定經驗的水利BIM設計人員及初學者提供異形曲面建模新思路,提升BIM應用水平,使BIM技術中三維建模不再局限于使用C#、Dynamo編程,促進Revit異形曲面建模形式在水利或者建筑行業中應用。

1 蝸殼、尾水肘管功用及設計要求

1.1 蝸 殼

蝸殼是水流流經反擊式水輪機的第一個部件,也是水輪機尺寸最大的部件之一,有時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量,以合理的斷面尺寸、形狀和強度,保證蝸殼內的水力損失較小,使水流進入導水機構時撞擊小、流量均勻并成軸對稱進水。蝸殼分為混凝土蝸殼和金屬蝸殼兩種。

設計中應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為水輪機最大引水流量;φi為從蝸殼鼻端至任意斷面i的包角(逆時針)。

1.2 尾水肘管

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

2 應用實例

蝸殼及尾水肘管一般用單線圖表示。本文實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,單機容量3 500 kW,單機額定流量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

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

(1) 根據蝸殼單線圖,在南立面設立蝸殼與座環相交的蝸殼頂、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;導入項目中,用面墻功能可賦厚度與材質。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) 對參考線設22個節點平均分割路徑,見圖2(c)。

(4) 采用兩點加半徑方法繪圓弧。先選中斷面1位置分割路徑點(上或下任一點)設置工作平面,再選上下對應兩點,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(上或下任1點)設置工作平面,選上下對應兩點,輸入各自半徑R0,依次完成其他輪廓線,期間應關閉三維捕捉,見圖2(e)。

(6) 在標高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,選擇路徑與各個輪廓線(選路徑時應避免選中蝸殼頂、底的圓弧)創建形狀,見圖2(f)。

(7) 用建筑項目的面墻功能,給蝸殼賦厚度20 mm,選鋼管材質并渲染,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,由進口直錐段、中間肘管段及出口擴散段組成,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

直錐段可通過旋轉實現;出口擴散段是一個水平放置、頂板上翹、底部為水平面、斷面為矩形的擴散管,可通過拉伸命令完成。

對于較為復雜的肘管段,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,肘管是一個轉角90°的變截面彎管,其進口斷面為圓形,出口斷面為矩形。進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到圓環面6,由斜平面5過渡;肘管的側面由垂直面4和垂直圓柱面3形成。

圖4 標準肘管透視圖Fig.4 Perspective view of standard elbow tube

經曲面組成分析,在項目模塊或公制常規模型、體量、自適應族模塊均可完成建模。以下重點介紹在項目內建模型的方法(同公制常規模型方法),基本思路是先建長方體實體,然后用空心剪切,多剪切的部分進行實體拉伸、實體放樣回填,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),在立面上設標高(標高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方體實體。

(3) 在標高1(肘管底,高程0 mm)、標高2(高程1 193.5 mm)、標高3(高程2 386 mm)上用模型線畫出3個封閉輪廓。輪廓1由一段半徑為1 383 mm的圓弧和3條直線組成(在標高1繪制),見圖5(c);切換至標高2,輪廓2在輪廓1基礎上修改,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,直線切點位置也不同,后圓弧與輪廓2相同(在標高3繪制),見圖5(e)。

(4) 選擇輪廓1完成標高1至標高2之間的豎向空心拉伸,見圖5(d)。

(5) 選擇輪廓2、3完成標高2至標高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)連接各實體,完成肘管模型,見圖5(j)。

(9)繼續旋轉、拉伸、連接,完成直錐段、擴散段;建模完成后的整個尾水肘管見圖5(k)。

3 討 論

Revit的入門往往從公制常規模型開始。公制常規模型可以內建,也可以外建族,應用于規則體建模的效率比較高。公制常規模型是通過拉伸、放樣、融合、放樣融合、旋轉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;公制常規模型拉伸、放樣、旋轉輪廓數量只有1個,融合、放樣融合也僅僅是2個。基于以上原因,公制常規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計的,可大大增強Revit建立異形曲面模型的能力?？梢栽陧椖績冉w量,也可以外建體量族載入項目,其通過繪制線(模型線或參考線),選擇線和路徑創建形狀,線可以是不封閉的。體量(包括自適應族)雖沒有公制常規模型的拉伸、放樣、融合、放樣融合、旋轉命令,但是體量非常靈活,可以實現公制常規模型上述命令的所有功能。與CAD等繪圖軟件不同,Revit初學者會因為操作界面沒有設置坐標選項而不習慣,但是在Revit中可以通過設置參考平面、工作平面,使每個點、線、面都有坐標,從而保證設計精度。

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誤的難題,但經多次嘗試,調整了建模、空心剪切、實體連接順序,采取了2個措施,解決問題:① 對輪廓1、輪廓2圓弧半徑小數點數字四舍五入,精確到毫米,如1 382.7 mm取1 383 mm,2 611.5 mm取2 612 mm等;② 對需填充的輪廓5適當加大尺寸,避免過小交角。實踐證明,采取以上措施后,可以解決空心剪切或連接不成功的問題,最終內建體量是單一實體,可以賦厚度、材質,為提取工程量明細表、三維配筋提供了基礎。

4 結 語

本文基于BIM技術可模擬性、可優化性、完備性、協調性等優點,以水電站廠房含蝸殼、尾水肘管為例,分析了異形曲面的結構特點及異形結構精細化建模的設計難點。在實現模型可視化展示功能、碰撞檢查功能的基礎上,采用Revit體量族模型、內建模型建模,可直觀地分析設計過程中可能出現的問題,便于設計人員降低設計難度、減少設計失誤。研究成果可為后續類似異形結構設計提供參考。