基于Revit的水电站异形曲面结构创建方法研究.pdf

2023年10 月引用格式：程陆凯,罗国杰，石伟，等.基于Revit的水电站异形曲面结构创建方法研究J.水利水电快报，2 0 2 3,44（10）：54-59.水利水电快报EWRHI第44卷第10 期基于 Revit 的水电站异形曲面结构创建方法研究程陆凯，罗国杰，石（华北水利水电大学水利学院，河南郑州450 0 46)摘要：为降低复杂水工结构建模的设计难度，使基于Revit平台的水利BIM设计人员不再依赖于编程，提高建模效率，针对水电站厂房含蜗壳、尾水肘管等异形结构精细化建模的设计难点，分析了蜗壳、尾水肘管曲面的构成特点，比较了Revit的公制常规模型、体量模型的异同。以河南省洛宁县禹门河水电站为例,介绍了利用Revit的体量和内建模型进行厂房蜗壳、尾水肘管结构建模的具体过程。结果表明：该方法可以结合体量多断面放样融合、非封闭轮廊建立、可参数化特性和内建模型多专业集成优势，灵活建立多轮廓的异形曲面，并在三维可视化的基础上进行碰撞检查进而保证设计精度。该方法可以快速、灵活运用Revit普通功能解决三维复杂曲面精细化建模难题，为设计人员提供新思路。关键词：蜗壳；尾水肘管；Revit；体量；BIM；精细化建模；禹门河水电站中图法分类号：TV222文章编号：10 0 6-0 0 8 1(2 0 2 3)10-0 0 54-0 6伟，方红亮文献标志码：AD0I:10.15974/ki.slsdkb.2023.10.0090 引 言BIM技术起源于2 0 世纪7 0 年代，目前已经在全世界得到了广泛应用。BIM技术具有可视化沟通平台、模拟、检查及参数化等特点。当前水利水电行业主流的BIM设计平台包括Autodesk公司的Revit,Bentley公司的MicroStation和Dassault公司的Catia等。水电站设计常遇到许多复杂的异形曲面结构,如蜗壳、尾水肘管等,此类异形曲面结构位于流道关键部位,对电站发电效率有显著影响，存在设计精度要求高、建模难度大等问题。现有研究多采用C#、D y n a mo 编程，实现蜗壳、尾水肘管三维参数化二次开发Revit建模2-4,但是二次开发有一定难度，相关人员往往集中在甲级或综合甲级勘察设计单位。而地市级水利设计单位较缺乏二次开发技术人员，购买商业插件或二次开发学习成本偏高，使单位或个人对复杂BIM建模望而却步,不利于水利BIM技术的推广5。而且，蜗壳、收稿日期:2 0 2 3-0 3-0 1基金项目：国家自然科学基金项目（517 0 9115）；河南省重点研发与推广专项（科技攻关）（18 2 10 2 2 10 0 6 6)作者简介：程陆凯，男，硕士研究生，研究方向为水工结构。E-mail：2 58 7 15910 8 q g.c o m通信作者：罗国杰，男，教授级高级工程师，硕士，主要从事水利结构及水利模型三维可视化方面的研究。Em a i l:4447 0 542 8 54.尾水肘管因其形状复杂，是水电站厂房的施工难点部位，熟悉二次开发的人员用Dynamo通常难以建模。以往研究中,尾水肘管的二次开发建模通过多断面放样融合实现4,如断面数少于12 15个则无法保证设计精度。基于此,本文为降低设计难度、使学者不依赖于编程二次开发,通过Revit的体量或内建模型来解决水电站厂房蜗壳、尾水肘管结构精细化建模问题,可为不熟悉编程二次开发但对Revit平台有一定经验的水利BIM设计人员及初学者提供异形曲面建模新思路，提升BIM应用水平，使BIM技术中三维建模不再局限于使用C#、D y n a m o 编程，促进Revit异形曲面建模形式在水利或者建筑行业中应用。1蜗壳、尾水肘管功用及设计要求1.1蜗壳蜗壳是水流流经反击式水轮机的第一个部件，也是水轮机尺寸最大的部件之一，有时蜗壳程陆凯等基于Revit的水电站异形曲面结构创建方法研究尺寸的大小直接决定着水电站厂房平面尺寸的大小。蜗壳的功用是形成一定的环量，以合理的断面尺寸、形状和强度，保证蜗壳内的水力损失较小，使水流进入导水机构时撞击小、流量均匀并成轴对称进水。蜗壳分为混凝土蜗壳和金属蜗壳两种。设计中应满足通过蜗壳任意断面i的流量Q；均匀减少,如式(1)所示：Q;=360式中：Q为水轮机最大引水流量；为从蜗壳鼻端至任意断面i的包角（逆时针）。1.2尾水肘管尾水肘管是反击式水轮机的重要部件，是连接水轮机转轮出口与尾水的管道结构。考虑到厂房地基开挖量和厂房的布置及结构等因素,尾水肘管选型及尺寸大小对水电站下部块体投资有很大的影响,其性能优劣对水轮机的效率和稳定性有直接的影响。尾水肘管的功用：将转轮出口的水流平顺地引向下游；利用下游水平面至转轮出口处的高程差,形成转轮出口处的静力真空,从而利用转轮的吸出高度；回收转轮出口的水流动能，将其转换为转轮出口处的动力真空，减少转轮出口的动能损失，从而提高水轮机效率。常用的尾水肘管类型有直锥形、肘形。2应用实例蜗壳及尾水肘管一般用单线图表示。本文实例资料来源于河南省洛宁县禹门河水电站。该工程额定水头2 1.6 m，单机容量350 0 kW，单机额定流量18.52 m/s。2.1蜗壳建模本文主要研究金属蜗壳,其单线图见图1断面尺寸见表1。通过蜗壳任意断面i的流量Q，均匀减少,满足式(1)。蜗壳建模相当于多个轮廓线创建放样融合。常规模型只能完成2 个封闭轮廓融合，适用性不佳。体量及自适应族则可以通过选择路径及其路径法线平面的多轮廓线创建形状，完成多个轮廓线放样融合。本文重点介绍内建体量创建蜗壳方法，主要步骤如下。（1）根据蜗壳单线图，在南立面设立蜗壳与座环相交的蜗壳顶、底高程，见图2（a）。（2）在蜗壳顶、底高程均画出30 315半径为150 0 mm的圆弧参考线,见图2(b）。65432.o.0.sl(1)00011(2,3,4)56789Fig.1Single-line diagram of metal volute表1蜗壳断面尺寸Tab.1Volute section size编号9;/()134523303315430052856270725582409225102101119512180131651415015135161201710572221201918172400卜2620(a)平面尺寸(a)Plane size202122R3799(b)立面尺寸(b)Elevationdimension图1金属蜗壳单线图（尺寸单位：mm）Ro/mm118111811181118111441107106910309919519108688257817356896408R2618A;/mm261826182618261825792539249924572415237123262280223221812129207320149101112131415161500R1312R1462R;/mm3799379937993799372336463568348834063322323731483057296328652762265555.2023年10 月编号9;/)18901975206021452230注：Ro为蜗壳断面外弧线半径；A；为蜗壳断面外弧线圆心至座环圆心的距离;R；为蜗壳断面外边缘至座环圆心的距离。（3）对参考线设2 2 个节点平均分割路径，见图2(c)。（4）采用两点加半径方法绘圆弧。先选中断面1位置分割路径点（上或下任一点)设置工作平面，再选上下对应两点,输入半径R。=118 1m m,完成轮廓1模型线,见图2(d）。（5）同第4步，选中其他断面位置分割路径点（上或下任1点）设置工作平面，选上下对应两点，输人各自半径R。，依次完成其他轮廓线，期间应关闭三维捕捉,见图2(e)。2D2D(a)南立面设高程(a)Setting the elevation on the south elevation水利水电快报EWRHI续表（6）在标高0 处，另绘出模型线或参考线，形状Ro/mmA;/mm59019505381880485180043217033901583蜗壳顶320标高0蜗壳底-320(b)Draw a reference line in the top plane of the volute第44卷第10 期R;/mm为圆弧,尺寸与第2 步所作圆弧相同。以此圆弧为2541路径，选择路径与各个轮廓线（选路径时应避免选2418228521361973(b)蜗壳顶平面画参考线(尺寸单位：mm)中蜗壳顶、底的圆弧)创建形状，见图2(f)。（7）用建筑项目的面墙功能，给蜗壳赋厚度20mm，选钢管材质并染，见图2（g），（h）。2.2尾水肘管建模尾水肘管最常用的是弯肘形，由进口直锥段、中间肘管段及出口扩散段组成，尾水肘管单线图见图3。直锥段可通过旋转实现；出口扩散段是一个水平放置、顶板上翘、底部为水平面、断面为矩形的扩散管，可通过拉伸命令完成。对于较为复杂的肘管段，为确保建模精度，了解肘管段各部分的曲面组合尤为重要。肘管段由圆环面、斜圆锥面、斜平面、水平圆柱面、垂直面、水平面315.001500(c)对参考线15分割(c)Divide the guide line by 15(d)绘出第一个轮廓(尺寸单位：mm)(d)Drawthefirst outline(e)完成所有2 2 个轮廊(尺寸单位：mm)(e)Completeall 22Outlines(f)创建蜗壳形状(f)Create thevolute shape(g)项目中赋2 0 mm厚度(g)Assign a thickness value of 20mm in the project注：图2(h)的蜗壳形状只是开口轮廓形成的表面，没有厚度；导入项目中，用面墙功能可赋厚度与材质。56.(h)材质谊染效果(h)Effect of material rendering图2 蜗壳建模步骤示意Fig.2 Schematic diagram of volute modeling steps程陆凯等基于Revit的水电站异形曲面结构创建方法研究1982.52386362.54的部分进行实体拉伸、实体放样回填，然后通过连接命令完成建模。具体步骤如下。R144098686783560.5(a)尾水肘管立面(a)Stern pipe elevation23867Sc61l1234582611621.90R382图3尾水肘管单线图（尺寸单位：mm）Fig.3Single line diagram of draft tube组成。如图4所示,肘管是一个转角90 的变截面弯管,其进口断面为圆形,出口断面为矩形。进口竖直向由斜圆锥面1向水平圆柱面2 过渡；水平向由斜圆锥面1到圆环面6，由斜平面5过渡；肘管的侧面由垂直面4和垂直圆柱面3形成。经曲面组成分析，在项目模块或公制常规模型、体量、自适应族模块均可完成建模。以下重点介绍在项目内建模型的方法（同公制常规模型方法），基本思路是先建长方体实体，然后用空心剪切，多剪切49400图4标准肘管透视图Fig.4Perspective view of standard elbow tube862.5（1）参见尾水肘管单线图（图3），在立面上建.8立轴线（其中0 轴线为竖向中心线），在立面上设标5高（标高1,2,3分别为肘管底高程、管出口顶高程、62788SE611993560.5(b)肘管立面(b)ElbowelevationR250(c)尾水肘管平面(c)Stern pipe planeR2611.5,3560.5(d)肘管平面(d)Cubital plane肘管顶高程）,见图5（a），（b）。（2）建立轮廓尺寸大于尾水肘管的长方体实体。（3）在标高1（肘管底,高程0 mm）标高2（高程119 3.5mm）、标高3（高程2 38 6 mm）上用模型线画出3个封闭轮廓。轮廓1由一段半径为1383mm的圆弧和3条直线组成（在标高1绘制），见图5（c）；切换至标高2,轮廓2 在轮廓1基础上修4500改，由2 段圆弧、2 条直线组成，见图5（d)红线；轮廓3与轮廓2 相似,由2 段圆弧、2 条直线组成，但是前圆弧与轮廓2 不同，圆心位置靠前190 mm，半径为119 3mm,直线切点位置也不同,后圆弧与轮廓2 相同（在标高3绘制），见图5（e）。（4）选择轮廓1完成标高1至标高2 之间的竖向空心拉伸,见图5（d)。（5）选择轮廓2、3完成标高2 至标高3之间竖向空心融合,见图5（d）。（6）新建轮廓4,沿路径1（圆弧曲线，高程在该圆弧圆心位置，即1194+1440=2 6 34mm）放样，见图 5(f),(g)。（7）新建含1/4圆弧的轮廓5,横向拉伸，见图5(h),(i)。（8）连接各实体，完成肘管模型，见图5（j）。(9)继续旋转、拉伸、连接，完成直锥段、扩散段；建模完成后的整个尾水肘管见图5（k）。3讨 论Revit的入门往往从公制常规模型开始。公制常规模型可以内建，也可以外建族,应用于规则体建模的效率比较高。公制常规模型是通过拉伸、放样、融合、放样融合、旋转命令来生成形体的过程，这些57.2023年10 月水利水电快报EWRHI第44卷第10 期0001091095B21952386标高31194标高20.000标高1-1.000F-10003561(a)在平面上设轴线(a)Lay axes on the plane(b)在立面上设高程(b)Elevation on the facade42417461383R26123561R1193(c)轮廓1(高程1)(c)Contour 1(Elevation 1)1001SSOS(d)轮廓2(高程2)(d)Contour 2(Elevation 2)(e)轮廓3(高程3)(e)Contour 3(Elevation 3)2612100011931193000130562193(f)轮廓4(f)Contour 435613561(g)放样路径1(g)Lofing path 1(h)轮廓5(h)Contour 5()连接前肘管模型(i)Elbowtubemodel beforeconnectionFig.5 Schematic diagram of modeling steps of the draft pipe命令要求轮廓形状是闭合的，因此,无法建立开口曲面；公制常规模型拉伸、放样、旋转轮廓数量只有1个,融合、放样融合也仅仅是2 个。基于以上原因，公制常规模型不适合多轮廓的异形曲面建模。Revit体量建模最初是为了建筑方案设计的，可.58.)连接后肘管模型G)Rear elbow tube model after connection图5尾水肘管建模步骤示意（尺寸单位：mm）(k)尾水肘管最终模型(k)Final model of the stern pipe大大增强Revit建立异形曲面模型的能力。可以在项目内建体量,也可以外建体量族载人项目,其通过绘制线（模型线或参考线），选择线和路径创建形状，线可以是不封闭的。体量（包括自适应族）虽没有公制常规模型的拉伸、放样、融合、放样融合、旋转程陆凯等基于Revit的水电站异形曲面结构创建方法研究命令，但是体量非常灵活，可以实现公制常规模型上述命令的所有功能。与CAD等绘图软件不同,Revit初学者会因为操作界面没有设置坐标选项而不习惯,但是在Revit中可以通过设置参考平面、工作平面，使每个点、线、面都有坐标,从而保证设计精度。本研究在尾水肘管的建模过程中，遇到了空心剪切或连接错误的难题，但经多次尝试，调整了建模、空心剪切、实体连接顺序，采取了2 个措施，解决问题：对轮廓1、轮廓2 圆弧半径小数点数字四舍五人，精确到毫米，如138 2.7 mm取138 3mm，2611.5mm取2 6 12 mm等；对需填充的轮廓5适当加大尺寸，避免过小交角。实践证明，采取以上措施后，可以解决空心剪切或连接不成功的问题,最终内建体量是单一实体，可以赋厚度、材质，为提取工程量明细表、三维配筋提供了基础。4结语本文基于BIM技术可模拟性、可优化性、完备性、协调性等优点，以水电站厂房含蜗壳、尾水肘管为例,分析了异形曲面的结构特点及异形结构精细Research on method of creating special-shaped surface structure化建模的设计难点。在实现模型可视化展示功能、碰撞检查功能的基础上,采用Revit体量族模型、内建模型建模，可直观地分析设计过程中可能出现的问题，便于设计人员降低设计难度、减少设计失误。研究成果可为后续类似异形结构设计提供参考。参考文献：1史修府,杨猛，杰德尔别克马迪尼叶提，等.基于Re-vit软件的水利水电工程参数化建族J.水利水电快报,2 0 2 1,42(3):8 5-8 8.2邓玉星，李进平，苏凯.基于Revit二次开发的水轮机蜗壳自动建模方法研究J.水利水电快报，2 0 2 2,43(1):11 16,36.3王宁,闫飞，李丽君，等.Dynamo 在水利工程BIM三维设计中的应用J.人民长江，2 0 2 2,53（2）：2 14-2 18.4周为，杨鑫,BIM技术在水电站厂房异形结构中的应用研究J.湖南水利水电，2 0 2 0(1）：37-41.5 王超,王福良，荣钦彪，等.中小型水利工程设计企业BIM技术应用探讨J.水利水电快报，2 0 2 2,43（增2):82 84.（编辑：江焘，高小雲）of hydropower station by RevitCHENG Lukai,LUO Guojie,SHI Wei,FANG Hongliang(Water Conservancy College,North China University of Water Resources and Electric Power,Zhengzhou 450046,China)Abstract:In order to reduce design difficulty of the modeling of complex hydraulic structures,and make the designpersonnel less depend on the programming and more efficiency in modeling,in view of the design difficulties of re-fined modeling of special-shaped structures including volute and draft elbow tube in the hydropower station,thestructural characteristics of volute and draft elbow tube surfaces were analyzed,and the similarities and differencesbetween metric conventional model and volume model of Revit were compared.Taking the Yumenhe HydropowerStation in Ning County,Henan Province as an example,the modeling process of volute and draft elbow tube struc-tures in the powerhouse of hydropower station by using the volume and internal model of Revit was described in de-tail.The results showed that this method could combine the advantages of multi-section lofting fusion,non-closedcontour creation,parametric characteristics,and multi-specialty integration of built-in models to flexibly createmulti-contour peculiar surfaces,and could conduct collision checks on a 3D visualization basis to ensure designaccuracy.The method can solve various 3D complex surface refinement modeling problems by quickly and flexiblyusing Revit common functions,which could provide a new idea for designers.Key words:volute;draft elbow tube;Revit;volume;BIM;fine modeling;Yumenhe Hydropower Station59.