基于Dynamo和Advance Steel的水轮机蜗壳快速设计方法

刘奕炜，陈铭轩，牛志伟，2，齐慧君

(1.河海大学水利水电学院，江苏 南京 210024；2.水安全与水科学协同创新中心，江苏 南京 210024)

0 引 言

水电作为技术成熟的清洁低碳可再生能源，一直都是我国能源开发的重要方式之一。随着国家“双碳”战略目标的积极推进，水电发展的步伐稳中有进。在水利水电工程中，金属结构设备担负着控制水位、宣泄洪水、保护机组安全运行等任务[1]。蜗壳是一种异形曲面金属结构且为水轮机重要的引水部件，其建模需要放样融合、旋转等操作，过程繁复且耗费时间长，难以保证建模质量[2]。

BIM技术(Buliding Information Modeling，建筑信息模型)是通过一系列软件和数字转化技术，将工程项目建设中设计、施工、管理等各种信息有机整合成一个整体，为项目整个生命周期中的所有决策提供依据[3-5]。随着BIM技术的普及，其在各行业得到积极推广和应用。Revit作为Autodesk公司BIM解决方案的核心平台，其自带的dynamo插件可对复杂结

构进行建模。Dynamo最初应用在建筑行业，文志彬等[6]利用Dynamo开发了桁架钢筋混凝土叠合板参数化设计程序，实现一键生成叠合板钢筋模型。李中元等[7]利用Revit+Dynamo的技术路线实现了长螺旋隧道真三维模型创建。近年来，Dynamo因其强大的功能，开始运用于水利行业，于琦等[8]基于WebGL和Dynamo的混凝土重力坝参数化设计方法，研发了基于BIM的混凝土重力坝参数化设计平台。蜗壳作为异形曲面金属构件，很多学者在探索利用dynamo进行蜗壳快速设计方面做了大量工作。曹阳[9]研究了Dynamo在水力机械设计中的应用并成功实现了蜗壳和尾水管的一键生成。杰德尔别克·马迪尼叶提等[10]结合IronPython和RevitAPI函数调用等编程技巧优化建模流程。王宁等[11]利用Dynamo实现了参数化驱动蜗壳三维建模。上述研究都实现了快速建模，提高了蜗壳的设计效率。但是Revit软件的建模方式相对简单，对复杂结构没有针对性建模功能[12]；并且当三维模型需要加工成实物时，Revit因其无法提供具体加工数据，给蜗壳钢板的加工制造带来了一定的困难。AdvanceSteel(以下简称AS)作为一款钢结构深化软件，可由三维模型生成金属结构加工所需要的数据驱动文件。宋腾[13]通过二次开发技术实现AS内6种简易结构形式的参数化连接创建，其参数可用于后期实物加工。因此，研究综合利用Dynamo插件和AS各自的优点，快速进行蜗壳结构建模，并生成蜗壳加工所需要的数据驱动文件，对于提高蜗壳优化设计及加工效率有重要意义。

1 设计平台简介

1.1 Dynamo参数化设计流程简介

Dynamo可视化编程平台提供丰富的节点库，涵盖内建指令、核心命令、几何运算、Office、数学运算、Revit操作等，其中常用的是几何运算库和Revit操作库[14]。在Dynamo中进行参数化建模，可先根据需求在庞大的节点库中选择目标节点，然后按照一定逻辑把这些代表不同功能的节点串联起来实现目标功能。Dynamo参数化设计流程如图1所示。相比于直接构建标准化模型，此方法不仅可以降低建模难度和成本，而且可以重复修改和使用模型，以提高工作效率。

图1 Dynamo参数化设计流程示意

选择合适的导出导入节点是Dynamo与Revit进行交互的重要一环。从Revit中导出时，节点采用Select Model Element和Element.Geometry。Dynamo导入到Revit方式主要分为以下几种：①Import-Instance.ByGeometry；②DirectShape.ByGeometry；③FamilyType.ByGeometry；④Springs.FamilyInstance. ByGeometry。前3者都为Revit原生节点功能，用于导入简单模型。最后一种为第3方库节点，用户可以依据项目要求定制其功能。4种导入方式的优缺点见表1，可根据实际需求选择不同的导入方式。

表1 Dynamo与Revit交互方式优缺点

1.2 Advance Steel设计平台简介

Autodesk Advance Steel是一款用于钢结构详图绘制、设计、制造和装配施工的三维建模软件，其为用户提供了丰富的结构元件库、完整的智能节点库和设计功能。

在钢结构设计上，AS具有以下优点：①AS可以和Revit、Dynamo以及Navisworks开展无缝协同工作，数据交换完整性高；②AS是基于CAD平台开发的一款软件，对于CAD熟悉的用户易掌握；③具有自动创建图纸(布置总图、施工图等)、快速生成材料报表以及数控文件等功能。

2 蜗壳快速设计方法

2.1 软件分工及使用流程

Revit在联合使用中的任务是利用自带的dynamo插件实现对复杂结构进行参数化、可视化、模块化的快速建模。在Revit中将进行以下操作：①使用Revit内置mentalray渲染引擎，通过调整光线和材质的关系对其进行渲染，其三维效果展示图可以满足一般需求。②将各种水力机械Dynamo设计的逻辑思路封装成自定义节点，利用其复用性实现一键生成模型，为整体的水利工程三维模型提供局部构件，一定程度上简化庞大复杂的建模流程。例如利用Dynamo构建尾水管后布置在电站厂房中，如图2所示。AS的任务是利用其庞大的结构元件库对模型赋予不同种类钢材，然后通过该模型生成所有用于整个项目施工与生产的文件，例如图纸(布置总图、施工图)、材料报表以及数控文件等。两者的联合使用可进行异形钢结构快速设计及加工。

图2 布置在水电站厂房中的尾水管

软件联合使用的两种流程：①对于简单的梁系结构，例如厂房屋面桁架结构，可直接采用AS进行建模、设计、制造，然后导入到Revit中进行后续操作。模型的交互可通过Revit识别AS的系统族的方式实现。②对于一些复杂异形曲面结构，例如蜗壳、尾水管，则可以选择Dynamo先完成建模，然后再导入AS中进行钢结构设计。其流程如图3所示。

图3 Dynamo for Revit和Advance Steel的联合使用流程示意

2.2 软件联合使用关键问题

将模型从AS导入到Revit，其交互后仍将保持数据的完整性。反之，则需要考虑以下两类问题：①如果模型里面含有多种型材，即Revit模型中包含多种族类型，则需要考虑截面问题。当模型导入AS后，需检查模型的钢材是否已经被赋予截面，如果没有，则需重新赋予。②模型导入到AS后部分节点可能会出现重复遗漏等情况。此问题将导致结构之间的关联性消失，进而影响后续操作，故需检查节点并及时处理。

由于AS软件包含完整的AutoCAD功能，故可将Revit模型转变成CAD格式导入AS。Revit的CAD格式共分为四种，分别为DWG、DXF、DGN和ACIS(SAT)。用不同格式导入后会存在模型上的差异性，具体见表2。可根据实际需求选择导入格式，其中ACIS格式适用于模型轮廓线的提取。

表2 不同格式对应的模型特点

3 某水电站蜗壳快速设计案例

本文以蜗壳这种常见的水力机械过流部件为例，运用Dynamo for Revit和Advance Steel联合使用的方法对其进行快速设计，并生成蜗壳加工所需要的数据驱动文件。

3.1 工程概况和数据准备

某电站最大水头为42.7 m，转轮公称直径D1为2.25 m。初步设计蜗壳为金属蜗壳；结构为钢板焊接结构；断面形状为圆形，尾端不考虑椭圆形断面；包角为345°；座环形式选用平行式座环；固定导叶高度为0.5 m。蜗壳的水力设计采用不改变水流的环量方法，公式为

Vur=K

(1)

式中，Vu为圆周分速度；K为蜗壳常数；r为蜗壳断面半径。

采用以下公式对蜗壳的断面尺寸进行计算

(2)

ai=ra+ρi

(3)

Ri=ra+2ρi

(4)

式中，ρi为断面半径；Qi为各个断面水轮机组的引用流量；Vc为蜗壳进口平均流速，取5 m/s；Qmax为水轮机额定引用流量，取38.4 m3/s；φi为i断面到鼻端的包角；ai为断面中心距；为固定导叶进口圆周半径，取1 925 mm；Ri为断面外半径。计算结果见表3。

表3 蜗壳尺寸

3.2 蜗壳参数化建模

建模时建立参数化模型断面轮廓，便于形成族库重复利用[15]。将建模节点按照功能的不同分为以下几组：建模数据信息的读取；蜗壳、座环、固定导叶部分建模；切割；颜色分类；模型的输出及导入到Revit。将已经建立好的蜗壳参数化设计的逻辑思路打包成自定义节点，实现改变某一参数可以同步Dynamo和Revit中的模型改动的功能。建模部分节点见图4。

图4 蜗壳建模的部分节点

3.2.1 参数化设计思路

(1)读取建模数据信息。将蜗壳断面参数及数据存放在excel中，利用Data.ImportExcel，List.DropItems和List.Transpose节点对数据进行前处理，筛选信息导入到Dynamo中。

(2)蜗壳部分建模。通过Point.ByCylindrical-Coordinates节点，利用柱面坐标从10°到355°以15°为步长，ai为长度，定位各个断面圆心；使用Circle.ByCenterPointRadiusNormal和Vector.Rotate节点，以ρi为半径，指定圆的法线方向生成圆断面；两圆之间通过Surface.ByLoft节点形成Surface；使用Surface.Thicken节点将曲面加厚形成薄壳；蜗壳雏形完成。

(3)座环和固定导叶部分建模。两者建模与蜗壳部分建模相类似。座环部分可通过加厚曲面得到实体；导叶通过Curve.SweepAsSolid节点得到实体后，结合Geometry.Rotate节点将对象进行旋转复制。

(4)切割部分和颜色分类。将以上实体通过Solid.Difference节点进行布尔差集运算，得到蜗壳整体结构。用不同的颜色区分蜗壳、固定导叶和座环。

(5)输出。采用Dynamo原生节点ImportInstance. ByGeometry与revit进行交互。导入后不考虑直接在Revit中修改模型。

3.2.2 参数化设计成果

蜗壳在Dynamo中的内部和整体效果见图5。

图5 Dynamo中蜗壳设计效果

3.3 蜗壳钢结构处理

利用AS异形钢构件创建及出图等功能对蜗壳进行处理，得到钢板的图纸、nc数控文件和dxf文件等成果，为后续钢板的加工和使用CAD去查看钢板的图形文件并修改、出图等提供依据和便利。其流程示意见图6。

图6 AS蜗壳处理流程示意

3.3.1 钢结构处理思路

(1)预处理。在Dynamo中将部分节点显示为预览并修改，即可得到蜗壳部分的异形结构，将其保存为ACIS格式文件导入到AS后发现其不同蜗壳断面的Surface存在着不同的划分，处理方法为将Surface的UV等值线数值调整为0，使之变为光滑的曲面后再进行下一步操作。

(2)提取模型轮廓线。将AS的工作模式切换为3D Modeling，利用轮廓线提取功能面板中的Extract Edges功能选项，仅提取模型的断面轮廓线。导入AS所需蜗壳模型与断面轮廓线如图7。

图7 蜗壳断面提取轮廓线示意

(3)赋予钢板。切换为初始工作界面Advance Steel，使用Plate面板中的Create Twisted Folded Plate选项对上述曲线赋予扭曲折叠板，控制板厚、分段、半径系数等参数并选择板与线的相对位置。

(4)编号和碰撞检查。因为只是单一的钢板而不存在组件，所以在使用Documents面板中的Numbering选项时默认对每一块钢板进行single parts编号后，利用checking面板中Clash check选项对模型进行碰撞检查。检查结果见collisions panel，其包括索引号、区段大小、钢材类型、碰撞固体中心坐标及碰撞体积，如图8所示。修复清单中所列出的每一处碰撞并再次检查，直到无错误提示。

图8 碰撞清单

(5)后处理。在Drawing Styles palette绘画风格调色板中选择模板Sp folded beam/plate初步生成所有蜗壳钢板的图纸，其图纸包括钢板的展开图，前视图和左视图。其最大尺寸长宽、宽度、厚度、钢板分段对应弯折的角度和钢板的材质等都自动标注显示在图纸上，并且可通过Edit detail面板自定义图纸布局样式；利用NC选项生成每块钢板在数控机床中的切割数据，为蜗壳的制造提供一定的数据支撑；利用DXF选项导出钢板的dxf格式，供AutoCAD对其图元进行进一步修改。

3.3.2 钢结构处理成果

经过AS处理后，可得到蜗壳所有钢板的数据。部分成果展示如图9。图9a为编号1015钢板在AS中的原生图纸，此钢板厚尺寸为10 mm×1 237.16 mm×8 017.15 mm(厚×宽×高)，材质为S355JR的扭曲折叠板。图9b为编号1014钢板在CAD中的图元。图9c为编号1002钢板用于数控机床切割的数据文件。

图9 AS处理成果

4 结 语

通过本文研究，可得到如下结论：

(1)Dynamo适用于蜗壳这种异形结构的参数化、可视化、模块化的快速建模，此方法可提高工程师的设计效率。

(2)Adcance steel提供的钢板图纸、数控文件、dxf文件等，可满足大部分钢结构构件的设计加工需求。在蜗壳设计中，AS提供钢板在数控机床中切割的数据，为蜗壳的制造提供了一定的数据支撑。

(3)从Revit参数化建模到AS钢结构设计，采用合理的导入格式进行软件之间的数据交互，不仅可以保证数据的高度完整性来避免截面丢失和节点重复遗漏等问题，而且可以简化后续操作来加快设计速度。例如蜗壳设计时采用ACIS(SAT)，相较于其他格式更便于模型轮廓线的提取。

(4)Dynamo for Revit 和 Advance Steel的联合使用可以发挥各自软件的优势，将BIM技术较好运用于蜗壳的快速设计。此方法还可推广到其他异形钢结构的设计，例如尾水管、隧洞分叉管等不规则流道，为这类构件的设计提供借鉴与参考。