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 伟,方红亮

(华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046)

0 引 言

BIM技术起源于20世纪70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[1]。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#、Dynamo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、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#、Dynamo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Qi均匀减少,如式(1)所示:

(1)

式中:Q为水轮机最大引水流量;φi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:① 将转轮出口的水流平顺地引向下游;② 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;③ 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21.6 m,单机容量3 500 kW,单机额定流量18.52 m3/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Qi均匀减少,满足式(1)。

表1 蜗壳断面尺寸 Tab.1 Volute section size

图1 金属蜗壳单线图(尺寸单位:mm)Fig.1 Single-line diagram of metal volute

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)。

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。图2 蜗壳建模步骤示意Fig.2 Schematic diagram of volute modeling steps

(2) 在蜗壳顶、底高程均画出30°～315°、半径为1 500 mm的圆弧参考线,见图2(b)。

(3) 对参考线设22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R0=1 181 mm,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,输入各自半径R0,依次完成其他轮廓线,期间应关闭三维捕捉,见图2(e)。

(6) 在标高0处,另绘出模型线或参考线,形状为圆弧,尺寸与第2步所作圆弧相同。以此圆弧为路径,选择路径与各个轮廓线(选路径时应避免选中蜗壳顶、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20 mm,选钢管材质并渲染,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。

图3 尾水肘管单线图(尺寸单位:mm)Fig.3 Single line diagram of draft tube

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。

图4 标准肘管透视图Fig.4 Perspective view of standard elbow tube

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。

(1) 参见尾水肘管单线图(图3),在立面上建立轴线(其中0轴线为竖向中心线),在立面上设标高(标高1,2,3分别为肘管底高程、管出口顶高程、肘管顶高程),见图5(a),(b)。

图5 尾水肘管建模步骤示意(尺寸单位:mm)Fig.5 Schematic diagram of modeling steps of the draft pipe

(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1 193.5 mm)、标高3(高程2 386 mm)上用模型线画出3个封闭轮廓。轮廓1由一段半径为1 383 mm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1 193 mm,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=2634 mm)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入项目,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:① 对轮廓1、轮廓2圆弧半径小数点数字四舍五入,精确到毫米,如1 382.7 mm取1 383 mm,2 611.5 mm取2 612 mm等;② 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。