摘    要：為降低復(fù)雜水工結(jié)構(gòu)建模的設(shè)計(jì)難度，使基于Revit平臺(tái)的水利BIM設(shè)計(jì)人員不再依賴(lài)于編程，提高建模效率，針對(duì)水電站廠房含蝸殼、尾水肘管等異形結(jié)構(gòu)精細(xì)化建模的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，分析了蝸殼、尾水肘管曲面的構(gòu)成特點(diǎn)，比較了Revit的公制常規(guī)模型、體量模型的異同。以河南省洛寧縣禹門(mén)河水電站為例，介紹了利用Revit的體量和內(nèi)建模型進(jìn)行廠房蝸殼、尾水肘管結(jié)構(gòu)建模的具體過(guò)程。結(jié)果表明：該方法可以結(jié)合體量多斷面放樣融合、非封閉輪廓建立、可參數(shù)化特性和內(nèi)建模型多專(zhuān)業(yè)集成優(yōu)勢(shì)，靈活建立多輪廓的異形曲面，并在三維可視化的基礎(chǔ)上進(jìn)行碰撞檢查進(jìn)而保證設(shè)計(jì)精度。該方法可以快速、靈活運(yùn)用Revit普通功能解決三維復(fù)雜曲面精細(xì)化建模難題，為設(shè)計(jì)人員提供新思路。

關(guān)鍵詞：蝸殼;尾水肘管;Revit;體量;BIM;精細(xì)化建模;禹門(mén)河水電站;

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(lèi)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(wèn)題?，F(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(kāi)發(fā)Revit建模[2,3,4],但是二次開(kāi)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(kāi)發(fā)技術(shù)人員，購(gòu)買(mǎi)商業(yè)插件或二次開(kāi)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(kāi)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(kāi)發(fā)建模通過(guò)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(wú)法保證設(shè)計(jì)精度。

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(chēng)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(guò)蝸殼任意斷面i的流量Qi均勻減少，如式(1)所示：

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(kāi)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(lèi)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(lái)源于河南省洛寧縣禹門(mén)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(jiàn)圖1,斷面尺寸見(jiàn)表1。通過(guò)蝸殼任意斷面i的流量Qi均勻減少，滿足式(1)。

(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(jiàn)圖2(a)。

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

圖1 金屬蝸殼單線圖(尺寸單位:mm) 

表1 蝸殼斷面尺寸

注：R0為蝸殼斷面外弧線半徑；Ai為蝸殼斷面外弧線圓心至座環(huán)圓心的距離；Ri為蝸殼斷面外邊緣至座環(huán)圓心的距離。

(3) 對(duì)參考線設(shè)22個(gè)節(jié)點(diǎn)平均分割路徑，見(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)圖3。

直錐段可通過(guò)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(guò)拉伸命令完成。

圖2 蝸殼建模步驟示意 

注：圖2(h)的蝸殼形狀只是開(kāi)口輪廓形成的表面，沒(méi)有厚度；導(dǎo)入項(xiàng)目中，用面墻功能可賦厚度與材質(zhì)。

圖3 尾水肘管單線圖(尺寸單位:mm) 

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(guò)連接命令完成建模。具體步驟如下。

圖4 標(biāo)準(zhǔn)肘管透視圖 

(1) 參見(jiàn)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(jiàn)圖5(a),(b)。

(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(huà)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)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(jiàn)圖5(f),(g)。

(7) 新建含1/4圓弧的輪廓5,橫向拉伸，見(jiàn)圖5(h),(i)。

(8)連接各實(shí)體，完成肘管模型，見(jiàn)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(jiàn)圖5(k)。

3 討 論

Revit的入門(mén)往往從公制常規(guī)模型開(kāi)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(guò)拉伸、放樣、融合、放樣融合、旋轉(zhuǎn)命令來(lái)生成形體的過(guò)程，這些命令要求輪廓形狀是閉合的，因此，無(wú)法建立開(kāi)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。

本研究在尾水肘管的建模過(guò)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(wèn)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(guò)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(wèn)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)。

文章來(lái)源：水利水電快報(bào). 2023,44(10)