基于Dynamo和Advance Steel的水輪機(jī)蝸殼快速設(shè)計(jì)方法

劉奕煒，陳銘軒，牛志偉，2，齊慧君

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210024；2.水安全與水科學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，江蘇 南京 210024)

0 引 言

水電作為技術(shù)成熟的清潔低碳可再生能源，一直都是我國(guó)能源開(kāi)發(fā)的重要方式之一。隨著國(guó)家“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的積極推進(jìn)，水電發(fā)展的步伐穩(wěn)中有進(jìn)。在水利水電工程中，金屬結(jié)構(gòu)設(shè)備擔(dān)負(fù)著控制水位、宣泄洪水、保護(hù)機(jī)組安全運(yùn)行等任務(wù)[1]。蝸殼是一種異形曲面金屬結(jié)構(gòu)且為水輪機(jī)重要的引水部件，其建模需要放樣融合、旋轉(zhuǎn)等操作，過(guò)程繁復(fù)且耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，難以保證建模質(zhì)量[2]。

BIM技術(shù)(Buliding Information Modeling，建筑信息模型)是通過(guò)一系列軟件和數(shù)字轉(zhuǎn)化技術(shù)，將工程項(xiàng)目建設(shè)中設(shè)計(jì)、施工、管理等各種信息有機(jī)整合成一個(gè)整體，為項(xiàng)目整個(gè)生命周期中的所有決策提供依據(jù)[3-5]。隨著B(niǎo)IM技術(shù)的普及，其在各行業(yè)得到積極推廣和應(yīng)用。Revit作為Autodesk公司BIM解決方案的核心平臺(tái)，其自帶的dynamo插件可對(duì)復(fù)雜結(jié)

構(gòu)進(jìn)行建模。Dynamo最初應(yīng)用在建筑行業(yè)，文志彬等[6]利用Dynamo開(kāi)發(fā)了桁架鋼筋混凝土疊合板參數(shù)化設(shè)計(jì)程序，實(shí)現(xiàn)一鍵生成疊合板鋼筋模型。李中元等[7]利用Revit+Dynamo的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)螺旋隧道真三維模型創(chuàng)建。近年來(lái)，Dynamo因其強(qiáng)大的功能，開(kāi)始運(yùn)用于水利行業(yè)，于琦等[8]基于WebGL和Dynamo的混凝土重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)方法，研發(fā)了基于BIM的混凝土重力壩參數(shù)化設(shè)計(jì)平臺(tái)。蝸殼作為異形曲面金屬構(gòu)件，很多學(xué)者在探索利用dynamo進(jìn)行蝸殼快速設(shè)計(jì)方面做了大量工作。曹陽(yáng)[9]研究了Dynamo在水力機(jī)械設(shè)計(jì)中的應(yīng)用并成功實(shí)現(xiàn)了蝸殼和尾水管的一鍵生成。杰德?tīng)杽e克·馬迪尼葉提等[10]結(jié)合IronPython和RevitAPI函數(shù)調(diào)用等編程技巧優(yōu)化建模流程。王寧等[11]利用Dynamo實(shí)現(xiàn)了參數(shù)化驅(qū)動(dòng)蝸殼三維建模。上述研究都實(shí)現(xiàn)了快速建模，提高了蝸殼的設(shè)計(jì)效率。但是Revit軟件的建模方式相對(duì)簡(jiǎn)單，對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)沒(méi)有針對(duì)性建模功能[12]；并且當(dāng)三維模型需要加工成實(shí)物時(shí)，Revit因其無(wú)法提供具體加工數(shù)據(jù)，給蝸殼鋼板的加工制造帶來(lái)了一定的困難。AdvanceSteel(以下簡(jiǎn)稱AS)作為一款鋼結(jié)構(gòu)深化軟件，可由三維模型生成金屬結(jié)構(gòu)加工所需要的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)文件。宋騰[13]通過(guò)二次開(kāi)發(fā)技術(shù)實(shí)現(xiàn)AS內(nèi)6種簡(jiǎn)易結(jié)構(gòu)形式的參數(shù)化連接創(chuàng)建，其參數(shù)可用于后期實(shí)物加工。因此，研究綜合利用Dynamo插件和AS各自的優(yōu)點(diǎn)，快速進(jìn)行蝸殼結(jié)構(gòu)建模，并生成蝸殼加工所需要的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)文件，對(duì)于提高蝸殼優(yōu)化設(shè)計(jì)及加工效率有重要意義。

1 設(shè)計(jì)平臺(tái)簡(jiǎn)介

1.1 Dynamo參數(shù)化設(shè)計(jì)流程簡(jiǎn)介

Dynamo可視化編程平臺(tái)提供豐富的節(jié)點(diǎn)庫(kù)，涵蓋內(nèi)建指令、核心命令、幾何運(yùn)算、Office、數(shù)學(xué)運(yùn)算、Revit操作等，其中常用的是幾何運(yùn)算庫(kù)和Revit操作庫(kù)[14]。在Dynamo中進(jìn)行參數(shù)化建模，可先根據(jù)需求在龐大的節(jié)點(diǎn)庫(kù)中選擇目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，然后按照一定邏輯把這些代表不同功能的節(jié)點(diǎn)串聯(lián)起來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)功能。Dynamo參數(shù)化設(shè)計(jì)流程如圖1所示。相比于直接構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)化模型，此方法不僅可以降低建模難度和成本，而且可以重復(fù)修改和使用模型，以提高工作效率。

圖1 Dynamo參數(shù)化設(shè)計(jì)流程示意

選擇合適的導(dǎo)出導(dǎo)入節(jié)點(diǎn)是Dynamo與Revit進(jìn)行交互的重要一環(huán)。從Revit中導(dǎo)出時(shí)，節(jié)點(diǎn)采用Select Model Element和Element.Geometry。Dynamo導(dǎo)入到Revit方式主要分為以下幾種：①Import-Instance.ByGeometry；②DirectShape.ByGeometry；③FamilyType.ByGeometry；④Springs.FamilyInstance. ByGeometry。前3者都為Revit原生節(jié)點(diǎn)功能，用于導(dǎo)入簡(jiǎn)單模型。最后一種為第3方庫(kù)節(jié)點(diǎn)，用戶可以依據(jù)項(xiàng)目要求定制其功能。4種導(dǎo)入方式的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1，可根據(jù)實(shí)際需求選擇不同的導(dǎo)入方式。

表1 Dynamo與Revit交互方式優(yōu)缺點(diǎn)

1.2 Advance Steel設(shè)計(jì)平臺(tái)簡(jiǎn)介

Autodesk Advance Steel是一款用于鋼結(jié)構(gòu)詳圖繪制、設(shè)計(jì)、制造和裝配施工的三維建模軟件，其為用戶提供了豐富的結(jié)構(gòu)元件庫(kù)、完整的智能節(jié)點(diǎn)庫(kù)和設(shè)計(jì)功能。

在鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，AS具有以下優(yōu)點(diǎn)：①AS可以和Revit、Dynamo以及Navisworks開(kāi)展無(wú)縫協(xié)同工作，數(shù)據(jù)交換完整性高；②AS是基于CAD平臺(tái)開(kāi)發(fā)的一款軟件，對(duì)于CAD熟悉的用戶易掌握；③具有自動(dòng)創(chuàng)建圖紙(布置總圖、施工圖等)、快速生成材料報(bào)表以及數(shù)控文件等功能。

2 蝸殼快速設(shè)計(jì)方法

2.1 軟件分工及使用流程

Revit在聯(lián)合使用中的任務(wù)是利用自帶的dynamo插件實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化、可視化、模塊化的快速建模。在Revit中將進(jìn)行以下操作：①使用Revit內(nèi)置mentalray渲染引擎，通過(guò)調(diào)整光線和材質(zhì)的關(guān)系對(duì)其進(jìn)行渲染，其三維效果展示圖可以滿足一般需求。②將各種水力機(jī)械Dynamo設(shè)計(jì)的邏輯思路封裝成自定義節(jié)點(diǎn)，利用其復(fù)用性實(shí)現(xiàn)一鍵生成模型，為整體的水利工程三維模型提供局部構(gòu)件，一定程度上簡(jiǎn)化龐大復(fù)雜的建模流程。例如利用Dynamo構(gòu)建尾水管后布置在電站廠房中，如圖2所示。AS的任務(wù)是利用其龐大的結(jié)構(gòu)元件庫(kù)對(duì)模型賦予不同種類鋼材，然后通過(guò)該模型生成所有用于整個(gè)項(xiàng)目施工與生產(chǎn)的文件，例如圖紙(布置總圖、施工圖)、材料報(bào)表以及數(shù)控文件等。兩者的聯(lián)合使用可進(jìn)行異形鋼結(jié)構(gòu)快速設(shè)計(jì)及加工。

圖2 布置在水電站廠房中的尾水管

軟件聯(lián)合使用的兩種流程：①對(duì)于簡(jiǎn)單的梁系結(jié)構(gòu)，例如廠房屋面桁架結(jié)構(gòu)，可直接采用AS進(jìn)行建模、設(shè)計(jì)、制造，然后導(dǎo)入到Revit中進(jìn)行后續(xù)操作。模型的交互可通過(guò)Revit識(shí)別AS的系統(tǒng)族的方式實(shí)現(xiàn)。②對(duì)于一些復(fù)雜異形曲面結(jié)構(gòu)，例如蝸殼、尾水管，則可以選擇Dynamo先完成建模，然后再導(dǎo)入AS中進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。其流程如圖3所示。

圖3 Dynamo for Revit和Advance Steel的聯(lián)合使用流程示意

2.2 軟件聯(lián)合使用關(guān)鍵問(wèn)題

將模型從AS導(dǎo)入到Revit，其交互后仍將保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性。反之，則需要考慮以下兩類問(wèn)題：①如果模型里面含有多種型材，即Revit模型中包含多種族類型，則需要考慮截面問(wèn)題。當(dāng)模型導(dǎo)入AS后，需檢查模型的鋼材是否已經(jīng)被賦予截面，如果沒(méi)有，則需重新賦予。②模型導(dǎo)入到AS后部分節(jié)點(diǎn)可能會(huì)出現(xiàn)重復(fù)遺漏等情況。此問(wèn)題將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)之間的關(guān)聯(lián)性消失，進(jìn)而影響后續(xù)操作，故需檢查節(jié)點(diǎn)并及時(shí)處理。

由于AS軟件包含完整的AutoCAD功能，故可將Revit模型轉(zhuǎn)變成CAD格式導(dǎo)入AS。Revit的CAD格式共分為四種，分別為DWG、DXF、DGN和ACIS(SAT)。用不同格式導(dǎo)入后會(huì)存在模型上的差異性，具體見(jiàn)表2?？筛鶕?jù)實(shí)際需求選擇導(dǎo)入格式，其中ACIS格式適用于模型輪廓線的提取。

表2 不同格式對(duì)應(yīng)的模型特點(diǎn)

3 某水電站蝸殼快速設(shè)計(jì)案例

本文以蝸殼這種常見(jiàn)的水力機(jī)械過(guò)流部件為例，運(yùn)用Dynamo for Revit和Advance Steel聯(lián)合使用的方法對(duì)其進(jìn)行快速設(shè)計(jì)，并生成蝸殼加工所需要的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)文件。

3.1 工程概況和數(shù)據(jù)準(zhǔn)備

某電站最大水頭為42.7 m，轉(zhuǎn)輪公稱直徑D1為2.25 m。初步設(shè)計(jì)蝸殼為金屬蝸殼；結(jié)構(gòu)為鋼板焊接結(jié)構(gòu)；斷面形狀為圓形，尾端不考慮橢圓形斷面；包角為345°；座環(huán)形式選用平行式座環(huán)；固定導(dǎo)葉高度為0.5 m。蝸殼的水力設(shè)計(jì)采用不改變水流的環(huán)量方法，公式為

Vur=K

(1)

式中，Vu為圓周分速度；K為蝸殼常數(shù)；r為蝸殼斷面半徑。

采用以下公式對(duì)蝸殼的斷面尺寸進(jìn)行計(jì)算

(2)

ai=ra+ρi

(3)

Ri=ra+2ρi

(4)

式中，ρi為斷面半徑；Qi為各個(gè)斷面水輪機(jī)組的引用流量；Vc為蝸殼進(jìn)口平均流速，取5 m/s；Qmax為水輪機(jī)額定引用流量，取38.4 m3/s；φi為i斷面到鼻端的包角；ai為斷面中心距；為固定導(dǎo)葉進(jìn)口圓周半徑，取1 925 mm；Ri為斷面外半徑。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 蝸殼尺寸

3.2 蝸殼參數(shù)化建模

建模時(shí)建立參數(shù)化模型斷面輪廓，便于形成族庫(kù)重復(fù)利用[15]。將建模節(jié)點(diǎn)按照功能的不同分為以下幾組：建模數(shù)據(jù)信息的讀?。晃仛ぁ⒆h(huán)、固定導(dǎo)葉部分建模；切割；顏色分類；模型的輸出及導(dǎo)入到Revit。將已經(jīng)建立好的蝸殼參數(shù)化設(shè)計(jì)的邏輯思路打包成自定義節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)改變某一參數(shù)可以同步Dynamo和Revit中的模型改動(dòng)的功能。建模部分節(jié)點(diǎn)見(jiàn)圖4。

圖4 蝸殼建模的部分節(jié)點(diǎn)

3.2.1 參數(shù)化設(shè)計(jì)思路

(1)讀取建模數(shù)據(jù)信息。將蝸殼斷面參數(shù)及數(shù)據(jù)存放在excel中，利用Data.ImportExcel，List.DropItems和List.Transpose節(jié)點(diǎn)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行前處理，篩選信息導(dǎo)入到Dynamo中。

(2)蝸殼部分建模。通過(guò)Point.ByCylindrical-Coordinates節(jié)點(diǎn)，利用柱面坐標(biāo)從10°到355°以15°為步長(zhǎng)，ai為長(zhǎng)度，定位各個(gè)斷面圓心；使用Circle.ByCenterPointRadiusNormal和Vector.Rotate節(jié)點(diǎn)，以ρi為半徑，指定圓的法線方向生成圓斷面；兩圓之間通過(guò)Surface.ByLoft節(jié)點(diǎn)形成Surface；使用Surface.Thicken節(jié)點(diǎn)將曲面加厚形成薄殼；蝸殼雛形完成。

(3)座環(huán)和固定導(dǎo)葉部分建模。兩者建模與蝸殼部分建模相類似。座環(huán)部分可通過(guò)加厚曲面得到實(shí)體；導(dǎo)葉通過(guò)Curve.SweepAsSolid節(jié)點(diǎn)得到實(shí)體后，結(jié)合Geometry.Rotate節(jié)點(diǎn)將對(duì)象進(jìn)行旋轉(zhuǎn)復(fù)制。

(4)切割部分和顏色分類。將以上實(shí)體通過(guò)Solid.Difference節(jié)點(diǎn)進(jìn)行布爾差集運(yùn)算，得到蝸殼整體結(jié)構(gòu)。用不同的顏色區(qū)分蝸殼、固定導(dǎo)葉和座環(huán)。

(5)輸出。采用Dynamo原生節(jié)點(diǎn)ImportInstance. ByGeometry與revit進(jìn)行交互。導(dǎo)入后不考慮直接在Revit中修改模型。

3.2.2 參數(shù)化設(shè)計(jì)成果

蝸殼在Dynamo中的內(nèi)部和整體效果見(jiàn)圖5。

圖5 Dynamo中蝸殼設(shè)計(jì)效果

3.3 蝸殼鋼結(jié)構(gòu)處理

利用AS異形鋼構(gòu)件創(chuàng)建及出圖等功能對(duì)蝸殼進(jìn)行處理，得到鋼板的圖紙、nc數(shù)控文件和dxf文件等成果，為后續(xù)鋼板的加工和使用CAD去查看鋼板的圖形文件并修改、出圖等提供依據(jù)和便利。其流程示意見(jiàn)圖6。

圖6 AS蝸殼處理流程示意

3.3.1 鋼結(jié)構(gòu)處理思路

(1)預(yù)處理。在Dynamo中將部分節(jié)點(diǎn)顯示為預(yù)覽并修改，即可得到蝸殼部分的異形結(jié)構(gòu)，將其保存為ACIS格式文件導(dǎo)入到AS后發(fā)現(xiàn)其不同蝸殼斷面的Surface存在著不同的劃分，處理方法為將Surface的UV等值線數(shù)值調(diào)整為0，使之變?yōu)楣饣那婧笤龠M(jìn)行下一步操作。

(2)提取模型輪廓線。將AS的工作模式切換為3D Modeling，利用輪廓線提取功能面板中的Extract Edges功能選項(xiàng)，僅提取模型的斷面輪廓線。導(dǎo)入AS所需蝸殼模型與斷面輪廓線如圖7。

圖7 蝸殼斷面提取輪廓線示意

(3)賦予鋼板。切換為初始工作界面Advance Steel，使用Plate面板中的Create Twisted Folded Plate選項(xiàng)對(duì)上述曲線賦予扭曲折疊板，控制板厚、分段、半徑系數(shù)等參數(shù)并選擇板與線的相對(duì)位置。

(4)編號(hào)和碰撞檢查。因?yàn)橹皇菃我坏匿摪宥淮嬖诮M件，所以在使用Documents面板中的Numbering選項(xiàng)時(shí)默認(rèn)對(duì)每一塊鋼板進(jìn)行single parts編號(hào)后，利用checking面板中Clash check選項(xiàng)對(duì)模型進(jìn)行碰撞檢查。檢查結(jié)果見(jiàn)collisions panel，其包括索引號(hào)、區(qū)段大小、鋼材類型、碰撞固體中心坐標(biāo)及碰撞體積，如圖8所示。修復(fù)清單中所列出的每一處碰撞并再次檢查，直到無(wú)錯(cuò)誤提示。

圖8 碰撞清單

(5)后處理。在Drawing Styles palette繪畫(huà)風(fēng)格調(diào)色板中選擇模板Sp folded beam/plate初步生成所有蝸殼鋼板的圖紙，其圖紙包括鋼板的展開(kāi)圖，前視圖和左視圖。其最大尺寸長(zhǎng)寬、寬度、厚度、鋼板分段對(duì)應(yīng)彎折的角度和鋼板的材質(zhì)等都自動(dòng)標(biāo)注顯示在圖紙上，并且可通過(guò)Edit detail面板自定義圖紙布局樣式；利用NC選項(xiàng)生成每塊鋼板在數(shù)控機(jī)床中的切割數(shù)據(jù)，為蝸殼的制造提供一定的數(shù)據(jù)支撐；利用DXF選項(xiàng)導(dǎo)出鋼板的dxf格式，供AutoCAD對(duì)其圖元進(jìn)行進(jìn)一步修改。

3.3.2 鋼結(jié)構(gòu)處理成果

經(jīng)過(guò)AS處理后，可得到蝸殼所有鋼板的數(shù)據(jù)。部分成果展示如圖9。圖9a為編號(hào)1015鋼板在AS中的原生圖紙，此鋼板厚尺寸為10 mm×1 237.16 mm×8 017.15 mm(厚×寬×高)，材質(zhì)為S355JR的扭曲折疊板。圖9b為編號(hào)1014鋼板在CAD中的圖元。圖9c為編號(hào)1002鋼板用于數(shù)控機(jī)床切割的數(shù)據(jù)文件。

圖9 AS處理成果

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)本文研究，可得到如下結(jié)論：

(1)Dynamo適用于蝸殼這種異形結(jié)構(gòu)的參數(shù)化、可視化、模塊化的快速建模，此方法可提高工程師的設(shè)計(jì)效率。

(2)Adcance steel提供的鋼板圖紙、數(shù)控文件、dxf文件等，可滿足大部分鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)加工需求。在蝸殼設(shè)計(jì)中，AS提供鋼板在數(shù)控機(jī)床中切割的數(shù)據(jù)，為蝸殼的制造提供了一定的數(shù)據(jù)支撐。

(3)從Revit參數(shù)化建模到AS鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用合理的導(dǎo)入格式進(jìn)行軟件之間的數(shù)據(jù)交互，不僅可以保證數(shù)據(jù)的高度完整性來(lái)避免截面丟失和節(jié)點(diǎn)重復(fù)遺漏等問(wèn)題，而且可以簡(jiǎn)化后續(xù)操作來(lái)加快設(shè)計(jì)速度。例如蝸殼設(shè)計(jì)時(shí)采用ACIS(SAT)，相較于其他格式更便于模型輪廓線的提取。

(4)Dynamo for Revit 和 Advance Steel的聯(lián)合使用可以發(fā)揮各自軟件的優(yōu)勢(shì)，將BIM技術(shù)較好運(yùn)用于蝸殼的快速設(shè)計(jì)。此方法還可推廣到其他異形鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，例如尾水管、隧洞分叉管等不規(guī)則流道，為這類構(gòu)件的設(shè)計(jì)提供借鑒與參考。