基于Dynamo的異性水工建筑物快速建模技術(shù)研究

杰德爾別克·馬迪尼葉提，賈國新，晉 強

(1. 新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830052；2. 河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

建筑信息模型(Building Information Modeling， BIM)是以三維數(shù)字技術(shù)為基礎(chǔ)，在一個模型中集成了建筑、結(jié)構(gòu)、電氣、施工、造價等各方面信息，各部門在設(shè)計和修改各自信息時皆使用該模型[1]，實現(xiàn)信息共享，從而大大減少了各部門在信息傳遞和協(xié)調(diào)過程中繁雜的申請和重建的工作[2- 3]。

得益于其出色的信息協(xié)調(diào)能力，近些年來BIM技術(shù)在水利水電行業(yè)中也獲得了廣泛的應(yīng)用。但水利工程中異型構(gòu)件較多，比如翼墻、拱壩、墊層、廊道、蝸殼、尾水管等[4]，Autodesk Revit作為一種常用的BIM技術(shù)實現(xiàn)軟件，雖然提供了很多內(nèi)置族，但大多為建筑行業(yè)中的梁、柱、窗等較為規(guī)則的結(jié)構(gòu)[5]，對于水利工程中的異型構(gòu)件并不適用。若是采用常規(guī)建族的方法，首先Revit并不支持對于多層樣條曲線(如雙曲拱壩)的放樣操作；其次，由于水工結(jié)構(gòu)的特殊性，對同一種功能的構(gòu)件，在不同項目中的形狀有很大不同，導(dǎo)致模型不能重復(fù)修改使用。而Dynamo提供了相應(yīng)的參數(shù)化設(shè)計功能和強大的異形體建模能力，可以輔助進行異型構(gòu)件開發(fā)及快速建模。

1 Dynamo技術(shù)及優(yōu)點

Dynamo是一款運行在Autodesk Revit上的可視化編程插件，其通過讓用戶使用“節(jié)點”的不同組合，讓用戶自由創(chuàng)建自己所需要的參數(shù)化設(shè)計模型、批量修改參數(shù)、批量修改或?qū)С瞿Ｐ蛯傩耘c幾何屬性等等，將工程師從機械的重復(fù)勞動中解脫出來，大大提高了設(shè)計效率。

運用Dynamo進行參數(shù)化設(shè)計還有以下優(yōu)點：

(1)操作簡單。其基于可視化的編程界面，讓不擁有編程基礎(chǔ)的人也能很快上手[6]。

(2)參數(shù)化設(shè)計。通過更改初始條件參數(shù)就可以更改生成的模型[7]。

(3)可持續(xù)性。可以通過不斷積累自定義節(jié)點，為后續(xù)的設(shè)計提供支持[8]。

(4)支持二次開發(fā)。支持在其中的IronPython節(jié)點中調(diào)用Revit API，實現(xiàn)強大的二次開發(fā)功能。

(5)代碼開源。在全球最大的社交編程及代碼托管網(wǎng)站GitHub中可以下載Dynamo的源代碼，實現(xiàn)代碼的自定義修改，添加自定義功能。

(6)節(jié)點庫豐富。通過在線節(jié)點管理，可以在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點庫中下載自己所需要的節(jié)點[9]，并可以分享自己的節(jié)點，不斷壯大網(wǎng)絡(luò)節(jié)點庫。

2 水電站蝸殼參數(shù)化快速建模技術(shù)

2.1 蝸殼參數(shù)化建模設(shè)計思路

蝸殼是水電站建筑物中應(yīng)用最普遍的一種過流部件，一般在反擊式水輪機組中使用。蝸殼將水流均勻?qū)胨啓C，同時在導(dǎo)水機構(gòu)前形成必要的環(huán)量以減輕導(dǎo)水輪機的工作強度，使機組運行平穩(wěn)、高效。由于蝸殼各斷面的尺寸不一樣，在建模過程中不斷定義工作平面和對應(yīng)參數(shù)，在建模過程中帶來的一定的困難，通過Dynamo可視化節(jié)點可以在短時間內(nèi)通過幾個重要的節(jié)點，導(dǎo)入數(shù)據(jù)和創(chuàng)建出復(fù)雜的蝸殼模型。以金屬蝸殼為主，建模思路如下：

(1)殼包角、進口斷面半徑、各斷面半徑、各斷面外圍輪廓半徑、流量等重要參數(shù)編成一定格式導(dǎo)入到Dynamo中。

(2)通過讀取的信息，并利用Curve.PlaneAt Parameter重要節(jié)點定位蝸殼中心和畫出每個斷面半徑。

(3)對每個斷面進行徑向平面的定義，并通過Circle.ByCenterPointRadius重要節(jié)點連線畫出蝸管軸網(wǎng)曲線。

(4)對每個斷面各半徑進行讀取，并通過Solid.Byloft重要節(jié)點創(chuàng)建實體。

(5)根據(jù)設(shè)計創(chuàng)建適當(dāng)?shù)耐鈬炷镣ㄟ^Solid.Difference重要節(jié)點進行相切。

2.2 蝸殼參數(shù)化建模技術(shù)難點解決

2.2.1數(shù)據(jù)導(dǎo)入

導(dǎo)入數(shù)據(jù)之前需要把不用的數(shù)據(jù)刪除，把各包角角度、各包角所對應(yīng)的內(nèi)外半徑、各斷面半徑等重要參數(shù)編輯好，并通過Data.ImportExcel重要節(jié)點讀取數(shù)據(jù)，讀取時注意英文字母大小寫、文件目錄及所在的工作表名稱等信息。表1為蝸殼主要尺寸導(dǎo)入表。

表1 蝸殼尺寸表

2.2.2蝸管軸網(wǎng)的繪制

由于蝸殼每個包角斷面尺寸不一致，同時每個斷面繪制平面也不一樣，在通常的建模的過程中需要不停的定義工作平面。在Dynamo中建模，首先需要把各斷面半徑通過Line.ByStartPointEndPoint節(jié)點連線，定義好各半徑端點，之后通過Curve.PlaneAtParameter節(jié)點定義每個斷面工作平面，最后通過Circle.ByCenterPointRadius節(jié)點連線繪制出蝸管軸網(wǎng)。在后期的導(dǎo)出族文件步驟中，可以把不需要的建模節(jié)點隱藏掉。具體節(jié)點關(guān)系如圖1所示。

圖1 蝸管軸網(wǎng)繪制節(jié)點

2.2.3蝸殼實體創(chuàng)建

在蝸管軸網(wǎng)基礎(chǔ)上，通過Circle.ByCenterPoint RadiusNormal節(jié)點進一步定義每個斷面進水半徑，之后通過Solid.ByLoft節(jié)點連接各個不同半徑的斷面圖形，創(chuàng)建蝸殼實體結(jié)構(gòu)模型。最后實體模型需要跟蝸殼進水段通過Solid.ByUnion節(jié)點進行一定的銜接。

2.2.4模型剪切

由于金屬蝸殼有外圍的混凝土，在建模過程中需要從Revit創(chuàng)建的外圍混凝土把實體的蝸殼模型通過Solid.Difference節(jié)點進行布爾運算，剪切出空心蝸殼模型，在此模型基礎(chǔ)上可以進一步創(chuàng)建和布置座環(huán)、水輪機等其他構(gòu)件。主要的節(jié)點關(guān)系如圖2所示。圖3為創(chuàng)建出來的最終蝸殼模型。

圖2 模型剪切主要節(jié)點

3 雙曲拱壩參數(shù)化快速建模技術(shù)

3.1 雙曲拱壩參數(shù)化建模設(shè)計思路

圖3 蝸殼參數(shù)化模型

雙曲拱壩是一種高次超靜定空間殼體結(jié)構(gòu)，外形和邊界條件都很復(fù)雜，其壩體上游面受到的荷載通過拱的作用傳遞到兩岸壩肩，并通過梁的作用傳遞到壩基，承載能力很大，大大減少了壩身斷面面積，從而減少了混凝土用量，故而在水工建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。

拱壩整體三維模型的設(shè)計思路如下：

(1)利用已經(jīng)設(shè)計好的各控制高程的兩端及中心拱厚、拱冠梁上游坐標(biāo)、兩端圓心角等參數(shù)導(dǎo)入Excel表格中。

(2)通過Dynamo讀取表格信息，根據(jù)壩型計算出各控制高程的拱弧放樣點坐標(biāo)。

(3)通過樣條曲線NurbsCurve.ByPoints節(jié)點連接放樣點得到每個控制高程的拱弧線。

(4)通過Solid.Loft功能連接每層拱弧線放樣出拱壩實體。

(5)將實體導(dǎo)入到Revit項目中，或者導(dǎo)出為sat二進制文件。

建立完成整體三維模型后，考慮對該三維模型的細致操作，如邊角剪切、橫縫剪切、空間廊道生成等，寫成一個個小功能，方便用戶自行選擇是否使用。

3.2 雙曲拱壩建模主要技術(shù)難點解決

3.2.1將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Excel表格

數(shù)據(jù)的導(dǎo)入可以從CAD圖紙中的數(shù)據(jù)表格中導(dǎo)入，且數(shù)據(jù)填寫格式應(yīng)當(dāng)滿足規(guī)定的要求，例如橢圓型拱壩的數(shù)據(jù)表見表2。

該表每列數(shù)據(jù)應(yīng)滿足每列標(biāo)題要求的內(nèi)容，每一行則代表每個特征高程的數(shù)據(jù)，特征高程數(shù)量沒有限制。要注意的是，第二列“拱冠梁上游坐標(biāo)”以底部拱冠處為零點，以上游為負，下游為正。

3.2.2使用Data.ImportExcel節(jié)點讀取數(shù)據(jù)

讀取節(jié)點需要先通過Input節(jié)點打開Excel表格所在文件目錄，并通過指定工作表名稱，索引到形體數(shù)據(jù)所在的工作表，最終結(jié)果存放于data中，如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)讀取節(jié)點

3.2.3使用Python節(jié)點處理數(shù)據(jù)

由于在Dynamo界面中編寫IronPython腳本時其字體較小，輔助功能不全，調(diào)試不便，導(dǎo)致編寫不是很方便，本次IronPython腳本文件的編寫將在Microsoft Visual Studio中編寫完成，并使用Python Script From String節(jié)點運行該腳本文件，如圖5所示。

該腳本中生成拱弧放樣點集的原理如下：

(1)首先建立局部坐標(biāo)系，原點在拱壩底部拱軸線的拱冠處，x方向以左岸為正，y方向以下游為正，z方向指向上。

(2)再由不同類型的拱壩的拱軸線方程分別推導(dǎo)，得到拱弧線任意一點坐標(biāo)與其對應(yīng)半中心角的參數(shù)方程，其推導(dǎo)過程在《拱壩CADC的理論與實踐》一書中有詳細介紹，例如對于橢圓拱壩，其參數(shù)方程如下[10- 11]：

表2 橢圓型拱壩體型數(shù)據(jù)表

圖5 IronPython腳本導(dǎo)入節(jié)點

(1)

式中，X，Y—局部坐標(biāo)；A、B—橢圓長短軸長；φ—半中心角，T—拱冠厚；yc—拱冠坐標(biāo)。

(3)由于已知各高程拱端半中心角，可以將每個高程半中心角等分為n份，由此求出每份對應(yīng)點的坐標(biāo)，即可得到拱弧中心線的放樣點集。

(4)由于拱弧從拱端到拱冠變拱厚，因此上下游拱弧不再為標(biāo)準型，可以通過密切圓包絡(luò)切線法[2]擬合求得各密切圓上的切點，這些切點的集合即可作為拱弧放樣點的集合。

Python運行完成的結(jié)果將在最后的OUT中輸出，結(jié)果為腳本中定義的拱壩對象，這樣在后續(xù)的處理中，只需要調(diào)用該對象中的方法就可以完成對拱壩的各種放樣剪切操作。

(5)生成拱弧線。首先獲取上一步中生成的拱壩對象，并獲取對象中的存放點集的實例變量outPoints，可以進一步得到各層特征高程拱弧線上點集的坐標(biāo)，其以數(shù)組的形式存放，數(shù)組的結(jié)構(gòu)為：

[...

[特征高程一拱弧的點集，以順時針排列]

[特征高程二拱弧的點集，以順時針排列]

[特征高程三拱弧的點集，以順時針排列]

...]

其次，使用對象中的createCrossCurves方法生成拱弧線數(shù)組，本來可以直接在Dynamo界面上用NurbsCurve.ByPoints節(jié)點直接放樣，但因為拱壩上下游拱圈可使用樣條曲線放樣生成，兩端為直線，因此需要知道兩端的點在數(shù)組中的位置，最后再用PolyCurve節(jié)點將組成拱弧的四條曲線組合為一條連續(xù)的曲線。這樣的復(fù)雜操作不便于在Dynamo可視化界面中通過節(jié)點進行，但使用Python將很好處理，于是將該方法寫入對象之中，直接調(diào)用即可。

(6)生成拱壩實體，導(dǎo)入Revit。這一步較為簡單，直接使用上一步生成的拱圈線數(shù)組，利用Solid.Loft節(jié)點，即可生成拱壩實體，dynamo中效果如圖6所示。

圖6 Dynamo中拱壩三維實體圖

4 批量剪切功能的實現(xiàn)

批量剪切在水工建筑物建模過程中經(jīng)常遇到的一個難點，尤其是對壩體的橫縫與縱縫進行處理時，需要不停地定義每一個縫口，之后每一個壩段之間進行一個相互的銜接處理，本文以拱壩橫、縱縫為例說明Dynamo批量剪切的應(yīng)用。

4.1 兩端剪切功能

拱壩兩端為了適應(yīng)地形條件，往往需要修改一定的角度，每層高程的剪切角度可能不一樣，可以通過放樣操作將各層剪切圖形放樣為實體，而其各層剪切角度可以由Excel表格導(dǎo)入，其格式見表3。

表3 拱壩剪切數(shù)據(jù)表

導(dǎo)入后，使用自定義的cutPoints方法進行切角操作，即可進行拱壩兩端的剪切，該方法的原理如下：

(1)由于指定的切角高程并不在特征高程上，故該高程的拱端坐標(biāo)并不知道，解決方案是將之前的拱壩對象中的放樣點集outPoints數(shù)組進行轉(zhuǎn)置，由上一節(jié)可知該數(shù)組是將各高程的拱弧點集分別放于一個數(shù)組中，最后將這些數(shù)組組成一個二維數(shù)組，將其轉(zhuǎn)置后，則是每一個小數(shù)組中存放的是豎直方向的一列點。

(2)將這些豎直方向點集分別由樣條曲線NurbsCurve放樣，即可得到拱壩的豎直輪廓線。

(3)利用指定剪切高程的水平面與豎直輪廓線相交，通過Geometry.IntersectAll節(jié)點可以得到交點的集合，該交點集合即為對應(yīng)高程的拱弧輪廓點集。

(4)由拱弧輪廓點集得到拱弧兩端邊界的直線，將該直線在中點處旋轉(zhuǎn)列表中指定角度，與原直線閉合后可以形成一個三角形，由此可以得到各高程需要剪切的三角形。

(5)將不同高程的三角形通過Loft放樣后可以得到需要剪切的實體，最后通過Solid.Difference節(jié)點進行bool運算，得到剪切后的壩體。

其中最后兩步也可用下面的方法實現(xiàn)：

將拱弧端部直線旋轉(zhuǎn)一定角度后，利用Geometry.Intersect節(jié)點求得該直線與對應(yīng)的上下游拱弧的交點，再利用該交點與之前的拱弧放樣點重新組合形成新的拱弧放樣點集，最后重新生成拱壩模型。結(jié)果如圖7所示。

圖7 拱壩右端切角三維圖

4.2 橫縫剪切功能

橫縫是壩體內(nèi)的主要接縫，在實際工程中，不同的壩段可能會設(shè)置不同形式的橫縫，為改善壩體應(yīng)力分布，不同的高程也可能采用不同形式的橫縫，而橫縫的形式可大致分為三種：鉛直面橫縫、扭曲面橫縫、折縫。

其中，鉛直面橫縫相當(dāng)于是一條直線自壩體某一高程“一刀切”而形成的豎直平面；扭曲面橫縫的縫面是一個連續(xù)的扭曲面，可以認為由一條直線自上而下隨高程扭轉(zhuǎn)一定角度而形成的扭曲面；折縫的縫面也為一平面，但不是鉛直平面，而是傾斜平面。

該功能的實現(xiàn)同樣可以通過Excel表格導(dǎo)入橫縫坐標(biāo)信息，但橫縫坐標(biāo)往往為工程大地坐標(biāo)，需要通過坐標(biāo)轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)，這有兩種方法：

(1)需要知道三處控制點大地坐標(biāo)與其對應(yīng)的局部坐標(biāo)，通過三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式即可解方程，并求得各坐標(biāo)系的偏轉(zhuǎn)角度和各方向原點距離，從而將所有大地坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為局部坐標(biāo)。

(2)首先指定大地坐標(biāo)系的方位角，和局部坐標(biāo)系原點處的大地坐標(biāo)，即可直接由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式(3)(4)轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)系。

X1=xcos(α)-ysin(α)

(3)

Y1=ycos(α)-xsin(α)

(4)

式中，X1、Y1—局部坐標(biāo)，x、y—大地坐標(biāo)，α—大地坐標(biāo)方位角。

得到局部坐標(biāo)后，就可以生成各高程橫縫線，然后通過Surface.Loft節(jié)點將橫縫線放樣生成縫面，當(dāng)然各種形式的橫縫相連處應(yīng)當(dāng)使用PolySurface將各縫面連為一體，再將橫縫面加厚生成實體，最后由拱壩實體與橫縫實體進行布爾運算，就可得到剪切了橫縫的壩體。

由于在剪切的過程中大地坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換為局部坐標(biāo)系會有誤差，導(dǎo)致壩體剪切不完全，比如橫縫上下游面的坐標(biāo)可能在壩面以內(nèi)幾毫米處，此時橫縫剪切時該處橫縫就不會在壩體表面顯示出來，此時，可以通過將橫縫面向四周延伸一定距離，從而使壩體剪切完全，延伸方法如下：

(1)對于平面類型橫縫面，可由其法向向四周擴展，當(dāng)然，與其他縫相交處的邊界不進行擴展。

(2)對于扭縫，可將組成其放樣的直線向兩端延伸，而放樣的導(dǎo)引線仍然使用原直線組成的導(dǎo)引線，最后將延長的直線進行放樣生成曲面。

最后得到的橫縫剪切后的模型如圖8所示(為表現(xiàn)明顯，橫縫寬度比實際大)。

圖8 壩體橫縫剪切三維模型

5 結(jié)論

以Dynamo可視化編程技術(shù)可以實現(xiàn)復(fù)雜水工建筑物的參數(shù)化開發(fā)，較常規(guī)建模方法相比大大提高了工程師的設(shè)計效率，也可以通過調(diào)用RevitAPI的方式增強Revit的基本功能，快速實驗壩體分縫切割工作，減少工程師的重復(fù)勞動。此建模技術(shù)與思路可推廣用于其它各種異型構(gòu)件的開發(fā)，從而實現(xiàn)快速參數(shù)化建模操作。