基于Revit二次开发的水轮机蜗壳自动建模方法研究

来源:用户上传      作者:邓玉星 李进平 苏凯

　　摘要：为解决水轮机蜗壳建模过程繁琐和流道参数获取困难的问题，基于Revit软件二次开发，通过Revit API工具包、WinForm开发界面、C#编程语言、蜗壳水力设计理论和蜗壳放样路径公式推导，设计了一款金属蜗壳自动建模插件。运行结果表明：插件可视化程度高，操作方便，能有效提高蜗壳的建模效率，也为流道参数的获取和水力分析提供了接口。
　　关键词：金属蜗壳; BIM技术; 插件设计; 二次开发; 放样融合
　　中图法分类号：TV734 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.01.003
　　文章编号：1006 - 0081（2022）01 - 0011 - 06
　　0 引 言
　　建筑信息模型（Building Information Modeling，BIM）是以三维数字技术为基础并集成建筑工程项目各种相关信息的工程数字模型，是对工程项目相关信息完整的数字化表达[1]。BIM技术的实施解决了工程信息在规划、设计、施工、运营全生命期各阶段的有效利用与管理。在设计阶段，与传统三维设计模型相比， BIM模型具有参数化、可视化、模拟性、协同性和可出图性等优势[2]。BIM技术在建筑行业已得到广泛应用，在水利水电行业的使用越来越多，这是当前的发展趋势。
　　在实际应用中，BIM技术存在费用高、进度紧张、软件生态环境差、需要全人工或半人工转化模型、人工维护困难等问题，采用二次开发是解决这些问题的有效途径[3]。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[4]。其中，Revit除了具有易上手、互操作性强的特点之外，还具有^强的参数化设计能力和软件可开发性，适合进行二次开发。利用Revit的二次开发工具，可以较大程度减少重复工作，提升建模效率，实现快速建模[5]。
　　由于存在大量的异形曲面构件，没有建筑行业类似的标准化构件，水利水电行业在BIM建模时比较困难。以水轮机蜗壳为例，水力设计得到断面数据较多，在Revit中手动建模蜗壳过程十分繁琐且建模质量不易保证。如果采用二次开发方式，用户仅需输入少量关键的蜗壳设计参数，计算机就能实现自动化建模，则可以提高建模质量，且能节省人力成本。
　　目前针对传统建筑行业的Revit二次开发软件较多，针对水利水电行业的比较少，且通用性不足。朱致远等[6]通过Revit二次开发对水闸工程挡土墙进行稳定计算分析，伍丹琪等[7]通过Revit二次开发实现了泵站厂房上部建筑的参数化建模，宋永嘉等[8]将Revit二次开发与数值仿真相结合，进行水闸消能工方案的优化设计研究。
　　本文选择水轮机金属蜗壳为研究对象，分析其水力设计理论，确定流量和流速等关键参数，基于Revit二次开发设计出一款蜗壳BIM建模插件。通过该插件，可自动通过计算公式得出蜗壳的断面参数，并根据断面参数自动建模，还可根据需要生成不同的蜗壳模型，同时，蜗壳的轴线长度和空腔体积的数据也将保存到模型参数中，可为过水流道自动识别和水力分析提供基本数据。
　　1 蜗壳建模基本理论
　　1.1 水力设计理论
　　按照圆周速度等于常数的假设，金属蜗壳圆形断面尺寸的计算公式如下：
　　断面半径
　　[ρi=Qiπvc=φiQmax360oπvc] （1）
　　断面中心距
　　[ai=ra+ρi] （2）
　　断面外半径
　　[Ri=ra+2ρi] （3）
　　式中：[vc]为蜗壳进口断面平均流速，[m/s];[Qmax]为水轮机组的最大引用流量，[m3/s];Qi为蜗壳各个断面水轮机组的引用流量，[m3/s];[ra]为座环外半径，m;[φi]为任一断面处的包角，（°）。
　　1.2 建模方法
　　在Revit中建模水轮机蜗壳，一般先通过空心放样融合来建模蜗壳的空腔部分，接着建模蜗壳的实体部分，最后剪切得到蜗壳模型。水轮机金属蜗壳在设计和制造时通常会根据包角将蜗壳分为多段，蜗壳的单线图见图1。建模时首先可以把图1中蜗壳断面的中心线处理成圆弧并作为放样融合的路径，然后将式（1）的计算结果作为各断面轮廓的半径，对各段蜗壳进行建模，最后通过剪切得到完整的蜗壳。蜗壳舌板是金属蜗壳造型中的关键所在，其位置由蜗壳的包角确定。本文实例中的蜗壳包角为345°，即最后一段金属蜗壳建模结束的位置正是345°包角处，同时蜗壳进口段也在345°包角处设有缺口，在建模对应的座环后，可以保证蜗壳尾端与座环固定导叶的连接。
　　由于Revit空心放样融合及剪切的特殊性，放样路径的计算公式较为复杂，是本文拟解决的关键问题。
　　2 放样融合路径解决方案
　　2.1 放样路径处理思路
　　水轮机蜗壳一般通过空心模型剪切实体得到，而Revit在进行曲面的布尔剪切时，对曲面的质量要求十分严格，如果建模质量不合格，就会出现在剪切时提示无法保持连接的情况。为了保证金属蜗壳分段建模顺利，需要使相邻两段蜗壳连接处的轮廓形状和大小相同且处于同一个平面，而Revit在进行放样融合时，轮廓所在的面是放样路径在端点的法平面。过圆心的直线与圆相交的点的切线必定与该直线垂直，即该直线就是圆在交点处的法线，连接点法平面共面示意见图2。如图2所示，对于相互连接的、半径不同的两段圆弧[A1A2]和[A2A3]，如果它们的两个圆心点[O1]，[O2]和连接点[A2]共线，则两段圆弧在连接点有相同的法线[O1A2]。
　　同理，在空间坐标系中共面的两段圆弧，只要它们的两个圆心点和连接点共线，在连接点处就有相同的法平面，按照这个思路就可以解决放样路径端点轮廓共面的问题。在Revit软件的二次开发中，作为放样融合路径常用的线有直线Line、曲线Arc和样条曲线Spline，直线显然不满足蜗壳的放样融合需求，而样条曲线需要获得多个点及各点之间的权重，计算比较困难。而且，相较于一整条放样路径曲线，分段的放样路径曲线可以更好地利用式（1）中的断面半径，使模型更加精确，故采用分段的Arc曲线作为放样融合路径。
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