Dynamo在水利工程BIM三维设计中的应用

2022-04-02王宁闫飞李丽君龚君康刘晨

人民长江 2022年2期

王宁　闫飞　李丽君　龚君康　刘晨

摘要：当前由于主流平台的局限性，水利工程三维设计一般由多平台配合完成，这样可能会造成数据转换信息损失及应用推广成本的提升。如何在同一平台完成主要设计工作已然成为目前研究热点。鉴于现有Revit平台原生功能对于水利工程复杂曲面形体建模存在很大局限，根据Revit软件和Dynamo插件的技术特点，梳理并研究了Dynamo参数化建模的技术和与Revit数据交换/交互方式。研究成果在花马湖泵站工程施工图设计中得到了实际应用，效果较好，可为今后单一Revit平台的水工项目三维设计提供借鉴与参考。

关键词：水利工程; BIM; 三维参数化设计; Revit; Dynamo

中图法分类号： TP391

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.02.036

0引言

近年来，BIM（Building Information Modeling，建筑信息模型）技术逐步在水利水电行业得到广泛的推进和应用。与建筑工程相比，水利工程一般具有体量大、构造复杂、涉及专业多、设计和施工周期长、受环境因素影响大等特点。特别是水利工程中各种复杂异形曲面构件（如流道、蜗壳、尾水管、拱坝）三维精细化建模，是水利工程BIM三维设计的主要难点，也是经常困扰设计人员的技术问题。

尽管目前在主流的软件平台上已有可行的解决方案，比如通过CATIA较强的曲面造型和参数化建模功能，可以实现水工构筑物异形曲面构件三维建模功能[1]。然而平台间模型互联互通问题，阻碍了平台间的协同设计。例如，在CATIA里创建的水工三维模型和Revit创建的附属厂房等建筑物模型的整合问题。虽然CATIA和Revit软件的数据可以通过插件或接口进行互导，但是这种格式转换存在单向不可逆、构件附属信息损失、构件可能缺失等问题。一般在行业内有2种解决思路：第一种是开发数据接口或通用的交换数据格式，在最大限度保证信息完成性的情况下，将某个平台的数据转换到另一个软件平台中进行数据整合，从而实现多平台间协同设计;第二种是在目前平台间设计数据转换不成熟的情况下，尽可能在同一个平台完成全部三维建模、算量和出图工作。

本文主要研究技术路线是基于上述第二种思路，即探索在单一软件平台上完成水利工程的主要设计建模工作，从而避免多平台间数据互导造成数据信息丢失等问题。Revit软件在建筑行业应用广泛，也具有较强的建筑建模、出图功能，但因为异形曲面形体建模能力有限，所以在大中型复雜水利项目中全面应用存在障碍。能否实现在Revit中快速便利地创建参数化曲面形体成为了Revit平台水利工程BIM全过程三维设计的关键技术问题。近年来，随着Revit平台中Dynamo插件的出现，大幅提高了Revit平台参数化曲面建模能力，因此也为在Revit单一平台实现大中型水利工程三维设计提供了一条可行的技术路径。

本文对现有主流平台进行了比选，分析了Revit软件平台和Dynamo插件的技术特点，梳理了Dynamo参数化建模的技术和与Revit数据交换/交互方式，并通过典型的水利工程异形构件（蜗壳、双曲拱坝）实例，详细介绍了设计建模技术流程。该技术在花马湖泵站的厂房方案设计阶段中得到了实际应用。本文研究成果也可为今后基于Revit平台的水工项目三维设计提供新的思路。

1水利工程三维设计平台

1.1水利工程三维设计平台比选

根据目前市场占有率，在水利水电设计行业主流的BIM三维设计软件平台有3个：美国Autodesk公司的Revit系列软件、美国Bentley公司的MicroStation系列软件以及法国达索公司的CATIA软件，俗称“ABC”三平台。这三大设计平台各有特点，Revit在工民建行业应用最为普及，与BIM技术相关应用结合度较高;Bentley平台各专业数据统一格式，不存在格式转换问题，并在工业建筑设计和基础设施领域具有优势;CATIA软件具备强大的曲面造型和参数化建模能力，可方便地完成复杂的异形构件的参数化建模。表1为主流水利工程三维设计平台特点的对比情况。

1.2Revit平台特点与局限性

Revit软件是由欧特克公司开发的面向建筑行业的BIM三维设计与建模软件，提供了包括建筑、结构、给排水、暖通、电气等多专业协同设计的工作模式，主要功能包括各专业设计模型创建、管线综合、碰撞检查、出施工图、日照采光分析等等。鉴于Revit的市场普及率、软件成熟度、易用性和性价比，不少水利设计单位在水利水电工程项目实施中采用Revit进行三维设计，取得了一定的成效。然而Revit软件系统本身自带的曲面造型功能较弱，比如在建筑设计时一般通过第三方软件（如Rhino、CATIA）进行曲面建模，通过导入方式进入Revit，然后在Revit中利用体量模式拾取相应的曲面生成Revit体量，最后在Revit软件中对该体量进行进一步曲面划分、墙体楼层的生成等深化设计操作。这种模式有一个很突出的问题就是异形体量一旦生成，导入Revit就无法修改。若方案需要修改则需要在第三方软件中进行修改后重新导入Revit，并且Revit中深化设计工作基本上需要重新做，极大增加了重复工作量。为解决Revit复杂曲面建模的技术短板，欧特克公司引入了Dynamo插件，这对于Revit单一平台实现大中型水利工程三维设计，避免多平台间数据转换，提供了一条可行的技术路线。

1.3Dynamo插件介绍

Dynamo是一款针对Revit的参数化建模插件，是基于可视化编程设计（Visual Programming for Design）理念而开发的设计工具[2]。起初Dynamo是开源软件，后来被欧特克公司直接整合到Revit 2017后续版本中。Dynamo与Rhino上的Grasshopper插件类似，通过可视化模块参数化驱动完成复杂的设计操作，从而实现用户的设计意图。Dynamo可以实现参数化形体创建、与Revit模型进行交互操作（如图元调整、统计算量、配色等），也可将外部数据解析进行形体创建，如根据等高线或点集生成地形，根据参数表格创建形体等。Dynamo软件强大的曲面造型创建功能弥补了Revit原生曲面造型功能不足的缺陷，并可以使一些繁琐重复的操作简单化，从而使设计师摆脱束缚，将注意力集中在设计本身上。

1.4Dynamo设计应用概况

Dynamo已经在建筑行业得到了一定程度的应用[3]，如栗峰等[4]利用Dynamo对Revit中网架单元作为自适应构件进行控制，自动生成网格系统。王松[5]实现了利用Dynamo進行建筑构件的批量自动排布和异形建筑外形创建。李媛等[6]直接利用Dynamo对预制装配式停车楼的建筑构件（柱、墙、板、坡度）的族参数进行调整。张玮[7]利用Dynamo读取EXCEL参数来实现批量生成和修改桥梁构件。

最近几年，有部分水利行业单位开始探索Dynamo插件在水利工程参数化设计建模中的应用，比如宋丹[8]、赵津茂[9]分别研究了在Civil3D软件中Dynamo插件实现双曲拱坝和扶壁式挡土墙的三维建模技术;周为等[10]实现了Dynamo在水电站厂房异形结构中的建模技术;曹阳[11]探讨了Dynamo在Revit中对于水利机械设计的建模技术，均对Dynamo在水利工程的异形曲面设计建模进行了深入研究，也给该课题研究带来了一定的技术启发。

2Dynamo参数化建模关键技术

2.1典型设计流程

Dynamo软件进行水利工程曲面部件的参数化建模的流程如图1所示。

2.2参数读取解析

在Dynamo中可通过读取表格数据来驱动水工建筑物形体。操作过程中，应将与建筑物构件尺寸等相关的标准数据以表格的形式存放在相应的文件中，并建立表中数据与三维模型特征参数的联系。设计师通过选择表中不同记录达到改变几何尺寸，获取所需水利设施的模型的目的。在Dynamo参数化设计中，设计师可通过节点模块将Excel格式的参数文件中相关参数读入Dynamo的链表List容器中，以便进行进一步处理。

2.3几何形体生成

Dynamo中提供了包括曲线Curve、曲面Surface、实体Solid等多种几何体类型，设计师可利用类型节点函数通过放样或扫掠方式生成曲线、曲面、实体等几何体。如通过常见的点拟合曲线生成曲线，放样、封闭区域生成曲面，放样、扫略、交差并等方式生成实体，通过曲线、曲面、实体创建并最终实现构筑物曲面形体建模。

2.4与Revit交互

Dynamo与Revit交互（数据交换与交互控制）一般有4种方式：

① ImportInstance方式;

② DirectShape方式;

③ ExportToSAT方式;

④ Family Instance方式。

上述4种方式各有特点也各自具有明显的优缺点。一般而言，方式①和②在Dynamo形体建模导入Revit时较为常用;方式③需要通过SAT中间格式进行模型转换;方式④在桥梁隧洞的参数化建模过程中时常采用[12-13]。因此，设计人员可根据具体情况选择合适的导入方式。综上所述，这4种方式的优缺点如表2所列。

3Dynamo建模应用实例

3.1金属蜗壳建模实例

蜗壳是水利水电工程中较为常见有复杂曲面结构的部件，也是基于Revit软件原生功能不能快速建模的典型水工构件。通常随着工程项目设计阶段的不断推进，设备厂商会提供详细的蜗壳尺寸数据，设计人员需要根据上述数据进行三维建模。

利用Dynamo实现参数化驱动蜗壳三维建模的主要技术思路为：通过读取Excel格式的各设计断面参数建立各断面，利用放样、曲面加厚操作生成壳体的实体。座环包括上座环、下座环、固定导叶等3个主要部件，通过曲线工具创建固定导叶的轮廓，再通过放样、平移、旋转等操作生成多个固定导叶实体;通过曲线工具创建座环轮廓，再按轴线扫掠轮廓曲线生成坐环;在此基础上，将生成的蜗壳与座环形体部件进行整合，并通过ImportInstance或DirectShape方式将蜗壳形体导入到Revit中。蜗壳建模主要过程如图2（a）～（d）所示。

3.2双曲拱坝坝体建模实例

双曲拱坝为双向（水平向及竖向）弯曲的拱坝。它是拱坝中最具有代表性的坝型，也是水利工程中较为常见的包含曲面形体的水工建筑物。而Revit难以通过原生建模功能创建双曲拱坝为这种以方程曲线确定的曲面形体。与CATIA类似，在Dynamo中双曲拱坝坝体的三维建模思路为：在不同的高程，通过拱圈中心线确定拱圈曲线，绘制出对应高程的拱圈，再针对各个高程的拱圈进行曲面放样即可生成双曲拱坝的基本形体。

双曲拱坝三维建模首先需要确定各高程拱圈，这需要根据坝体各高程相关参数计算得到。拱圈曲线获取步骤如下：

（1）将已导入的设计参数生成拱圈中心线。

（2）接着根据拱圈中心线及拱圈厚度计算公式绘制出拱圈曲线。

双曲拱坝拱圈中心线是基于参数方程确定的。在Dynamo中，可通过模块代码块实现拱圈的中心线方程。Dynamo中曲线是以采样点拟合而成，本文实例中，以左、右岸拱端中心角Φl、Φr作为采样参数，采样间隔为0.5°。要注意Dynamo中曲线拟合采样间隔与模型精度相关，若设置较高的精度，则会造成较大的计算量和建模时间，并直接影响后面曲面拟合与实体生成的效率。当拱圈中心线确定之后，通过计算拱圈中心线特定点的拱圈厚度，并结合向量计算模块确定拱圈外侧及内侧曲线的采样点，通过拟合最终得到拱圈曲线。

当绘制完成各高程拱圈后（见图3（b）），则可以在Dynamo中放样节点对拱圈封闭曲线放样生成坝体的曲面（见图3（c）），最终生成坝体的三维实体（见图3（d））。

通过与拱坝形体类似的建模流程，创建表孔、中孔泄水建筑物，并利用Dynamo接口，将拱坝形体导入到Revit软件中，并且跟Revit软件自建的厂房和机房进行整合。最终拱坝整体模型如图3（e）所示。

3.3Dynamo与Revit协同设计出图

在花马湖泵站项目设计过程中，课题组根据泵站水工建筑物的特点，将泵站水闸建筑物正负0以上的厂房建筑部分选用Revit软件平台进行设计建模，并整合下部用Dynamo创建的闸墩流道水工模型成果并导入Revit进行协同设计，最终通过Revit平台完成整个项目的出图工作。通过Dynamo与Revit配合使用，充分发挥了Dynamo流道曲面建模和Revit建筑厂房建模与出图技术优势，真正实现在同一平台上完成设计建模出图等工作。花马湖泵站BIM三维设计应用也印证了技术Dynamo曲面建模技术的可行性与实用性。

4结论

由于水利水电工程项目特点，复杂形体三维参数化建模是设计阶段主要技术难度。尽管在一些平台上得到了较好的解决（如CATIA），但是目前主要的设计平台均具有一定的技术短板。因此课题组选择了工民建行业主要软件Revit作为设计平台，并在Revit曲面建模功能不足情况下，借助Dynamo插件实现曲面构件参数化建模，并和Revit协同配合完成项目的设计与出图。这种方式具有以下几个特性。

（1）信息完整性。

一个软件平台Revit上完成整个工作。同一平台，同一套数据。避免多个平台软件间数据格式转换造成的信息损失。

（3）互补性。

Dynamo插件已经内嵌入Revit 2017（及后續版本），成为Revit标准插件。Dynamo与Revit结合度紧密，弥补了Revit原生建模功能的局限性。

（3）灵活性与扩展性。

Dynamo可通过预设参数驱动快速建模，可通过调整设计参数实现参数化设计。Dynamo自带的丰富的功能节点，并支持Python脚本语言，可实现复杂曲面形体的建模。

（4）门槛性。

类似于Rhino的Grasshopper插件，Revit的Dynamo插件对于设计人员的空间思维和编程技术要求较高，技术门槛较高。由于目前参考资料较少，Dynamo技术提升大多需要设计人员自身研究和工作积累。

水利水电工程三维设计与BIM技术应用已经逐渐在全行业普及和推广，从设计阶段逐渐往施工、运维阶段延伸，覆盖工程项目全生命周期各个阶段。在设计阶段，曲面参数化建模、多专业协同设计是全面推行三维设计的主要技术基础。目前主流的几个设计平台均存在明显的优缺点，以Revit平台为例，将Dynamo软件的参数化设计的优势引入到水利工程三维设计中，通过蜗壳与双曲拱坝2个典型实例可说明Dynamo曲面三维建模技术流程，并在花马湖泵站中利用该技术实现了三维正向设计出图，可为单一平台（Revit）实现水工三维设计提供技术借鉴。

参考文献：

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