基于Revit二次开发的拱坝参数化建模方法
时间：2023-02-26 15:10:06 来源：千叶帆 本文已影响人
陈文镪，陈俊涛，胡伟飞，张晓春
(1.武汉大学水利水电学院，湖北 武汉 430072；
2.国网浙江省电力有限公司紧水滩水力发电厂，浙江 丽水 323000)
拱坝是一种高次超静定空间壳体结构，体形优美，是一种既经济又安全的优越坝型，因此在国内外被广泛采用。但拱坝结构复杂，坝型种类多，传统的二维设计方法存在设计意图表达不直观、设计变更繁复、计算工作量大、易出错等问题[1]。参数化建模能提高正向设计效率，设计成果可视化程度高，当设计方案变更时，通过修改参数能十分方便地完成设计变更，减少重复工作。因此，研究拱坝参数化建模方法具有重要意义。
近年来，BIM(Building Information Modeling，简称“BIM”)技术在水利水电行业发展迅速，基于BIM技术进行工程的正向设计，通过二次开发拓展BIM软件功能，已经成为行业发展的趋势[2-3]。Revit作为主流BIM设计软件之一，具有较强的建筑建模功能、参数化设计能力以及完善的二次开发接口，因此在建筑业被广泛应用，但针对水利水电行业的需求与特点，基于Revit二次开发的软件相对较少。如朱致远[4]等通过Revit二次开发设计出一款水闸挡土墙稳定计算插件，实现计算结果的实时判别；
伍丹琪[5]等基于Revit二次开发研究泵站厂房上部建筑的参数化建模程序，解决了泵站厂房BIM设计建模复杂的问题；
邓玉星[6]等基于Revit二次开发设计了一款金属蜗壳自动建模插件，有效提高蜗壳的建模效率；
而针对拱坝三维参数化建模的相关研究较少，楼涛[7]等提出一种基于CATIA二次开发的拱坝三维建模方法；
杰德尔别克·马迪尼叶提[8]等、王宁[9]等先后利用Dynamo可视化编程插件实现了双曲拱坝的参数化建模。
Revit针对水工异形曲面构件的建模能力有限。以拱坝为例，通过Revit UI界面的三维建模功能难以创建以曲线方程控制的拱坝三维模型，如抛物线拱坝。此外，虽然Revit具备绘制圆弧曲线的功能，但是圆弧拱坝种类众多，当拱圈形状较为复杂时，圆弧拱坝建模过程繁琐，无法实现自动化处理。
为此，本文选择拱坝为研究对象，提取不同类型拱坝的拱圈体形参数，针对Revit自身的局限性，基于Revit二次开发生成拱坝自动建模插件。通过该插件，可自动对输入的拱圈体形参数进行插值计算，根据需要创建不同类型的拱坝三维模型，同时将插值后的体形参数输出到Excel文件，极大提高拱坝的建模效率与精度。
参数化建模指通过研究并提取构件组成元素的关键特征参数，并通过控制这些参数，经过程序运算实现三维模型的自动创建[10]。在Revit中拱坝的参数化建模方法为：通过体形参数控制水平拱圈上、下游拱弧曲线，绘制拱坝各高程的水平拱圈，通过融合命令连接各层拱圈生成三维实体。研究不同类型拱坝的水平拱圈的构成并提取其体形参数，使用者只需输入关键的控制参数即可快速创建拱坝三维模型。
水平拱圈的设计方式有两种：一是将拱圈上、下游拱弧曲线设计为已知曲线；
二是将拱圈的中轴线设计为已知曲线。为适应不同的地形地质条件，改善应力状态和稳定条件，常见的拱坝拱形有圆弧拱、抛物线拱、椭圆拱、双曲线拱和对数螺线拱等。下文以圆弧拱坝和抛物线拱坝为例说明两种不同设计方式下的拱坝体形参数的选取方法。
1.1 拱坝体形参数选取
拱坝的水平拱圈主要由上、下游拱弧曲线构成，上、下游拱弧曲线的方程决定了拱圈的形状。因此本文拱坝体形参数的选取原则为：提取上、下游拱弧曲线方程的控制参数作为拱坝的体形参数。当拱圈的上、下游拱弧曲线设计为已知曲线时，可直接提取曲线方程的控制参数作为体形参数；
当拱圈的中轴线设计为已知曲线时，需通过拱厚变化关系式推求上、下游拱弧曲线方程，进而提取体形参数。
1.1.1 圆弧拱坝体形参数选取
圆弧拱坝在我国已建拱坝中占据绝大多数，圆弧拱坝的拱圈的几何形状较多，为了使拱坝参数化自动建模插件具有通用性，必须考虑各种几何形状的拱圈。非对称多心圆弧双曲拱坝在几何特性上通过参数变化包含了单心、双心和三心圆弧等多种等厚与变厚、对称与非对称的单曲和双曲拱坝，最具代表性。故以非对称六心圆弧变厚拱坝作为研究对象，其水平拱圈示意图如图1所示，中圆拱和左、右侧圆拱的上、下游拱弧有各自的圆心和半径，拱圈上、下游拱弧曲线设计为已知曲线，其水平拱圈形状由曲线方程中的圆心坐标、半径等参数控制，提取拱圈的控制参数，见表1。随着圆心坐标和半径等参数的变化与调整，六心圆拱可以退化为单心圆拱、双心圆拱和三心圆拱等。
表1 非对称六心圆弧拱坝体形参数
图1 非对称六心圆弧拱坝水平拱圈示意图
1.1.2 抛物线拱坝体形参数选取
当水平拱圈的中轴线设计为已知曲线时，抛物线拱坝左、右两半拱的轴线可由2条不同的抛物线分别表示。抛物线拱坝水平拱圈示意图如图2所示。
图2 抛物线拱坝水平拱圈示意图
决定抛物线拱坝水平拱圈形状的设计参数包括拱冠厚度、拱端厚度、拱冠曲率半径、拱端半中心角和拱冠截距，见表2。通过表2中的参数可确定抛物线拱坝的中轴线方程与拱厚计算公式，从而求出水平拱圈上、下游拱弧曲线参数方程，确定水平拱圈的轮廓。
表2 抛物线拱坝体形参数
1.2 拱坝体形参数插值
拱坝是连续光滑的三维空间曲面，为使坝面光滑连续，提高建模精度，需对拱坝体形参数进行插值计算。本文采用三次样条插值函数描述体形参数与高程之间的函数关系。三次样条曲线插值由分段三次曲线连接而成，在连接点处有二阶连续导数，具有较高的精度和良好的光滑性[11]。通过插值计算可以得到任意高程水平拱圈的体形参数，进而确定任意高程水平拱圈的形状。
本文对Revit进行二次开发，实现拱坝参数化建模功能。选择Visual Studio 2019作为开发平台，在.NET Framework 4.7环境下使用C#语言进行程序编译并生成动态链接库(.dll)文件，依靠动态链接库进行功能的调试，最后注册外部应用程序生成.addin文件完成插件创建。
基于Revit二次开发的圆弧拱坝参数化建模程序设计逻辑如图3所示。程序业务逻辑分为4个模块：数据读取模块、数据处理模块、拱圈绘制模块与建模功能模块，分别说明如下。
图3 圆弧拱坝参数化建模程序逻辑结构
1)数据读取模块。将设计好的各高程水平拱圈体形参数导入Excel表格中，并通过插件的可视化操作界面读取表格数据。
2)数据处理模块。对读取的体形参数进行插值计算，并将计算结果输出到Excel文件中。圆弧类拱坝拱圈的几何形状形式较多，可通过减少参数的输入实现六心拱的退化，比如单心圆弧双曲拱坝不存在侧圆拱，即左、右侧圆拱的圆心坐标及相应的半径和中心角等数据不需要输入。
不同的拱形，输入的参数不同，通过输入参数计算生成的点、线、面等几何数据也有所不同。圆弧拱坝常见的拱形有单心拱、双心拱和三心拱，我国早期修建的拱坝，绝大多数都是单心圆拱[12]，可根据拱圈拱弧的组成，对其进行重分类。例如，单心拱只有中圆拱，双心等厚拱只有侧圆拱，双心变厚拱只有中圆拱，三心等厚拱既有中圆拱又有侧圆拱，如此等等。基于上述分析，在程序中加入对中心角的判断，以确定拱圈的几何形状，如图4所示。
图4 圆弧拱坝拱圈分类决策树
3)拱圈绘制模块。圆弧类拱坝的水平拱圈由圆弧与直线组成。Revit API向用户提供创建圆弧的相关函数，调用Arc.Create函数绘制各段圆弧曲线，调用Line.CreateBound函数绘制两侧拱端的直线，依次连接各段圆弧与直线生成拱圈轮廓。
4)建模功能模块。调用通过Revit API提供的NewBlend函数，依次将相邻两层的水平拱圈融合生成实体，从而生成圆弧拱坝整体三维模型。
抛物线拱坝与圆弧拱坝的设计流程大致相同，但需通过拱坝的中轴线方程及拱圈厚度公式计算拱圈上、下游拱弧的控制点坐标，通过连接控制点绘制水平拱圈。
3.1 圆弧拱坝参数化建模实例
紧水滩拱坝位于浙江省云和县瓯江大溪上游的龙泉溪上。拦河坝为混凝土三心变厚双曲拱坝，最大坝高102 m，坝顶高程194 m。水平拱圈由左、中、右三段组成，即：既有中圆拱又有侧圆拱。
圆弧拱坝参数化建模操作界面如图5所示，拱坝体形参数数据参考《拱坝CADC的理论与实践》一书[13]。生成的紧水滩拱坝三维模型效果图如图6所示。
图5 圆弧拱坝参数化建模操作界面
图6 紧水滩拱坝三维模型效果图
3.2 抛物线拱坝参数化建模实例
小湾水电站位于云南省凤庆县和南涧彝族自治县之间的澜沧江与漾濞江汇合处下游1.5 km，拦河坝为混凝土抛物线双曲拱坝，最大坝高292 m，坝顶高程1 245 m，拱坝体形参数数据参考《特高拱坝勘测设计研究:小湾实践》一书[14]。抛物线拱坝参数化操作界面如图7所示，生成的模型如图8所示。
图7 抛物线拱坝参数化建模操作界面
图8 小湾抛物线拱坝三维模型效果图
针对拱坝结构复杂、体形参数众多、三维建模过程繁琐的特点，本文研究并提出了基于Revit 二次开发的拱坝参数化自动建模方法，以插件的形式对Revit进行功能拓展。主要取得了以下研究成果。
1)针对两种不同的拱圈设计方式，提出选取拱圈上、下游拱弧曲线方程的控制参数作为体形参数的参数选取原则。
2)基于Revit二次开发技术设计了拱坝参数化自动建模插件，并在紧水滩拱坝和小湾拱坝两个实例工程中应用，成功实现拱坝参数化、自动化、精细化建模，提高设计和工程人员的工作效率，同时为其他水工异形曲面构件的参数化建模提供思路和参考。
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