后雄斌

(新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

混凝土面板堆石壩具有壩體斷面小、便于施工、填筑施工進(jìn)度快、投資低和安全度高等優(yōu)點(diǎn)[1]，近年來(lái)被廣泛采用，發(fā)展較快。當(dāng)今在我國(guó)以及許多國(guó)家，混凝土面板堆石壩已成為一般大中型水利樞紐優(yōu)先考慮選擇的壩型[2]。趾板是面板與河床及岸坡不透水連接的紐帶，起到承上啟下的作用，既可以作為壩基帷幕灌漿的蓋重平臺(tái)，又可以作為面板滑模施工的起始工作面，同時(shí)，作為混凝土面板的支撐底座與壩基帷幕灌漿、混凝土面板通過(guò)周邊縫連接構(gòu)成大壩的防滲系統(tǒng)[3]。

趾板空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在進(jìn)行趾板設(shè)計(jì)時(shí)，要充分結(jié)合地形地質(zhì)條件、壩軸線空間走向、大壩面板底坡、防浪墻底部高程等關(guān)鍵影響因素。目前，趾板設(shè)計(jì)多采用傳統(tǒng)二維設(shè)計(jì)手段，利用AutoCAD軟件進(jìn)行平面設(shè)計(jì)。對(duì)于趾板設(shè)計(jì)過(guò)程繁瑣和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中參數(shù)過(guò)多、不便于準(zhǔn)確定位、相鄰2段趾板連接點(diǎn)處不連續(xù)、趾板變寬變厚處突變、趾板線垂直壩軸線時(shí)“X”線不存在的情況下趾板結(jié)構(gòu)體型創(chuàng)建和與相鄰標(biāo)準(zhǔn)段趾板結(jié)構(gòu)間的平順銜接等存在處理難度大、工作效率低下的問(wèn)題。

Dynamo是一款可視化編程軟件，具備了傳統(tǒng)編程語(yǔ)言所不具備的特點(diǎn)，包括可視化編程、快速建模、參數(shù)化驅(qū)動(dòng)、批量處理數(shù)據(jù)以及可操作Civil 3D/Revit API。Civil 3D是Autodesk公司推出的一款面向土木工程基礎(chǔ)設(shè)施行業(yè)的三維信息化設(shè)計(jì)軟件[4]，包含AutoCAD所有的基本功能。隨著Civil 3D軟件的不斷更新，從2020版開(kāi)始，Dynamo作為外部參數(shù)化插件出現(xiàn)在Civil 3D中，Dynamo可靈活與Civil 3D中的各種對(duì)象進(jìn)行交互操作，還可以將Dynamo對(duì)象輸出到Civil 3D中。Dynamo與Rhino軟件的插件Grasshopper具有類(lèi)似的功能，可通過(guò)邏輯命令流將復(fù)雜的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行模塊化參數(shù)化處理，最終實(shí)現(xiàn)用戶(hù)需求，這使得Civil 3D在功能上更加的強(qiáng)大。

在總結(jié)混凝土面板堆石壩趾板傳統(tǒng)設(shè)計(jì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，本文運(yùn)用Dynamo可視化編程手段，研究將趾板結(jié)構(gòu)模型創(chuàng)建參數(shù)化，編寫(xiě)趾板結(jié)構(gòu)快速建模Dynamo功能節(jié)點(diǎn)，旨在提高趾板結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性和效率，加快面板壩在建基面以上混凝土趾板結(jié)構(gòu)體型三維參數(shù)化模型的創(chuàng)建，達(dá)到全數(shù)據(jù)相關(guān)、全尺寸約束、用參數(shù)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)果修改的目的，對(duì)混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)具有很大的工程實(shí)用價(jià)值。

1 Dynamo工程設(shè)計(jì)應(yīng)用概述

Dynamo起初在建筑行業(yè)應(yīng)用較多，如張瑋[5]通過(guò)Dynamo讀取Excel中橋梁模型參數(shù)，利用Dynamo強(qiáng)大的建模功能批量生成橋梁參數(shù)化構(gòu)件；王松[6]采用Dynamo進(jìn)行異形建筑物的參數(shù)化創(chuàng)建和批量自動(dòng)放置建筑構(gòu)件；張柳柳[7]建立了基于Dynamo底層技術(shù)的橋梁路線建模方法，并基于該方法開(kāi)發(fā)出了橋梁BIM快速建模方法和相應(yīng)OppenDesigner軟件。

近些年來(lái)，隨著水利工程BIM設(shè)計(jì)的不斷深入推進(jìn)，水利行業(yè)部分設(shè)計(jì)人員逐步開(kāi)始探索Dynamo在水利工程參數(shù)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，如楊鐵增[8]等通過(guò)Civil 3D軟件，結(jié)合部件編輯器和Dynamo探索了水利工程面板堆石壩的三維正向設(shè)計(jì)BIM解決方案；朱茜[9]等利用Revit+Dynamo建立了拱壩參數(shù)化族庫(kù)，依托Autodesk系列軟件成功解決了拱壩初步設(shè)計(jì)中體型優(yōu)化、樞紐布置、施工圖生成、工程量概算以及監(jiān)測(cè)信息可視化等重要問(wèn)題；宋丹[10]采用Dynamo參數(shù)化編程建立了雙曲拱壩模型，同時(shí)讀取Excel格式的開(kāi)挖地形數(shù)據(jù)，通過(guò)自定義節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建地形網(wǎng)格曲面，最終與拱壩實(shí)體結(jié)合；王寧[11]等研究了Dynamo參數(shù)化建模技術(shù)以及與Revit之間的數(shù)據(jù)交互方式，并在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用，取得了良好效果；周為[12]等利用Dynamo對(duì)水電站廠房異形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了參數(shù)化設(shè)計(jì)。

2 趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)與基本假定

2.1 趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)的難點(diǎn)

2.1.1操作過(guò)程的便捷性

在趾板傳統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要事先在壩址區(qū)原始平面地形圖上獲取擬定壩軸線與趾板線各控制點(diǎn)的大地坐標(biāo)(X坐標(biāo)，Y坐標(biāo))，將各控制點(diǎn)坐標(biāo)以及面板頂高程、面板內(nèi)坡、面板頂部厚度、面板厚度增量與趾板體型控制等不可或缺基本參數(shù)輸入到Excel表格中，通過(guò)計(jì)算得到趾板線控制點(diǎn)高程、每段趾板線在壩軸線方向上的投影長(zhǎng)度、趾板線與壩軸線夾角、面板外坡角度等趾板結(jié)構(gòu)體型設(shè)計(jì)參數(shù)，整個(gè)操作過(guò)程極為繁瑣且容易出錯(cuò)，效率低下。

2.1.2“X”線設(shè)計(jì)時(shí)趾板結(jié)構(gòu)體型的完全參數(shù)可控

趾板設(shè)計(jì)時(shí)，趾板基準(zhǔn)線可以是“X”線，也可以是“Y”線。趾板“X”線為面板底面延長(zhǎng)面和趾板設(shè)計(jì)建基面的交線，而“Y”線為面板底面與趾板下游面的交線。在我國(guó)面板壩的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一般選取“X”線作為趾板設(shè)計(jì)的軸線，同時(shí)趾板“X”線也是趾板開(kāi)挖或模板架設(shè)的施工放樣線。但當(dāng)岸坡坡度較陡，甚至趾板走向與壩軸線大角度相交或者垂直時(shí)，“X”線就會(huì)偏離至趾板建基面以外，或者根本不存在“X”線，這使得趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化構(gòu)建存在著一定的局限性。

2.1.3趾板結(jié)構(gòu)體型過(guò)渡段處理

(1)相鄰2段趾板線連接點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)體型過(guò)渡

SL 228—2013《混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》第7.0.1條指出，混凝土趾板的布置有3種方式：①趾板面等高線垂直于趾板基準(zhǔn)線；②趾板面等高線垂直于壩軸線；③趾板面等高線適應(yīng)開(kāi)挖以后的巖面；SL 228—2013第7.0.1條建議宜優(yōu)先選用第1種布置方式，經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)我國(guó)面板壩設(shè)計(jì)普遍采用第1種布置方式。

當(dāng)采用趾板面等高線垂直于趾板基準(zhǔn)線布置方式時(shí)，由于任意2段相鄰趾板線與壩軸線空間位置關(guān)系的不同，會(huì)造成相鄰2段趾板面在連接點(diǎn)處的幾何不統(tǒng)一，并且會(huì)隨著轉(zhuǎn)折點(diǎn)處相鄰2段趾板線夾角情況的不同，使得趾板結(jié)構(gòu)體型在空間上呈現(xiàn)出錯(cuò)臺(tái)、侵入、缺口等不連續(xù)情況(如圖1所示)，這種情況是工程設(shè)計(jì)中不允許發(fā)生的。趾板作為面板壩防滲系統(tǒng)中的核心組件，不僅作為建基面以下固結(jié)灌漿和帷幕灌漿的作業(yè)平臺(tái)以及面板澆筑施工滑模的起點(diǎn)支撐，而且通過(guò)周邊縫與面板的可靠連接形成建基面以上的防滲體系，起到承上啟下的作用。因此，處理好相鄰2段趾板連接點(diǎn)處趾板結(jié)構(gòu)體型的不連續(xù)問(wèn)題就顯得尤為關(guān)鍵。

圖1 相鄰兩段趾板在連接點(diǎn)處趾板結(jié)構(gòu)體型的不連續(xù)狀態(tài)

(2)同一段趾板線上變寬變厚點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)體型過(guò)渡

根據(jù)SL 228—2013第7.0.4條、第7.0.5條規(guī)定，結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)表明，左右岸趾板寬度和厚度在同一高程范圍往往是相互對(duì)應(yīng)的，且趾板寬度和厚度變化位置一般位于遠(yuǎn)離趾板線轉(zhuǎn)折點(diǎn)的中間位置，在這種情況下趾板變寬變厚時(shí)高程分界點(diǎn)位置就會(huì)出現(xiàn)因趾板長(zhǎng)度和厚度不一致形成的臺(tái)階，如圖2所示。

2.1.4參數(shù)化驅(qū)動(dòng)模型

由壩軸線、趾板線以及不可或缺基本輸入?yún)?shù)動(dòng)態(tài)控制生成面板壩趾板結(jié)構(gòu)造型，當(dāng)改變?nèi)魏我粋€(gè)不可或缺基本參數(shù)或者調(diào)整趾板線和壩軸線平面位置時(shí)，如何使趾板模型發(fā)生實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)，是較難實(shí)現(xiàn)的。

2.2 趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)的基本假定

本文以面板底面延長(zhǎng)面與趾板設(shè)計(jì)建基面的交線(即“X”線)作為趾板設(shè)計(jì)時(shí)的基準(zhǔn)線，混凝土趾板的布置方式為趾板面等高線垂直于趾板基準(zhǔn)線。主要適用于依據(jù)地形地質(zhì)條件結(jié)合壩軸線進(jìn)行趾板線的動(dòng)態(tài)選擇，實(shí)現(xiàn)趾板結(jié)構(gòu)參數(shù)模型的快速創(chuàng)建。

3 Dynamo for Civil 3D參數(shù)化設(shè)計(jì)思路

3.1 Dynamo一般設(shè)計(jì)流程

采用Dynamo可視化編程插件進(jìn)行水工結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)的一般流程[11]如圖3所示。

圖3 水工結(jié)構(gòu)體型Dynamo參數(shù)化設(shè)計(jì)一般流程

3.2 Dynamo與Civil 3D交互

Dynamo與Civil 3D交互，主要有2種方式：①?gòu)漠?dāng)前打開(kāi)Civil 3D文檔中選擇Civil 3D對(duì)象或者AutoCAD對(duì)象；②由在Dynamo中生成的幾何圖形對(duì)象創(chuàng)建AutoCAD對(duì)象，這種方式可以將Dynamo幾何圖形原坐標(biāo)導(dǎo)入到當(dāng)前打開(kāi)的Civil 3D文檔中，2種方式所對(duì)應(yīng)的Dynamo原生節(jié)點(diǎn)依次如圖4—5所示。

圖4 從AutoCAD中選擇對(duì)象

圖5 由Dynamo幾何對(duì)象創(chuàng)建AutoCAD對(duì)象

3.3 構(gòu)建自定義算法操作序列

在Dynamo中選擇使用特定功能節(jié)點(diǎn)或者開(kāi)發(fā)的自定義節(jié)點(diǎn)，以定義關(guān)系和構(gòu)成自定義算法處理各種應(yīng)用程序，可供重復(fù)使用，達(dá)到解決特定問(wèn)題(從處理數(shù)據(jù)到生成幾何圖形)的目的。Dynamo具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)組織方式，通過(guò)列表的操作，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)重構(gòu)、生成特定序列、構(gòu)成復(fù)雜邏輯關(guān)系，如圖6所示的面板壩趾板結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模Dynamo自定義算法操作序列。

用戶(hù)可以通過(guò)在“Dynamo自定義節(jié)點(diǎn)”內(nèi)嵌套其他節(jié)點(diǎn)來(lái)構(gòu)建自定義節(jié)點(diǎn)，借助此過(guò)程，自定義節(jié)點(diǎn)可讓Dynamo用戶(hù)設(shè)計(jì)清晰且直觀的圖形，如圖7所示面板壩趾板結(jié)構(gòu)參數(shù)化建模自定義節(jié)點(diǎn)。

圖7 趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)自定義節(jié)點(diǎn)

4 Dynamo for Civil 3D趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)應(yīng)用

4.1 生成趾板結(jié)構(gòu)體型

在Civil 3D軟件中打開(kāi)已經(jīng)選定好的面板壩趾板線圖形文檔，啟動(dòng)Dynamo可視化編程插件，打開(kāi)編寫(xiě)好的Dynamo可視化程序文件“趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì).dyn”。

分別點(diǎn)擊Dynamo“拾取壩軸線、趾板線”節(jié)點(diǎn)界面中的“選擇”按鈕，在Civil 3D中依次拾取壩軸線、趾板線，選擇成功后，“拾取壩軸線、趾板線”節(jié)點(diǎn)界面由橙黃色變?yōu)榛疑?。在“基本參?shù)輸入”代碼塊中，按照工程經(jīng)驗(yàn)結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)范輸入相應(yīng)基本參數(shù)，參數(shù)輸入完成后點(diǎn)擊Dynamo視圖左下角“運(yùn)行”按鈕，程序?qū)?zhí)行“趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)”節(jié)點(diǎn)。當(dāng)Dynamo視圖左下角“運(yùn)行”按鈕右側(cè)出現(xiàn)“運(yùn)行完成”提示時(shí)，查看Civil 3D當(dāng)前打開(kāi)活動(dòng)文檔，趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化模型已經(jīng)生成，生成的模型可導(dǎo)出為“*.sat”文件，導(dǎo)入到大體積配筋軟件進(jìn)行配筋。

4.2 動(dòng)態(tài)調(diào)整趾板不連續(xù)段結(jié)構(gòu)體型

(1)調(diào)整趾板線拐點(diǎn)前后漸變段長(zhǎng)度

在Dynamo中通過(guò)調(diào)整基本參數(shù)輸入代碼塊中的“//拐點(diǎn)前偏移距離”提示語(yǔ)下的具體參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)趾板線拐點(diǎn)前趾板模型漸變段長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)變更；同樣，當(dāng)在Dynamo中通過(guò)調(diào)整基本參數(shù)輸入代碼塊中的“//拐點(diǎn)后偏移距離”提示語(yǔ)下的具體參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)趾板線拐點(diǎn)后趾板模型漸變段長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)變更。與此同時(shí)，當(dāng)趾板拐點(diǎn)漸變段長(zhǎng)度發(fā)生變化時(shí)，相應(yīng)的相鄰2段趾板在連接點(diǎn)處的異形過(guò)渡趾板結(jié)構(gòu)也會(huì)自動(dòng)調(diào)整，如圖9所示。

圖9 相鄰兩段趾板在連接點(diǎn)處的異形過(guò)渡趾板結(jié)構(gòu)

(2)調(diào)整趾板變寬變厚過(guò)渡段長(zhǎng)度

本文在確定趾板變寬變厚位置點(diǎn)時(shí)，按照一般情況，即趾板變寬變厚位置處于趾板中間部分，趾板寬度和厚度變化一一對(duì)應(yīng)，不考慮趾板在拐點(diǎn)處的寬度和厚度的變化，且左右岸趾板寬度和厚度變化位置處于同一高程位置處。依據(jù)規(guī)程規(guī)范，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，將確定好的趾板變寬變厚位置高程點(diǎn)輸入到代碼塊“//趾板變寬變厚點(diǎn)高程[輸入浮點(diǎn)數(shù)]”提示的下一行中即可完成趾板變寬變厚位置點(diǎn)的確定。按照確定的趾板變寬變厚位置點(diǎn)，在代碼塊相應(yīng)位置輸入趾板寬度和對(duì)應(yīng)的趾板厚度數(shù)據(jù)。當(dāng)在Dynamo中通過(guò)調(diào)整基本參數(shù)輸入代碼塊中的“//趾板寬度變化漸變長(zhǎng)度”提示語(yǔ)下的長(zhǎng)度數(shù)據(jù)時(shí)，可實(shí)現(xiàn)趾板變寬變厚位置點(diǎn)趾板模型漸變段長(zhǎng)度的動(dòng)態(tài)變更。趾板變寬變厚位置點(diǎn)的異形過(guò)渡趾板結(jié)構(gòu)如圖10所示。

4.3 “X”線設(shè)計(jì)時(shí)趾板結(jié)構(gòu)體型的完全參數(shù)化控制

當(dāng)岸坡坡度較陡，甚至趾板走向與壩軸線大角度相交或者垂直時(shí)，通過(guò)編寫(xiě)的特定算法可以有效解決當(dāng)趾板“X”線垂直壩軸線時(shí)無(wú)法正常生成趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化模型的問(wèn)題，同時(shí)還可以達(dá)到與相鄰段標(biāo)準(zhǔn)段趾板結(jié)構(gòu)平順過(guò)渡的目的。趾板走向與壩軸線大角度相交或者垂直時(shí)趾板結(jié)構(gòu)體型，如圖11所示。

圖11 趾板走向與壩軸線大角度相交或者垂直時(shí)趾板結(jié)構(gòu)體型

4.4 趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化模型的動(dòng)態(tài)響應(yīng)

趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)Dynamo功能節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)模型隨基本輸入?yún)?shù)的變化發(fā)生相應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)整，可根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整壩軸線、趾板線平面位置以及面板壩設(shè)計(jì)基本參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)快速動(dòng)態(tài)變更模型的目的。

5 結(jié)論

本文借助Dynamo中的幾何圖元和邏輯計(jì)算模塊，編寫(xiě)趾板結(jié)構(gòu)體型參數(shù)化設(shè)計(jì)特定算法，極大簡(jiǎn)化了趾板設(shè)計(jì)過(guò)程，給出了趾板結(jié)構(gòu)體型出現(xiàn)不連續(xù)情況下的解決方案，有效解決了當(dāng)趾板“X”線垂直壩軸線時(shí)無(wú)法正常生成趾板結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)快速驅(qū)動(dòng)趾板結(jié)構(gòu)模型更新的目的，取得了良好的效果，對(duì)混凝土面板堆石壩設(shè)計(jì)具有很大的工程實(shí)用價(jià)值。