達(dá)索3DEXPERIENCE平臺基于隧道BIM模型的數(shù)值分析研究

馮山群

(中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,天津 300142)

BIM技術(shù)是目前土木行業(yè)三維應(yīng)用最為流行的產(chǎn)品理念[1-2]，相較于傳統(tǒng)二維圖紙，信息化的BIM模型為未來土木行業(yè)朝著更智能化方向發(fā)展提供了無限可能，基于BIM模型的數(shù)值分析就是其中一個(gè)重要研究方向。

隨著三維技術(shù)的不斷發(fā)展以及應(yīng)用需求的不斷提高[3-5]，國內(nèi)外主流數(shù)值分析軟件主要經(jīng)歷了以下幾個(gè)階段：早期數(shù)值分析計(jì)算模型在計(jì)算軟件中建立[6，7]，由于建模功能有限，計(jì)算模型精度較低，計(jì)算結(jié)果誤差較大；BIM技術(shù)出現(xiàn)之后，為了有效利用精度較高的BIM模型，數(shù)值分析軟件通過導(dǎo)入BIM模型進(jìn)行計(jì)算[8-9]，但由于軟件間的接口問題會不可避免地造成部分?jǐn)?shù)據(jù)的損失；軟件集成是解決軟件間接口問題的有效手段，作為主流BIM軟件之一，達(dá)索3DEXPERIENCE平臺數(shù)值分析模塊SIMULIA集成了傳統(tǒng)計(jì)算軟件ABAQUS[10-11]，在平臺中可以直接由建模模塊切換到計(jì)算模塊，當(dāng)建模模塊中的模型參數(shù)變化時(shí)計(jì)算模塊中的計(jì)算模型聯(lián)動，極大提高了計(jì)算效率，然而由于目前SIMULIA模塊功能尚不完善，土木行業(yè)某些需求尤其是塑性計(jì)算需求無法滿足。

綜上所述，實(shí)現(xiàn)軟件集成的達(dá)索平臺其設(shè)計(jì)理念十分先進(jìn)，成功解決了模型精度和軟件接口問題，然而對于隧道專業(yè)而言，應(yīng)用達(dá)索平臺進(jìn)行地層結(jié)構(gòu)模型數(shù)值分析的最大障礙就是土體塑性參數(shù)及本構(gòu)模型不能添加，這是本文研究的重點(diǎn)。

1 研究目標(biāo)

打通基于達(dá)索3DEXPERIENCE平臺的隧道地層結(jié)構(gòu)模型數(shù)值分析流程，實(shí)現(xiàn)從BIM模型到計(jì)算模型的無縫銜接。具體研究內(nèi)容包括以下兩點(diǎn)：一是實(shí)現(xiàn)模型塑性參數(shù)及本構(gòu)模型的添加；二是將計(jì)算過程流程化，提高計(jì)算效率。

2 研究內(nèi)容

2.1 添加塑性參數(shù)及本構(gòu)模型

(1)問題提出

隧道結(jié)構(gòu)數(shù)值分析經(jīng)常使用地層結(jié)構(gòu)模型[12-13]，地層結(jié)構(gòu)模型中的土體材料為彈塑性，需要添加彈塑性參數(shù)及相對應(yīng)的本構(gòu)模型，這是模型能否進(jìn)行彈塑性計(jì)算的關(guān)鍵，圖1為傳統(tǒng)ABAQUS軟件中使用M-C準(zhǔn)則時(shí)的材料添加界面。

圖1 傳統(tǒng)ABAQUS中添加塑性材料參數(shù)及本構(gòu)模型

達(dá)索3DEXPERIENCE平臺SIMULIA模塊現(xiàn)有功能僅能添加材料彈性參數(shù)，如圖2所示，由于缺少塑性參數(shù)及本構(gòu)模型，對于隧道地層結(jié)構(gòu)模型的彈塑性分析無法實(shí)現(xiàn)，因此有必要研究達(dá)索平臺中塑性參數(shù)及本構(gòu)模型的添加方法。

圖2 達(dá)索3DEXPERIENCE平臺SIMULIA模塊現(xiàn)有材料參數(shù)

(2)解決方案

達(dá)索3DEXPERIENCE平臺中的SIMULIA模塊基于傳統(tǒng)ABAQUS開發(fā)，因此二者計(jì)算模型文件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同，對于一些在3DEXPERIENCE平臺中無法實(shí)現(xiàn)的功能，可充分參考傳統(tǒng)ABAQUS計(jì)算模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過對3DEXPERIENCE平臺的計(jì)算模型數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改來實(shí)現(xiàn)。

達(dá)索平臺SIMULIA模塊的計(jì)算模型文件為.inp文件，此文件基于Python語言，因此工作重點(diǎn)就是應(yīng)用Python語句，將.inp文件中相關(guān)的塑性參數(shù)和本構(gòu)模型進(jìn)行更改或添加[14-15]。

(3)實(shí)現(xiàn)過程

計(jì)算模型數(shù)據(jù)文件內(nèi)容繁雜，人工編輯難度較大，在掌握文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，可通過開發(fā)程序?qū)崿F(xiàn)文件更改。對于模型塑性參數(shù)及本構(gòu)模型的更改與添加，可通過圖3流程實(shí)現(xiàn)。具體步驟為：依托達(dá)索3DEXPERIENCE平臺建模模塊CATIA創(chuàng)建BIM模型；將BIM模型切換到計(jì)算模塊SIMULIA，生成計(jì)算模型；將計(jì)算模型導(dǎo)出為.inp文件，與此同時(shí)在.txt文件中編寫塑性材料參數(shù)及本構(gòu)模型；編寫.py程序文件[16-17]，執(zhí)行此文件將.inp文件中的材料參數(shù)根據(jù)實(shí)際情況替換成.txt文件中的塑性材料參數(shù)及本構(gòu)模型；生成新的.inp文件。

圖3 計(jì)算模型文件材料參數(shù)更新流程

以上流程實(shí)現(xiàn)的重點(diǎn)是在充分了解.inp文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，通過Python編寫執(zhí)行程序.py文件。如圖4、圖5所示，.py文件執(zhí)行完成后，新生成的.inp文件中彈性材料參數(shù)已經(jīng)更改為實(shí)際塑性材料參數(shù)，并添加了M-C塑性本構(gòu)模型，更改后的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)ABAQUS中直接添加塑性參數(shù)及本構(gòu)模型生成的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)一致。

圖4 初始.inp文件材料參數(shù)

圖5 更新后.inp文件材料參數(shù)

雖然在達(dá)索3DEXPERIENCE平臺SIMULIA模塊中沒有相關(guān)塑性材料參數(shù)及本構(gòu)模型的添加界面，但通過程序更改計(jì)算模型文件數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以達(dá)到和傳統(tǒng)ABAQUS相同的效果，這就為隧道地層結(jié)構(gòu)模型在達(dá)索軟件中的應(yīng)用掃清了障礙。

2.2 定義計(jì)算流程

(1)問題提出

傳統(tǒng)數(shù)值分析軟件塑性材料參數(shù)及本構(gòu)模型在操作界面中完成，過程簡單明了，而達(dá)索平臺因?yàn)樽陨淼木窒扌裕枰紫雀纳傻挠?jì)算模型文件(見2.1節(jié))，然后再將更改后的文件導(dǎo)回軟件進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算后如結(jié)果不能滿足要求一般還會涉及參數(shù)的調(diào)整，如此反復(fù)，操作復(fù)雜，因此有必要將此過程流程化，減少操作，提高計(jì)算效率。

(2)解決方案

達(dá)索3DEXPERIENCE平臺中的ProcessComposer模塊，可將分散的操作過程進(jìn)行組合，將逐步實(shí)現(xiàn)的功能流程化，減少中間操作。

利用這一功能，可將隧道地層結(jié)構(gòu)模型數(shù)值分析中計(jì)算模型文件的導(dǎo)出、修改、導(dǎo)入等單獨(dú)執(zhí)行的步驟進(jìn)行整合，使之流程化，當(dāng)進(jìn)行數(shù)值分析時(shí)，只需執(zhí)行此流程即可，操作簡單，計(jì)算高效。此外，在此過程中還可以將計(jì)算過程中需要調(diào)整的參數(shù)提取出來，便于修改。

(3)實(shí)現(xiàn)過程

以添加地層結(jié)構(gòu)模型地質(zhì)塑性參數(shù)及本構(gòu)模型為例，通過ProcessComposer模塊將計(jì)算過程中各分步進(jìn)行整合。

圖6為整合流程，具體實(shí)現(xiàn)步驟為：下載本地文件，包括初始.inp文件、包含有參數(shù)信息的.txt文件以及執(zhí)行材料更新過程的.py文件等，.py文件是主程序文件，.inp和.txt文件是程序執(zhí)行過程中被調(diào)用的文件；設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)，可將計(jì)算過程中的關(guān)鍵參數(shù)提取出來便于后期修改；執(zhí)行.py文件，將初始.inp文件按.txt文件中的材料參數(shù)及本構(gòu)模型進(jìn)行更新；生成并上傳更新后的.inp文件；提交.inp文件到計(jì)算器，執(zhí)行計(jì)算；生成并上傳計(jì)算結(jié)果文件(.odb文件)；打開生成的.odb文件，查看計(jì)算結(jié)果；當(dāng)結(jié)果不滿足要求時(shí)，更改關(guān)鍵參數(shù)重新執(zhí)行計(jì)算。

圖6 將計(jì)算過程中各分步整合后的流程

通過以上流程，需要多步完成的操作只需一步即可，極大提高了計(jì)算效率。

3 案例分析

依托某鐵路項(xiàng)目隧道工程BIM模型及地質(zhì)BIM模型對以上方法進(jìn)行驗(yàn)證。分析模型選用隧道地層結(jié)構(gòu)模型，分析過程中的本構(gòu)模型采用M-C準(zhǔn)則，分析內(nèi)容為隧道結(jié)構(gòu)拱頂沉降，主要實(shí)現(xiàn)過程如下。

3.1 選取待分析段落BIM模型

在達(dá)索3DEXPERIENCE平臺中已建有某鐵路項(xiàng)目隧道工程BIM模型以及地質(zhì)BIM模型，在建模模塊中打開此模型并截取待分析段落的隧道主體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)體，如圖7所示。由于BIM模型體現(xiàn)的是三維真實(shí)場景，因此較傳統(tǒng)模式下的計(jì)算分析其計(jì)算精度更高。

圖7 需要計(jì)算的隧道BIM模型

3.2 轉(zhuǎn)換BIM模型為計(jì)算模型

將截取后的隧道主體結(jié)構(gòu)及地質(zhì)體模型切換到計(jì)算模塊SIMULIA，按照添加材料參數(shù)→劃分單元網(wǎng)格→定義分析類型→定義接觸面→添加荷載→定義邊界條件的順序生成計(jì)算模型，由于計(jì)算模塊中不能添加地質(zhì)體塑性參數(shù)，故此步僅需添加彈性參數(shù)，塑性參數(shù)及本構(gòu)關(guān)系根據(jù)2.1節(jié)方法在后續(xù)步驟中添加。生成的計(jì)算模型如圖8所示。

圖8 基于隧道BIM模型生成的計(jì)算模型

3.3 基礎(chǔ)文件準(zhǔn)備

計(jì)算過程中需要的基礎(chǔ)文件包括3部分：一是通過計(jì)算模型導(dǎo)出的.inp文件；二是定義材料參數(shù)的.txt文件；三是執(zhí)行材料更新的.py文件。其中.py文件是通過Python編寫的執(zhí)行文件，通過調(diào)用計(jì)算模型文件.inp和材料參數(shù)文件.txt，生成更新材料參數(shù)的.inp文件。

3.4 定義計(jì)算流程

根據(jù)2.2節(jié)中提出的定義計(jì)算流程方法，在達(dá)索3DEXPERIENCE平臺ProcessComposer模塊中定義數(shù)值分析計(jì)算過程，如圖9所示，主要流程為：下載本地文件→設(shè)置關(guān)鍵參數(shù)→執(zhí)行.py文件→上傳更新后的.inp文件→執(zhí)行計(jì)算→上傳計(jì)算結(jié)果文件→查看計(jì)算結(jié)果。

圖9 在ProcessComposer模塊中定義計(jì)算過程

3.5 執(zhí)行計(jì)算

在達(dá)索3DEXPERIENCE平臺ProcessComposer模塊中執(zhí)行3.4節(jié)中定義的計(jì)算流程，并生成計(jì)算結(jié)果，當(dāng)結(jié)果不能滿足要求時(shí)，更改關(guān)鍵材料參數(shù)重新執(zhí)行計(jì)算。執(zhí)行完成后的整體模型豎向變形情況見圖10，隧道結(jié)構(gòu)豎向變形情況見圖11。

圖10 整體模型豎向變形

圖11 隧道結(jié)構(gòu)豎向變形

本案例應(yīng)用本文提出的塑性參數(shù)添加方法及將計(jì)算過程流程化的方法，順利完成了隧道地層結(jié)構(gòu)模型數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況相符，驗(yàn)證了此方法的可行性。

3.6 與傳統(tǒng)計(jì)算方法對比分析

基于BIM模型進(jìn)行數(shù)值分析的傳統(tǒng)方法如下：將BIM模型從BIM建模軟件中以一定的格式導(dǎo)出；將導(dǎo)出后的BIM模型導(dǎo)入傳統(tǒng)數(shù)值分析軟件；在傳統(tǒng)數(shù)值分析軟件中添加彈塑性參數(shù)、劃分網(wǎng)格以及進(jìn)行其他邊界條件的定義；執(zhí)行計(jì)算。

本案例中的BIM建模軟件為達(dá)索軟件，數(shù)值分析軟件采用ABAQUS，BIM模型由達(dá)索軟件的導(dǎo)出格式為.stp。由于BIM建模軟件和數(shù)值分析軟件的接口不同，當(dāng)BIM模型導(dǎo)入數(shù)值分析軟件后出現(xiàn)了嚴(yán)重的數(shù)據(jù)丟失，后續(xù)計(jì)算無法執(zhí)行。見圖12、圖13。

圖12 原始BIM模型

圖13 BIM模型導(dǎo)入計(jì)算軟件后數(shù)據(jù)嚴(yán)重缺失

4 結(jié)論

通過基于達(dá)索3DEXPERIENCE平臺的隧道地層結(jié)構(gòu)模型數(shù)值分析研究，實(shí)現(xiàn)了地質(zhì)體塑性材料參數(shù)及本構(gòu)模型的添加，建立了旨在提高計(jì)算效率的整體計(jì)算流程，實(shí)現(xiàn)了隧道工程從BIM設(shè)計(jì)到數(shù)值分析的無縫銜接，成功解決了依托BIM模型進(jìn)行數(shù)值分析的數(shù)據(jù)接口問題，相較于傳統(tǒng)數(shù)值分析方法，其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

(1)依托BIM模型開展數(shù)值分析，提高了計(jì)算模型精度，減少了計(jì)算過程中的建模工作量。

(2)成功解決了達(dá)索3DEXPERIENCE平臺計(jì)算模塊SIMULIA中不能添加塑性材料參數(shù)及本構(gòu)模型的問題，擴(kuò)大了軟件的適用范圍。

(3)從BIM設(shè)計(jì)到數(shù)值分析計(jì)算全部在達(dá)索3DEXPERIENCE平臺上開展，成功解決了傳統(tǒng)方法中依托BIM模型進(jìn)行數(shù)值分析的數(shù)據(jù)接口問題。

(4)針對更新模型材料參數(shù)形成的研究方法具有普適性，對于模型分析過程中遇到的其他情況如隧道分部開挖同樣適用。