基于BIM的大規(guī)模精細(xì)化全尺度數(shù)值模擬分析應(yīng)用

陳為雄，周旭云，何帥磊

(1.中國電建集團(tuán)昆明勘測設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650000；2.中國水利電力對外有限公司，北京 100120)

黃登水電站工程建設(shè)在地質(zhì)條件復(fù)雜和地震頻繁發(fā)生的區(qū)域。該區(qū)域除了覆蓋層、巖層、斷層等不同尺度地質(zhì)構(gòu)造，還分布有數(shù)量巨大的巖體裂隙，直接影響水電工程的基礎(chǔ)安全與抵抗地震災(zāi)害的能力，因此在水電工程地質(zhì)分析中，必須同時考慮全尺度三維地質(zhì)構(gòu)造和不同水工建筑物的分布情況。由于地質(zhì)構(gòu)造在形成與發(fā)展過程中受到多種地質(zhì)作用的影響，其位置與幾何形態(tài)、屬性、空間關(guān)系十分復(fù)雜，而且由于現(xiàn)階段地質(zhì)勘測技術(shù)的限制和水工建筑物空間布置的離散化，給水電工程大規(guī)模精細(xì)化全尺度建模帶來了挑戰(zhàn)。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和工程設(shè)計水平的提高，三維大規(guī)模精細(xì)化全尺度建模技術(shù)已成為水電工程數(shù)值仿真中迫切需要攻破的難題。

1 BIM/CAE集成分析技術(shù)

黃登水電工程建設(shè)在地質(zhì)條件復(fù)雜和地震頻繁發(fā)生的區(qū)域，若僅僅采用CAE技術(shù)無法合理的分析登水電站工程建設(shè)中所面臨問題，因此有必要采用逆向工程技術(shù)實現(xiàn)基于BIM/CAE集成分析?；谀嫦蚬こ碳夹g(shù)，實現(xiàn)GIS三維精細(xì)化地質(zhì)模型的實體化，在此基礎(chǔ)上應(yīng)用專業(yè)參數(shù)化精細(xì)建模軟件進(jìn)行三維設(shè)計，再通過BIM/CAE平臺進(jìn)行直觀的分析評價。

(1)充分利用已有地質(zhì)勘探和試驗分析資料，應(yīng)用GIS技術(shù)初步建立黃登水電站建設(shè)區(qū)域三維地質(zhì)模型和水工建筑物模型，如圖1所示。同時，研發(fā)地質(zhì)信息三維可視化建模與分析系統(tǒng)，根據(jù)BIM平臺實時獲取地質(zhì)參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，快速修正地質(zhì)三維統(tǒng)一模型。

圖1 黃登水電站建設(shè)區(qū)域三維地質(zhì)模型和水工建筑物模型

(2)BIM/CAE集成“橋”技術(shù)。BIM/CAE “橋”技術(shù)是指依托BIM平臺實時信息高效準(zhǔn)確的導(dǎo)入CAD平臺完成幾何參數(shù)化建模，將連續(xù)、復(fù)雜、非規(guī)則的三維統(tǒng)一模型通過NURBS理論方法轉(zhuǎn)換為離散、規(guī)則的數(shù)值模型，最后輸出指定CAE求解器的標(biāo)準(zhǔn)文件格式。在BIM/CAE集成分析技術(shù)中增加一個“橋”平臺，專職數(shù)據(jù)的傳遞和轉(zhuǎn)換，在解放BIM/CAE的同時，改以往混亂局面為分工明確的模塊集成系統(tǒng)?！皹颉逼脚_選擇Altair公司的Hypermesh軟件，采用Macros及TCL/TK開發(fā)語言，實現(xiàn)了與BIM/CAE平臺間的數(shù)據(jù)通信及全尺度精細(xì)化模型的幾何重構(gòu)和網(wǎng)格生成。

(3)基于“橋”技術(shù)的網(wǎng)格模型，對黃登水電站大規(guī)模全尺度精細(xì)化模型進(jìn)行實時動態(tài)的數(shù)值分析，依托BIM/CAE集成分析技術(shù)實現(xiàn)對數(shù)值結(jié)果的快速比選評價，結(jié)合黃登水電站建設(shè)中的實際情況給出優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，極大簡化了數(shù)值分析的復(fù)雜性。

2 地質(zhì)-結(jié)構(gòu)-環(huán)境一體的大規(guī)模全尺度精細(xì)化數(shù)值計算技術(shù)

2.1 多要素耦合的數(shù)值分析技術(shù)

多要素耦合的數(shù)值分析技術(shù)不僅需要考慮三維大規(guī)模全尺度精細(xì)化模型的建立，而且也要考慮復(fù)雜模型中材料參數(shù)的離散化。三維大規(guī)模全尺度精細(xì)化模型中地形范圍為上游范圍截取為5倍壩高；下游范圍截取為3倍壩高；左岸范圍截取為2倍壩高；右岸范圍截取為3倍壩高，所截取范圍既能夠精確地建立全尺度模型，又能夠準(zhǔn)確地模擬黃登水電工程中材料參數(shù)的復(fù)雜性。

黃登重力壩壩基部位巖性為變質(zhì)火山角礫巖、變質(zhì)火山細(xì)礫巖夾變質(zhì)凝灰?guī)r，變質(zhì)火山角礫巖、變質(zhì)火山細(xì)礫巖為堅硬巖，變質(zhì)凝灰?guī)r為中等堅硬-堅硬巖。影響壩基抗滑穩(wěn)定和變形穩(wěn)定的主要因素為壩基部位巖性、風(fēng)化和卸荷程度、巖體結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)面特性、地下水活動性及變質(zhì)凝灰?guī)r夾層的性狀等。

根據(jù)基本資料，各壩段壩基基本地質(zhì)參數(shù)見表1。壩體材料的參數(shù)根據(jù)中國電建集團(tuán)昆明勘察設(shè)計研究院有限公司所提供的文件《黃登(新體型)基本資料》中壩體混凝土材料力學(xué)參數(shù)選取，見表2。

表1 各壩段壩基基本地質(zhì)參數(shù)

表2 壩體分區(qū)混凝土力學(xué)參數(shù)指標(biāo)

2.2 局部精細(xì)化網(wǎng)格加密技術(shù)

三維大規(guī)模全尺度精細(xì)化模型在剖分網(wǎng)格后，由于單元尺寸的非一致效應(yīng)，往往會影響數(shù)值分析結(jié)果的精確性，這就要求對模型進(jìn)行局部精細(xì)化網(wǎng)格加密。

采用Hypermesh中自帶的TCL/TK腳本語言實現(xiàn)六面體網(wǎng)格過度加密技術(shù)，依托該技術(shù)對黃登水電工程中關(guān)鍵部位進(jìn)行局部精細(xì)化網(wǎng)格加密，自由度達(dá)到億級，使其結(jié)果逼近于真實。

2.3 大規(guī)模數(shù)值計算的軟硬件環(huán)境研究

基于BIM/CAE集成分析技術(shù)所建立的三維全尺度精細(xì)化模型由于單元和節(jié)點(diǎn)數(shù)量龐大，自由度達(dá)到億級，普通工作站上難以支撐其運(yùn)行，只能依托超級計算機(jī)進(jìn)行全尺度數(shù)值分析。通過超級計算機(jī)“并行”計算技術(shù)結(jié)合BIM/CAE集成分析平臺，實現(xiàn)黃登水電工程三維全尺度精細(xì)化數(shù)值分析。本次采用的超級計算機(jī)為位于天津市國家計算機(jī)中心的“天河一號A”超級計算機(jī)。本次分析中為避免非人為因素的計算中斷，采用跳躍式保留關(guān)鍵文件，一旦中斷即可通過“restart”技術(shù)實現(xiàn)無間斷分析，本次分析共耗時720h。

3 應(yīng)用結(jié)果與效果

圖2—5分別為重力壩整體大規(guī)模精細(xì)化全尺度CAD模型、重力壩整體大規(guī)模精細(xì)化全尺度CAE離散模型、重力壩壩基大規(guī)模精細(xì)化全尺度離散模型、重力壩壩體大規(guī)模精細(xì)化全尺度離散模型。有限元模型信息見表3。

圖2 重力壩整體三維CAD實體模型

圖3 重力壩精細(xì)化全尺度CAE離散模型

圖4 重力壩基巖局部放大精細(xì)離散模型

圖5 重力壩壩體放大精細(xì)離散模型

3.1 整體三維有限元線彈性靜力分析結(jié)果

基于ABAQUS的重力壩整體三維有限元線彈性靜力分析結(jié)果如圖6—7所示。

圖6 整體壩段σ1云圖

圖7 整體壩段σ3云圖

3.2 單個壩段動力分析結(jié)果

以10號壩段動力分析為例，應(yīng)用結(jié)果如圖8—10所示。

圖8 設(shè)計規(guī)范波作用下溢流壩段壩段破壞對比圖

圖9 麗江波作用下溢流壩段壩段破壞對比圖

圖10 遷安波作用下溢流壩段壩段破壞對比圖

3.3 整體壩群應(yīng)用效果

以整體壩群為例，應(yīng)用的效果如圖11—14所示。

圖11 不同超載倍數(shù)時下游面損傷因子分布圖

圖12 不同超載倍數(shù)時上游面損傷因子分布圖

圖13 下游面損傷因子分布圖

圖14 上游面損傷因子分布圖

對比工況1和工況5、工況5和工況6。比較工況1和工況5可觀察到混凝土抗拉強(qiáng)度按照規(guī)范規(guī)定的1.2倍提高后，對大壩地震損傷的影響。對比工況5和工況6可分析大壩橫縫的存在對壩體地震損傷的影響?；炷量估瓘?qiáng)度按照動參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)提高以后，壩體抗裂能力得到提高，由各壩段的損傷情況對比可見，損傷區(qū)域明顯減小，損傷程度得到顯著緩解。壩段間橫縫的存在一定程度上起到釋放約束的作用，強(qiáng)震作用下，各壩段的地震響應(yīng)可以不受相鄰壩段的牽制，因此能有效緩解壩體的應(yīng)力狀況。從損傷區(qū)分布對比可以明顯看到，如果不考慮橫縫的作用，壩體中上部損傷會比較嚴(yán)重。尤其是大壩下游面中上部區(qū)域，由于閘墩、導(dǎo)墻等結(jié)構(gòu)剛度較弱，發(fā)生震損的風(fēng)險較大。必須采取相應(yīng)的抗震加固措施，提高抗震安全度。

4 結(jié)語

三維精細(xì)化全尺度模型不僅能夠精細(xì)化的模擬三維黃登空間精細(xì)構(gòu)造，而且能夠精確的用于黃登水電站數(shù)值模擬。

基于BIM的大規(guī)模精細(xì)化全尺度數(shù)值模擬分析方法，分別針對不同壩段和三維實體工程進(jìn)行了大規(guī)模精細(xì)化全尺寸建模，該模型不僅能夠適用于傳統(tǒng)的有限元分析，而且能夠用于空間域中的壩體優(yōu)化和時域中的動態(tài)參數(shù)安全評價?；贐IM的大規(guī)模精細(xì)化全尺度數(shù)值模擬分析方法，研究了黃登水電工程大范圍區(qū)域在一致動力荷載作用下三維壩體損傷斷裂機(jī)理。同時，結(jié)合大型振動臺試驗結(jié)果評價了壩體在極端動力荷載作用下的安全性。