達索3DEXPERIENCE平臺基于隧道BIM模型的數值分析研究

馮山群

(中國鐵路設計集團有限公司,天津 300142)

BIM技術是目前土木行業三維應用最為流行的產品理念[1-2]，相較于傳統二維圖紙，信息化的BIM模型為未來土木行業朝著更智能化方向發展提供了無限可能，基于BIM模型的數值分析就是其中一個重要研究方向。

隨著三維技術的不斷發展以及應用需求的不斷提高[3-5]，國內外主流數值分析軟件主要經歷了以下幾個階段：早期數值分析計算模型在計算軟件中建立[6，7]，由于建模功能有限，計算模型精度較低，計算結果誤差較大；BIM技術出現之后，為了有效利用精度較高的BIM模型，數值分析軟件通過導入BIM模型進行計算[8-9]，但由于軟件間的接口問題會不可避免地造成部分數據的損失；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，達索3DEXPERIENCE平臺數值分析模塊SIMULIA集成了傳統計算軟件ABAQUS[10-11]，在平臺中可以直接由建模模塊切換到計算模塊，當建模模塊中的模型參數變化時計算模塊中的計算模型聯動，極大提高了計算效率，然而由于目前SIMULIA模塊功能尚不完善，土木行業某些需求尤其是塑性計算需求無法滿足。

綜上所述，實現軟件集成的達索平臺其設計理念十分先進，成功解決了模型精度和軟件接口問題，然而對于隧道專業而言，應用達索平臺進行地層結構模型數值分析的最大障礙就是土體塑性參數及本構模型不能添加，這是本文研究的重點。

1 研究目標

打通基于達索3DEXPERIENCE平臺的隧道地層結構模型數值分析流程，實現從BIM模型到計算模型的無縫銜接。具體研究內容包括以下兩點：一是實現模型塑性參數及本構模型的添加；二是將計算過程流程化，提高計算效率。

2 研究內容

2.1 添加塑性參數及本構模型

(1)問題提出

隧道結構數值分析經常使用地層結構模型[12-13]，地層結構模型中的土體材料為彈塑性，需要添加彈塑性參數及相對應的本構模型，這是模型能否進行彈塑性計算的關鍵，圖1為傳統ABAQUS軟件中使用M-C準則時的材料添加界面。

圖1 傳統ABAQUS中添加塑性材料參數及本構模型

達索3DEXPERIENCE平臺SIMULIA模塊現有功能僅能添加材料彈性參數，如圖2所示，由于缺少塑性參數及本構模型，對于隧道地層結構模型的彈塑性分析無法實現，因此有必要研究達索平臺中塑性參數及本構模型的添加方法。

圖2 達索3DEXPERIENCE平臺SIMULIA模塊現有材料參數

(2)解決方案

達索3DEXPERIENCE平臺中的SIMULIA模塊基于傳統ABAQUS開發，因此二者計算模型文件的數據結構相同，對于一些在3DEXPERIENCE平臺中無法實現的功能，可充分參考傳統ABAQUS計算模型的數據結構，通過對3DEXPERIENCE平臺的計算模型數據結構進行更改來實現。

達索平臺SIMULIA模塊的計算模型文件為.inp文件，此文件基于Python語言，因此工作重點就是應用Python語句，將.inp文件中相關的塑性參數和本構模型進行更改或添加[14-15]。

(3)實現過程

計算模型數據文件內容繁雜，人工編輯難度較大，在掌握文件數據結構的基礎上，可通過開發程序實現文件更改。對于模型塑性參數及本構模型的更改與添加，可通過圖3流程實現。具體步驟為：依托達索3DEXPERIENCE平臺建模模塊CATIA創建BIM模型；將BIM模型切換到計算模塊SIMULIA，生成計算模型；將計算模型導出為.inp文件，與此同時在.txt文件中編寫塑性材料參數及本構模型；編寫.py程序文件[16-17]，執行此文件將.inp文件中的材料參數根據實際情況替換成.txt文件中的塑性材料參數及本構模型；生成新的.inp文件。

圖3 計算模型文件材料參數更新流程

以上流程實現的重點是在充分了解.inp文件數據結構的基礎上，通過Python編寫執行程序.py文件。如圖4、圖5所示，.py文件執行完成后，新生成的.inp文件中彈性材料參數已經更改為實際塑性材料參數，并添加了M-C塑性本構模型，更改后的數據結構和傳統ABAQUS中直接添加塑性參數及本構模型生成的數據結構一致。

圖4 初始.inp文件材料參數

圖5 更新后.inp文件材料參數

雖然在達索3DEXPERIENCE平臺SIMULIA模塊中沒有相關塑性材料參數及本構模型的添加界面，但通過程序更改計算模型文件數據結構可以達到和傳統ABAQUS相同的效果，這就為隧道地層結構模型在達索軟件中的應用掃清了障礙。

2.2 定義計算流程

(1)問題提出

傳統數值分析軟件塑性材料參數及本構模型在操作界面中完成，過程簡單明了，而達索平臺因為自身的局限性，需要首先更改生成的計算模型文件(見2.1節)，然后再將更改后的文件導回軟件進行計算，計算后如結果不能滿足要求一般還會涉及參數的調整，如此反復，操作復雜，因此有必要將此過程流程化，減少操作，提高計算效率。

(2)解決方案

達索3DEXPERIENCE平臺中的ProcessComposer模塊，可將分散的操作過程進行組合，將逐步實現的功能流程化，減少中間操作。

利用這一功能，可將隧道地層結構模型數值分析中計算模型文件的導出、修改、導入等單獨執行的步驟進行整合，使之流程化，當進行數值分析時，只需執行此流程即可，操作簡單，計算高效。此外，在此過程中還可以將計算過程中需要調整的參數提取出來，便于修改。

(3)實現過程

以添加地層結構模型地質塑性參數及本構模型為例，通過ProcessComposer模塊將計算過程中各分步進行整合。

圖6為整合流程，具體實現步驟為：下載本地文件，包括初始.inp文件、包含有參數信息的.txt文件以及執行材料更新過程的.py文件等，.py文件是主程序文件，.inp和.txt文件是程序執行過程中被調用的文件；設置關鍵參數，可將計算過程中的關鍵參數提取出來便于后期修改；執行.py文件，將初始.inp文件按.txt文件中的材料參數及本構模型進行更新；生成并上傳更新后的.inp文件；提交.inp文件到計算器，執行計算；生成并上傳計算結果文件(.odb文件)；打開生成的.odb文件，查看計算結果；當結果不滿足要求時，更改關鍵參數重新執行計算。

圖6 將計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，極大提高了計算效率。

3 案例分析

依托某鐵路項目隧道工程BIM模型及地質BIM模型對以上方法進行驗證。分析模型選用隧道地層結構模型，分析過程中的本構模型采用M-C準則，分析內容為隧道結構拱頂沉降，主要實現過程如下。

3.1 選取待分析段落BIM模型

在達索3DEXPERIENCE平臺中已建有某鐵路項目隧道工程BIM模型以及地質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構及地質體，如圖7所示。由于BIM模型體現的是三維真實場景，因此較傳統模式下的計算分析其計算精度更高。

圖7 需要計算的隧道BIM模型

3.2 轉換BIM模型為計算模型

將截取后的隧道主體結構及地質體模型切換到計算模塊SIMULIA，按照添加材料參數→劃分單元網格→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算模型，由于計算模塊中不能添加地質體塑性參數，故此步僅需添加彈性參數，塑性參數及本構關系根據2.1節方法在后續步驟中添加。生成的計算模型如圖8所示。

圖8 基于隧道BIM模型生成的計算模型

3.3 基礎文件準備

計算過程中需要的基礎文件包括3部分：一是通過計算模型導出的.inp文件；二是定義材料參數的.txt文件；三是執行材料更新的.py文件。其中.py文件是通過Python編寫的執行文件，通過調用計算模型文件.inp和材料參數文件.txt，生成更新材料參數的.inp文件。

3.4 定義計算流程

根據2.2節中提出的定義計算流程方法，在達索3DEXPERIENCE平臺ProcessComposer模塊中定義數值分析計算過程，如圖9所示，主要流程為：下載本地文件→設置關鍵參數→執行.py文件→上傳更新后的.inp文件→執行計算→上傳計算結果文件→查看計算結果。

圖9 在ProcessComposer模塊中定義計算過程

3.5 執行計算

在達索3DEXPERIENCE平臺ProcessComposer模塊中執行3.4節中定義的計算流程，并生成計算結果，當結果不能滿足要求時，更改關鍵材料參數重新執行計算。執行完成后的整體模型豎向變形情況見圖10，隧道結構豎向變形情況見圖11。

圖10 整體模型豎向變形

圖11 隧道結構豎向變形

本案例應用本文提出的塑性參數添加方法及將計算過程流程化的方法，順利完成了隧道地層結構模型數值計算，計算結果與實際情況相符，驗證了此方法的可行性。

3.6 與傳統計算方法對比分析

基于BIM模型進行數值分析的傳統方法如下：將BIM模型從BIM建模軟件中以一定的格式導出；將導出后的BIM模型導入傳統數值分析軟件；在傳統數值分析軟件中添加彈塑性參數、劃分網格以及進行其他邊界條件的定義；執行計算。

本案例中的BIM建模軟件為達索軟件，數值分析軟件采用ABAQUS，BIM模型由達索軟件的導出格式為.stp。由于BIM建模軟件和數值分析軟件的接口不同，當BIM模型導入數值分析軟件后出現了嚴重的數據丟失，后續計算無法執行。見圖12、圖13。

圖12 原始BIM模型

圖13 BIM模型導入計算軟件后數據嚴重缺失

4 結論

通過基于達索3DEXPERIENCE平臺的隧道地層結構模型數值分析研究，實現了地質體塑性材料參數及本構模型的添加，建立了旨在提高計算效率的整體計算流程，實現了隧道工程從BIM設計到數值分析的無縫銜接，成功解決了依托BIM模型進行數值分析的數據接口問題，相較于傳統數值分析方法，其優勢主要體現在以下4個方面。

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

(2)成功解決了達索3DEXPERIENCE平臺計算模塊SIMULIA中不能添加塑性材料參數及本構模型的問題，擴大了軟件的適用范圍。

(3)從BIM設計到數值分析計算全部在達索3DEXPERIENCE平臺上開展，成功解決了傳統方法中依托BIM模型進行數值分析的數據接口問題。

(4)針對更新模型材料參數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。