BIM建模結合有限元分析在隧道工程中的應用

謝 吉 星

(山東交通學院，山東 濟南 250357)

BIM是建筑信息模型((Building Information Modeling)的簡稱，是一個通過建立三維模型，對整個項目進行設計、施工和運營以及維護的過程，通過工程項目數字化模型的建立及使用，提高工程的整體施工和運營管理水平，其中心思想是整個工程全生命周期信息的交互和共享[1]。Revit建筑、結構和機電系列是Autodesk公司研發出的BIM繪制軟件，已經普遍應用在民用建筑市場[2]。

大型工程在施工前的準備階段，常常都會借助設計中創建好的三維模型，對整體工程進行受力分析。本文通過Revit給有限元軟件提供的接口*.sat文件，Revit與有限元軟件之間有一個*.sat文件來連接的通道，據此可在有限元軟件中載入三維模型，然后對導入之后的三維模型進行網格劃分和受力分析，以分析結果為依據對模型進行優化，從而制定出最終的施工方案[3]。

1 工程概述

濟南某高速公路隧道工程，左線暗挖段Z1K7+360～Z1K8+000,采用小凈距隧道S-XVa型襯砌結構,暗挖段為巖質隧道，拱形斷面，斷面尺寸寬18.2 m，高12.16 m，隧道暗洞均采用新奧法施工，對于Ⅳ級圍巖段，施工開挖前必須做好相應的超前支護，淺埋小凈距段采用單側壁導坑法開挖，一般淺埋段隧道施工采用微臺階弧形導坑留核心土的方法開挖，深埋段隧道施工采用三臺階法。

該地區地質情況為：隧址區地處千佛山斷裂帶東，項目區區域地質構造較簡單。區內新構造運動形成的形變極為微弱，主要表現以水平運動和差異性升降為主。未見對線路安全有明顯影響的活動性大構造或大斷裂，地質構造相對穩定，區域穩定性較好。

2 建立模型

在BIM建模軟件Revit中繪制出該隧道的隧道整體外輪廓圖，如圖1所示。并利用Revit的三位參數化以及拉伸的功能，可以得到隧道開挖部分的三維實體模型，如圖2所示。然后導出通過Revit軟件創建的三維實體模型，且保存為SAT數據格式。

3 ABAQUS中的網格劃分

ABAQUS軟件具有強大的有限元分析功能和CAE功能，已經作為工程軟件之一，被廣泛應用于機械制造、土木工程、隧道橋梁、汽車制造等領域[4]。

在ABAQUS的工作文件夾中，放入已經從Revit導出并保存為SAT格式的三維實體模型文件，然后在ABAQUS的主界面中選擇文件—導入，將三維實體模型的單元類型改為殼，進入之后選擇需要導入的SAT格式的文件。將實體模型導入之后，進入ABAQUS的網格劃分模塊，對隧道模型進行簡單的剖分，然后對各個邊進行種子分配，將每條邊都分配合理的種子數，再對單元進行網格屬性指派，對于隧道開挖部分實體模型，我們采用六面體結構網格劃分技術，劃分結果如圖3所示。對網格劃分完之后，就可以回到材料屬性模塊對隧道開挖部分實體模型進行材料屬性的指派，然后進行分析步的創建，荷載的添加以及各個約束的設置，然后就可以根據自己的需求在有限元軟件中進行所需要的計算。通過上述步驟，我們就達到了用有限元分析軟件把Revit中創建的三維模型進行網格劃分從而進行后續計算的目的。

4 拓展模型

采用相同的方法可以對開挖前后的支護結構等部件進行處理，用于計算在采取支護后山體圍巖對支護結構的作用及變形情況。隧道巖體開挖前，由于是Ⅳ級圍巖，故需要對其進行超前小導管注漿處理，對超前小導管的網格劃分如圖4所示。隧道巖體開挖完之后需要對隧道內壁進行噴漿來形成初期支護，為了研究巖體對于初期支護結構的作用，可將初期支護進行如圖5所示的網格劃分。在對隧道內部進行二次襯砌之后，二次襯砌與初期支護構成完整的維持隧道整體結構穩定的復合式襯砌結構，同理對該復合式襯砌結構進行網格來研究隧道山體對整體襯砌的作用，如圖6所示。

5 結語

與傳統的CAD二維圖紙相比，BIM的三維模型實體有著壓倒性的優勢，不僅僅是在施工中的動態控制以及四維模擬施工，尤其是在像隧道這種需要長期管理運營的項目中，可以對照明系統、通風系統和排水系統等方面進行全方位的管理與運營，真正實現了從設計到施工，再到運營和管理一體化。并且，采用Revit軟件進行三維參數化建模，無論是簡單還是復雜的構件或者工程模型，都可以一步到位。再結合有限元分析，可以簡化很多傳統建模分析模式中的繁瑣步驟，通過后期計算結果對比可知，Revit三維建模與有限元軟件獨立建模分析結果相同，說明這種方法是完全可行的，并且在很大程度上提高了建模分析的效率。